Forschung

Forschungsschwerpunkte am Institut TEMF

Mittelpunkt der Forschung bei TEMF ist die numerische Simulation elektromagnetischer Vorgänge, die in einem breiten Spektrum der Wissenschaft und Technik von primärer Bedeutung sind. Der Anwendungsbereich solcher Simulationen streckt sich von niederfrequenten Industrieapplikationen bis hin zur Hochfrequenztechnik, von der Entwicklung elektromechanischer Sensoren bis zur bioelektromagnetischen Modellierung des menschlichen Körpers, vom Entwurf elektronischer Bauteile bis zur Elementarteilchenforschung in der Beschleuniger-Physik. Aufgrund der hohen Komplexität solcher Systeme läßt sich mit Hilfe empirischer Modelle oder durch analytische Berechnungen meist keine zuverlässige Lösung erzielen. Damit gewinnt die numerische Feldsimulation, auch Dank der rasanten Entwicklung in der Computertechnologie, stets an Bedeutung.

Ein wichtiger Ausgangspunkt der Forschung am Institut ist die Finite-Integrations-Theorie, die eine diskrete Formulierung für allgemeine, vektorielle Differentialgleichungen und insbesondere für die Maxwellgleichungen darstellt. FIT ist das erste Diskretisierungsverfahren ihrer Art, welche die Forschung im Bereich der numerischen Feldsimulation revolutioniert hat. Ein entscheidender Vorteil der FI-Formulierung im Vergleich zu anderen Methoden ist, daß sie eine in sich geschlossene Theorie darstellt, die sich im gesamten Spektrum elektromagnetischer Anwendungen mit Erfolg einsetzen läßt. Wichtige Forschungsschwerpunkte des Instituts sind:

Entwicklung von numerischen Verfahren

  • Entwicklung von FIT-Algorithmen höherer Konvergenzordnung
  • Entwicklung von FIT-Algorithmen auf strukturierten, nichtorthogonalen Gittern
  • Einsatz von Spektralzerlegungsmethoden zur Entwicklung von „Reduced Order“-Modellen für die Systemmatrizen der FI-Methode
  • Entwicklung von Untergitter-Algorithmen und adaptiven Diskretisierungsverfahren
  • Entwicklung von Lösungsalgorithmen für elektro- und magnetoquasistatische Vorgänge mit indefiniter bzw. singulärer Systemmatrizen
  • Entwicklung von iterativen Lösungsalgorithmen für große Gleichungssysteme

Modellierung

  • Verbesserung der FIT-Geometrieapproximation durch spezielle Materialfüllungs-Verfahren von Teil-Gitterzellen.
  • Modellierung von dünnen perfekt leitenden Metallschichten mit beliebiger Geometriekrümmung
  • Generierung von orthogonalen und nicht-orthogonalen Hexaedergittern für die FIT-Methode

Anwendungen mit gekoppelten elektromagnetischen Feldern

  • Gekoppelte Feld- und Temperaturberechnungen von transienten Vorgängen in verlustbehafteten Systeme
  • Fluiddynamische Berechnung und Optimierung von on-board elektronischen Bauteilen mit gezwungener Konvektionskühlung
  • Berechnung elektromagnetischer Felder im menschlichen Körper mit bioelektromagnetischen Anwendungen in der Medizin
  • Simulation von Gasentladungsvorgängen und der Kollosisonsdynamik in Plasmas
  • Modellierung primärer und sekundärer Emission geladener Teilchen aus Emissionsflächen mit beliebiger Geometriekrümmung

Anwendungen in der Niederfrequenztechnik

  • Elektromechanische Berechnungen von dynamischen Systemen (mit bewegenden Bauteilen). Designstudien zur Entwicklung elektrischer Motoren
  • Magnetostatische und magnetoquasistatische Feldsimulationen mit ferromagnetischen Materialien in Transformatoren, Magnetsensoren und magnetischen Speichermedien

Anwendungen in der Hochfrequenztechnik

  • Feldberechnung von übertragungsgliedern und Bauteilen und deren Einbindung in Netzwerksimulationen
  • Berechnung des Abstrahlungsverhaltens komplexer Antennensysteme in Anwesenheit von Streukörpern im Fernfeld mit hybriden Methoden
  • Zeitbereich Feldsimulationen mit dispersiven und nicht-linearen Materialien mit Anwendungen in optischen Wellenleiter, Mikrowellenschalter und Dämpfungsgliedern
  • Zeitbereich Feldsimulationen mit gyrotropischen Materialien zur Entwicklung hoch präziser Wellenfilter

Anwendungen in der Beschleunigerphysik

  • Entwicklung von on-line-Simulationssoftware für Beschleuniger
  • Dispersionsfreie Berechnung von Streufeldern (wake fields) in Beschleunigerkavitäten
  • Optimierung von Hochfrequenzkomponenten wie Leistungskoppler und HOM-Koppler
  • Strahldynamiksimulationen für aktuelle und zukünftige Beschleunigerprojekte
  • Entwicklung von Simulationsmethoden niederenergetischer Elektronenstrahlen
  • Designstudien über Beschleunigerresonatoren in Synchrotrons und Speicherringen
  • Transiente Feldberechnungen in supraleitenden Magneten
  • Untersuchung höherer Moden (HOM) in Beschleunigerresonatoren
  • Impedanzanalyse und Optimierung von Beschleunigermodulen
  • Analyse und Optimierung von planaren Pick-ups und Kicker-Elektroden
  • Simulationen zu Wakefeldern im THz-Bereich

Visualisierung

  • Implementierung der VRML-Technik in die Visualisierung von dreidimensionalen Strukturen und deren Feldlösungen