Podcasts about numerical modelling

This is the first of four conversation Gudrun had during the British Applied Mathematics Colloquium which took place 5th – 8th of April 2016 in Oxford. Josie Dodd finished her Master's in Mathematical and Numerical Modelling of the Atmosphere and Oceans at the University of Reading. In her PhD project she is working in the Mathematical Biology Group inside the Department of Mathematics and Statistics in Reading. In this group she develops models that describe plant and canopy growth of the Bambara Groundnut - especially the plant interaction when grown as part of a crop. The project is interdisciplinary and interaction with biologists is encouraged by the funding entity. Why is this project so interesting? In general, the experimental effort to understand crop growth is very costly and takes a lot of time. So it is a great benefit to have cheaper and faster computer experiments. The project studies the Bambara Groundnut since it is a candidate for adding to our food supply in the future. It is an remarkably robust crop, draught tolerant and nitrogent inriching, which means the production of yield does not depend on fertilizer. The typical plant grows 150 days per year. The study will find results for which verfication and paramater estimations from actual green house data is available. On the other hand, all experience on the modelling side will be transferable to other plants up to a certain degree. The construction of the mathematical model includes finding equations which are simple enough but cover the main processes as well as numerical schemes which solve them effectively. At the moment, temperature and solar radiation are the main input to the model. In the future, it should include rain as well. Another important parameter is the placement of the plants - especially in asking for arrangements which maximize the yield. Analyzing the available data from the experimental partners leads to three nonlinear ODEs for each plant. Also, the leave production has a Gaussian distribution relationship with time and temperature. The results then enter the biomass equation. The growth process of the plant is characterized by a change of the rate of change over time. This is a property of the plant that leads to nonlinearity in the equations. Nevertheless, the model has to stay as simple as possible, while firstly, bridging the gap to complicated and more precise models, and secondly, staying interpretable to make people able to use it and understand its behaviour as non-mathematicians. This is the main group for which the models should be a useful tool. So far, the model for interaction with neighbouring plants is the computational more costly part, where - of course - geometric consideration of overlapping have to enter the model. Though it does not yet consider many plants (since green house sized experimental data are available) the model scales well to a big number of plants due to its inherent symmetries. Since at the moment the optimizaition of the arrangements of plants has a priority - a lot of standardization and simplifying assumptions are applied. So for the future more parameters such as the input of water should be included, and it would be nice to have more scales. Such additional scales would be to include the roots system or other biological processes inside the plant. Of course, the green house is well controlled and available field data are less precise due to the difficulty of measurements in the field. During her work on the project and as a tutor Josie Dodd found out that she really likes to do computer programming. Since it is so applicable to many things theses skills open a lot of doors. Therefore, she would encourage everybody to give it a try. Literature and additional material Crops for the Future website Asha Sajeewani Karunaratne: Modelling the response of Bambara groundnut (Vigna subterranea (L.) Verdc) for abiotic stress, PhD thesis, University of Nottingham (2009). A.S. Karunaratne e.a.: Modelling the canopy development of bambara groundnut, Agricultural and Forest Meteorology 150, (7–8) 2010, 1007–1015.

This is the first of four conversation Gudrun had during the British Applied Mathematics Colloquium which took place 5th – 8th of April 2016 in Oxford. Josie Dodd finished her Master's in Mathematical and Numerical Modelling of the Atmosphere and Oceans at the University of Reading. In her PhD project she is working in the Mathematical Biology Group inside the Department of Mathematics and Statistics in Reading. In this group she develops models that describe plant and canopy growth of the Bambara Groundnut - especially the plant interaction when grown as part of a crop. The project is interdisciplinary and interaction with biologists is encouraged by the funding entity. Why is this project so interesting? In general, the experimental effort to understand crop growth is very costly and takes a lot of time. So it is a great benefit to have cheaper and faster computer experiments. The project studies the Bambara Groundnut since it is a candidate for adding to our food supply in the future. It is an remarkably robust crop, draught tolerant and nitrogent inriching, which means the production of yield does not depend on fertilizer. The typical plant grows 150 days per year. The study will find results for which verfication and paramater estimations from actual green house data is available. On the other hand, all experience on the modelling side will be transferable to other plants up to a certain degree. The construction of the mathematical model includes finding equations which are simple enough but cover the main processes as well as numerical schemes which solve them effectively. At the moment, temperature and solar radiation are the main input to the model. In the future, it should include rain as well. Another important parameter is the placement of the plants - especially in asking for arrangements which maximize the yield. Analyzing the available data from the experimental partners leads to three nonlinear ODEs for each plant. Also, the leave production has a Gaussian distribution relationship with time and temperature. The results then enter the biomass equation. The growth process of the plant is characterized by a change of the rate of change over time. This is a property of the plant that leads to nonlinearity in the equations. Nevertheless, the model has to stay as simple as possible, while firstly, bridging the gap to complicated and more precise models, and secondly, staying interpretable to make people able to use it and understand its behaviour as non-mathematicians. This is the main group for which the models should be a useful tool. So far, the model for interaction with neighbouring plants is the computational more costly part, where - of course - geometric consideration of overlapping have to enter the model. Though it does not yet consider many plants (since green house sized experimental data are available) the model scales well to a big number of plants due to its inherent symmetries. Since at the moment the optimizaition of the arrangements of plants has a priority - a lot of standardization and simplifying assumptions are applied. So for the future more parameters such as the input of water should be included, and it would be nice to have more scales. Such additional scales would be to include the roots system or other biological processes inside the plant. Of course, the green house is well controlled and available field data are less precise due to the difficulty of measurements in the field. During her work on the project and as a tutor Josie Dodd found out that she really likes to do computer programming. Since it is so applicable to many things theses skills open a lot of doors. Therefore, she would encourage everybody to give it a try. Literature and additional material Crops for the Future website Asha Sajeewani Karunaratne: Modelling the response of Bambara groundnut (Vigna subterranea (L.) Verdc) for abiotic stress, PhD thesis, University of Nottingham (2009). A.S. Karunaratne e.a.: Modelling the canopy development of bambara groundnut, Agricultural and Forest Meteorology 150, (7–8) 2010, 1007–1015.

In den Materialwissenschaften ist man immer auf der Suche nach neuen Werkstoffen und Materialien. Sehr vielversprechend sind dabei Metallschäume, dessen Wärmeleitungseigenschaften Anastasia August am Institut für angewandte Materialien erforscht und über die sie uns im Gespräch mit Sebastian Ritterbusch erzählt.Zu den besonderen Eigenschaften von Metallschäumen gehören unter anderem die große Oberfläche bzw. Grenzfläche im Verhältnis zum Volumen wie bei Lungenbläschen und die hohe Wärmeleitungsfähigkeit im Verhältnis zum Gewicht. Gleichzeitig können Metallschäume mit Luft oder anderen Materialien wie Paraffin gefüllt werden, um besondere Eigenschaften zu erhalten. Neben Bierschaum ist auch der Badeschaum eine Möglichkeit Schäume mit ihrem außergewöhnlichem Verhalten kennenzulernen. Das geschäumte Materialgemisch erhält dabei aber typischerweise nicht durchschnittliche Materialeigenschaften, sondern es können Eigenschaften der einzelnen Materialien teilweise kombiniert werden; z.B. erhält ein Metall-Paraffinschaum eine recht hohe Wärmeleitfähigkeit vom Metall gepaart mit einer hohen Wärmekapazität und vor Allem mit einem günstigen Schmelzpunkt (45-80°C) vom Paraffin und ist damit ein sehr effizienter Latentwärmespeicher.In der Natur finden sich Schaumstrukturen zum Beispiel in Knochen, die bei hoher Stabilität ein deutlich geringeres Gewicht als ein massives Material haben. Aber auch für Knochenimplantate sind Metallschäume aus Titan durch die hohe Stabilität bei geringem Gewicht und guter Verträglichkeit sehr interessant.Problematisch ist für den Einsatz von Metallschäumen, dass noch viele quantitative Messgrößen fehlen, die Herstellung noch recht teuer ist, und insbesondere nur in kleinen Größen produziert werden kann. Als Unterscheidungsmerkmal hat sich neben der Unterscheidung in offen oder geschlossen porigen Schaum die ppi-Zahl als Maß für die Porendichte etabliert, dabei zählt man die Poren pro Inch (Zoll, entspricht 2,54 cm). Dazu erfasst man auch die mittlere Porengröße (Durchmesser), ihre Standardabweichung, die Porosität, die mittlere Stegdicke und deren Form. Weiterhin können sich Größen in verschiedenen Richtungen im Material unterscheiden, und dadurch merklich deren Eigenschaften verändern.Für die Herstellung von Metallschäumen gibt es unterschiedliche Verfahren: Zwei typische Vertreter sind das Pressen mit dem anschließenden Schmelzen von gemischtem Metall- und Metallhybridpulvern für geschlossen porige feste Schäume oder Gießverfahren, wo der Metallschaum für offen porige Materialien durch keramische Negativabbildungen von Polyurethan-Schäumen nachempfunden wird.Schon früh waren Schäume als möglichst dichte Packungen ein Forschungsfeld in der Mathematik. Im Jahr 1994 haben Weaire-Phelan eine noch optimalere regelmäßige Schaumstruktur veröffentlicht, die in der Architektur des zu den olympischen Sommerspielen 2008 in Peking errichteten Nationalen Schwimmzentrums verewigt wurde. Das ebenfalls zu den Sommerspielen errichtete Vogelnest hat im Gegenteil eine zufälligere Struktur. Lange hatte man keine verlässlichen Aussagen über die Wärmeleitfähigkeit von Metallschäumen. Bei einer Leitfähigkeit von etwa 200 W/(mK) von Aluminium erreicht ein Metallschaum Leitfähigkeiten zwischen 5-13 W/(mK) während man bei Luft von einer Leitfähigkeit von etwa 0.025 W/(mK) ausgehen kann. Außerdem haben Metallschäume einen hohen Oberflächenanteil, dies bezeichnet die vorhandene Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Während ein voller Metallwürfel ein Verhältnis von etwa hat, kann ein Schaum ein Verhältnis von bis zu erreichen.Eine interessante Fragestellung ist auch, ab welcher Porengröße die natürliche Konvektion in mit Luft gefüllten Metallschäumen eine Rolle gegenüber der Wärmeleitung spielt. Die relevante Größe ist hier die Rayleigh-Zahl, die für Metallschäume typischer Porengrößen ergibt, dass die natürliche Konvektion zu vernachlässigen ist.Für die Simulation wird der komplette Raum des Metallschaums diskretisiert, und es gibt eine Funktion, die als Indikatorfunktion anzeigt, ob an diesem Punkt Metall oder Luft vorliegt. Hier können sowohl aus an der Hochschule Pforzheim durchgeführten Schnitten rekonstruierte Schaumstrukturen abgebildet werden, aber auch künstlich mit Algorithmen erzeugte Schäume für die Simulation abgebildet werden. Bei der künstlichen Erzeugung von Schäumen ist die Voronoi-Zerlegung ein wichtiger Algorithmus zur Bestimmung der Poren.Den eigentlichen Wärmetransport im Metallschaum wird durch die Wärmeleitungsgleichung modelliert. Sie leitet sich aus dem Energieerhaltungssatz und dem Fourierschen Satz ab. Dieses Modell stimmt aber in dieser Form nur für homogene Materialien mit konstantem Koeffizienten . Daher müssen die Sprünge in Materialeigenschaften (etwas im Übergang Luft-Metall) zusätzlich berücksichtigt werden. Dies kann über die Phasenfeldmethode realisiert werden, wo eine künstliche, diffuse Übergangsschicht zwischen den Materialien eingeführt wird. Dies ist im Prinzip eine Art von Mollifikation, wo ein Sprung durch eine glatte monotone Funktion angenähert wird. Wenn dies zusätzlich mit der Berücksichtung der anisotropen Eigenschaften der Übergangsschicht ergänzt wird, erhält man eine Basis für die in PACE 3D implementierte Simulationsmethode, die mit verschiedenen analytischen Ergebnissen und kommerziellen Softwareprodukten erfolgreich validiert werden konnte.Die Phasenfeldmethode und die Software Pace3D stammt ursprünglich aus der Simulation von Erstarrungs- und Schmelzvorgängen auf der Mikrometerskala. Metalle erstarren in Form von sogenannten Dendriten. Das sind Kristalle, die eine gewisse Ähnlichkeit mit Schneeflocken aufweisen.Eine interessante Anwendung von Metallschäumen bietet das mutige Silent Power PC Projekt, in dem ein Metallschaum den einen Rechner effizient kühlen soll. Aus den bisherigen Erkenntnissen der Arbeitsgruppe ist anzunehmen, dass ein Großteil der Kühlleistung in einem solchen System auf der Wärmeleitung liegt - für einen Einfluss der natürlichen Konvektion scheint die Porengröße zu klein zu sein.Die Faszination für Wissenschaft inspiriert Anastasia August nicht nur in der Forschung, sondern sie demonstriert sie auch auf Science Slams und im FameLab. Sie hielt dort Vorträge über ihr Forschungsgebiet und auch über das sehr unterschätzte Thema der Stetigkeit und die Anwendung auf Temperaturen auf der Erdkugel. Mit dem Vortrag auf dem Science Slam Vorentscheid in Esslingen zu Metallschäumen hat sie sich für die Meisterschaft am 6. Dezember qualifiziert.Literatur und Zusatzinformationen A. August, B. Nestler, F. Wendler, M. Selzer, A. Kneer, E. Martens: Efficiency Study of Metal Foams for Heat Storage and Heat Exchange, CELLMAT 2010 Dresden Conference Proceedings, 148-151, 2010, Fraunhofer IFAM Dresden, 2010. A. August, B. Nestler, A. Kneer, F. Wendler, M. Rölle, M. Selzer: Offenporige metallische Schäume, Werkstoffe in der Fertigung, Ausgabe 6/ November 2011, S. 45-46, 2011. M. Rölle, A. August, M. Selzer, B. Nestler: Generierung offenporiger metallischer Schaumstrukturen zur Simulation der Wärmeübertragungseigenschaften, Forschung aktuell 2011, 21-23 Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft, S. 21-23, 2011. A. Vondrous, B. Nestler, A. August, E. Wesner, A. Choudhury, J. Hötzer: Metallic foam structures, dendrites and implementation optimizations for phase-field modelling, High Performance Computing in Science and Engineering, Transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS), Pages 595-605, 2011. E. Wesner, A. August, B. Nestler: Metallische Schneeflocken, horizonte, Nr. 43, März 2014. J. Ettrich, A. Choudhury, O. Tschukin, E. Schoof, A. August, B. Nestler: Modelling of Transient Heat Conduction with Diffuse Interface Methods, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2014. J. Ettrich, A. August, B. Nestler: Open Cell Metal Foams: Measurement and Numerical Modelling of Fluid Flow and Heat Transfer, CELLMAT 2014 Dresden Conference Proceedings, 2014. J. Ettrich, A. August, M. Rölle, B. Nestler: Digital Representation of Complex Cellular Sructures for Numerical Simulations, CELLMAT 2014 Dresden Conference Proceedings, 2014. Forschungsgruppen am KIT-ZBS Institute of Materials and Processes an der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft Das Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien (IWWT) an der Hochschule Pforzheim