Verbundforschungsprojekte

Laufende Verbundforschungsprojekte

Der Profilbereich vereint eine Reihe von Verbundforschungsprojekten, insbesondere gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und den EU Forschungsrahmenprogrammen. Die folgende Liste gibt einen Überblick über die Programme, in welchen TFI-Mitglieder eine führende Rolle spielen.

1. Sonderforschungsbereiche

Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Peter Stephan

Förderperiode: 2016-2020 (erste Förderperiode)

Was passiert beim Drucken und Beschichten von Oberflächen mit unterschiedlichen Flüssigkeiten? Welche Prozesse laufen ab, wenn Flüssigkeit auf einen Festkörper trifft? Wie hängt dann die Be- und Entnetzung von den wechselseitigen, lokalen Impuls-, Wärme- und Stofftransportvorgängen ab? Die grundlegenden Mechanismen der wechselseitigen Beeinflussung dieser Vorgänge sind bislang größtenteils unverstanden und stehen im Zentrum des Sonderforschungsbereichs. Obwohl sich die physikalischen Phänomene nur im Bereich einiger Nano- bis weniger Mikrometer abspielen, bestimmen sie die Effizienz der Gesamtprozesse sowie die resultierende Produktqualität.

Stellvertretender Sprecher: Prof. Dr. Dieter Bothe, Fachgebiet Mathematische Modellierung und Analysis

SFB 1194 Webseite

Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Johannes Janicka

Förderperiode 2015-2019 (erste Förderperiode)

Bei Verbrennungsprozessen beeinflussen die Wände, etwa von Brennkammern, entscheidend das Verhalten chemisch reaktiver Strömungen. Dies betrifft zum Beispiel die Bildung von Schadstoffen – Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Ruß – in wandnahen Bereichen, unerwünschte Ablagerungen in Anlagen der Energie- und Verfahrenstechnik oder allgemein katalytische Effekte. Veränderungen von Reaktionsabläufen an unterschiedlich beschaffenen Wänden stören wiederum die Stabilität der Flammen.

Trotz ihrer hohen Bedeutung sind weder die einzelnen Mechanismen, die den turbulenten, chemisch reagierenden Mehrphasenströmungen in Wandnähe zugrunde liegen, noch ihr Zusammenwirken ausreichend bekannt. Daher sollen in dem neuen SFB Transregio die relevanten physikalisch-chemischen Phänomene verstanden und in Modelle überführt werden. Um präzisere Vorhersagen treffen zu können, werden zum Beispiel Funktionsdetails in Verbrennungsmotoren getestet. Die Erkenntnisse können wichtige Beiträge zur Entwicklung von Motoren, Gasturbinen, Kraftwerken oder Prozessen in der verfahrenstechnischen Industrie beisteuern.

Stellvertretende Sprecher:

TRR 150 Website

Koordinator an der TU Darmstadt: Prof. Dr.-Ing. Cameron Tropea

Förderperiode: 2009-2021 (erste, zweite und dritte Förderperiode)

Das grundsätzliche Verständnis von tropfendynamischen Prozessen ist entscheidend für die Voraussage natürlicher Prozesse sowie die Optimierung technischer Systeme. Viele dieser Prozesse laufen unter extremen Umgebungsbedingungen, z.B. hohem Druck oder extremen Temperaturen, ab und werden schon in der Technik angewandt, obwohl es noch große Lücken im grundlegenden Verständnis gibt. Hier genau setzt nun der Transregio an.

Ziel ist es, ein vertieftes physikalisches Verständnis der wesentlichen Vorgänge zu gewinnen. Darauf basierend sollen Wege zur analytischen und numerischen Beschreibung aufgezeigt und diese selbstverständlich auch umgesetzt werden. Zudem wird dadurch auch eine Verbesserung der Vorhersage von größeren Systemen in der Natur oder in technischen Anlagen ermöglicht.

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Koordinator an der TU Darmstadt: Prof. Dr. Nico van der Vegt

Förderperiode: 2014-2018 (erste Förderperiode)

Multiskalenmodellierung ist ein zentrales Thema der Materialwissenschaften. Eine wichtige und technologisch relevante Klasse von Materialien ist dabei weiche Materie, die von einfachen Kunststoffen bis zu komplexen biomolekularen Systemen oder Materialien der organischen Elektronik reicht. Ihre Eigenschaften werden durch ein subtiles Wechselspiel von Energie und Entropie bestimmt, sodass kleine Änderungen der molekularen Wechselwirkungen große Änderungen der makroskopischen Eigenschaften eines Systems zur Folge haben können.

Der SFB/TRR „Multiskalen-Simulationsmethoden für Systeme der weichen Materie“ will einige der drängendsten Probleme der Multiskalenmodellierung in einer gemeinsamen Anstrengung von Physikern, Chemikern, angewandten Mathematikern und Informatikern angehen. Ziel ist es, durch die Entwicklung neuer Simulations- und Analysetechniken auch Simulationen von komplexeren Systemen der „wirklichen Welt“, die durch Nichtgleichgewichtsprozesse bestimmt werden, zu ermöglichen.

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2. Schwerpunktprogramme

Programmausschuss an der TU Darmstadt: Prof. Dr. Dieter Bothe

Förderperiode: 2014-2020

Das Schwerpunktprogramm befasst sich durch Einsatz neuer experimenteller und numerischer Methoden mit der Aufklärung der reaktionstechnisch relevanten Zeitskalen (Kinetiken) der Reaktionsnetzwerke auf lokaler (inhärenter) Ebene, um das Zusammenspiel zwischen Hydrodynamik und Reaktion in Blasenströmungen aufzuklären. Hierbei kommt dem engen Zusammenspiel zwischen Ingenieurwissenschaften, Chemie und Mathematik eine besondere Bedeutung zu.

Innerhalb der ersten Förderperiode sind als Leitmaßnahme Versuche mit Modellcharakter vorgesehen, um die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Fachgebieten zu fördern. Hierfür wurden bewusst Versuche ausgewählt, die zunächst einen überschaubaren Komplexitätsgrad aufweisen und daher gut für eine interdisziplinäre Bearbeitung geeignet sind. Im Verlauf des Schwerpunktprogramms sollte sich der Komplexitätsgrad der betrachteten Strömungen jedoch bis zur freien reaktiven Blasenströmung erhöhen.

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Kürzlich abgeschlossenen Projekte

Koordinatorin: PD Dr.-Ing. habil. Tatiana Gambaryan-Roisman

Förderperiode: 2014-2018

Wie entfalten aktive Substanzen von Schäumen oder feinen Emulsionen in Kosmetika auf Haut und Haaren ihre reinigende oder pflegende Wirkung? Wie lagern sich funktionale Nanopartikel auf Textilfasern oder flexiblen Polymerfilmen ab? Bestandteile dieser Produkte sind oft sogenannte „komplexe Fluide“: auf verschiedenen Längenskalen strukturierte Flüssigkeiten. Vorliegen können sie unter anderem als Dispersionen, Polymerschmelzen, Tensidlösungen, Emulsionen, Schäume oder andere nichtnewtonsche Flüssigkeiten.

Bei zahlreichen Anwendungen treffen komplexe Fluide auf komplexe Oberflächen: feste oder weiche Substrate, mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Topologie, die chemisch inhomogen oder im Mikro- bzw. Nanometerbereich porös sind. Dazu gehören auch anpassungsfähige oder schaltbare Beschichtungen sowie lösliche oder viskoelastische Oberflächen.

Forscherinnen und Forscher, die die Benetzungsdynamik komplexer Fluide auf mikro- und nanostrukturierten Oberflächen kontrollieren wollen, müssen traditionelle Disziplingrenzen der Mathematik, Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften überwinden. Dieser Herausforderung stellt sich ab Januar 2014 das an der TU Darmstadt koordinierte Projekt „CoWet“, ein von der EU gefördertes Marie Curie Initial Training Network (ITN).

CoWet Website

Koordinator an der TU Darmstadt: Prof. Dr. Matthias Hieber

Förderperiode: 2009-2018 (erste und zweite Periode)

Das Internationale Graduiertenkolleg wird seit Juni 2009 von der DFG und von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) gefördert. Partner sind die TU Darmstadt, die Waseda-Universität in Tokio und die Universität Tokio.

Im Mittelpunkt der Forschung steht die mathematische Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Fluiddynamik. Dabei sollen Methoden aus der Analysis, Stochastik, Geometrie, Optimierung sowie der Aerodynamik kombiniert angewendet werden.

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Koordinator: Prof. Dr. Dieter Bothe

Förderperiode: 2010-2016

In mehrphasigen Prozessen ist die Phasengrenzfläche von herausragender Bedeutung für die Effektivität und Effizienz dieser Prozesse. Dabei spielen geometrische Eigenschaften wie Lage und Form der Grenzfläche, physikalische Eigenschaften wie Grenzflächenspannung und -zähigkeiten sowie physiko-chemische Eigenschaften eine wesentliche Rolle.

Im Allgemeinen sind diese Prozesse stark miteinander gekoppelt und Grenzflächeneigenschaften spielen eine entscheidende Rolle. Ein genaues Verständnis solch hochkomplexer Strömungsprobleme ist nur auf Grundlage physikalisch solider mathematischer Modelle mögich. Diese müssen insbesondere lokale Prozesse an der Grenzfläche berücksichtigen. Im Rahmen dieses SPPs werden diese Modelle erweitert, mathematische Eigenschaften analysiert sowie numerische Methoden für die exakte Simulation entwickeln und optimiert.

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