Titel Promotor Affiliaties "Korte inhoud" "Adaptieve multi-schaal en multi-fysica modellering van de atmosfeer van de Zon" "Stefaan Poedts" Plasma-astrofysica "Het overkoepelende doel van dit project is het ontwikkelen van een innovatieve benadering op meerdere schalen voor het simuleren van het transport en de omzetting van enorme hoeveelheden energieën in verschillende vormen binnen de solaire atmosfeer, door nieuwe zelfconsistente multi-vloeistofmodellen te combineren met baanbrekende geïntegreerde adaptieve procedures. Het resulterende simulatiemodel maakt een dynamische aanpassing mogelijk van zowel de fysisch-chemische modellen als het computergaas in functie van de lokale nauwkeurigheidseisen." "Multi-terminal supergeleider/grafeen nano-hybriden: Van fundamenteel begrip van de microscopische transport processen naar nieuwe macroscopische kwantum toestellen." "Joris Van de Vondel" Kwantum-vastestoffysica "Het doel van dit project is om een baanbrekend experimenteel onderzoek uit te voeren naar elektronisch transport in nanotoestellen met meerdere supergeleider (S) / grafeen (G) -interfaces. Dit om de verschillende concurrerende microscopische transportprocessen door de huidige interfaces fundamenteel te begrijpen en te beheersen." "Ontwikkeling van hoge orde adaptieve algoritmes voor het simuleren van magnetische reconnectie processen met onzekerheid kwantificering" "Stefaan Poedts" Plasma-astrofysica "Met de snelle vooruitgang van technologie en wetenschappelijke kennis zijn we elke dag getuige van enorme vooruitgang op diverse onderzoeks- en ontwikkelingsgebieden, die leidt tot een beter begrip van de wereld om ons heen en nieuwe wegen opent voor exploratie. In dit proces is een groeiend vertrouwen ontstaan in geavanceerde numerieke methoden, als het meest kosteneffectieve instrument om nauwkeurige simulaties van complexe problemen uit te voeren. \\Dit werk beoogt bij te dragen aan deze vooruitgang door de ontwikkeling van nieuwe en geavanceerde numerieke instrumenten die de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van simulaties kunnen verbeteren. Praktisch gezien richt het onderzoek zich op drie hoofdlijnen: moderne hoge-orde methoden, automatische adaptieve mesh verfijning, en onzekerheids kwantificeringstechnieken. \\De eerste onderzoeksas betreft de ontwikkeling en implementatie van de eerste hoge-orde Flux Reconstructie (FR) schema's specifiek gericht op hogesnelheidsstromingen op zowel rechte als gebogen 2D en 3D simplex elementen binnen het open-source COOLFluiD (Computational Object-Oriented Libraries for Fluid Dynamics) platform. De voorgestelde FR solver biedt een nauwkeuriger detectie van complexe stromingskenmerken over relatief grovere mazen in vergelijking met hun collega's van lage orde (met name in aanwezigheid van schokgolven), is volledig impliciet en kan samendrukbare stromingsproblemen simuleren die beheerst worden door de Euler- of Navier-Stokes-vergelijkingen op driehoekige en tetrahedrale mazen. Om gevallen met schokken te simuleren, werd een verbeterd en meer case-onafhankelijk schokopvangschema, eerder ontwikkeld voor vierhoekige elementen, uitgebreid tot supersonische en hypersonische simulaties. Uitgebreide verificatie van de resulterende FR solver (tot $7^{de}$ orde, a.k.a P6, voor de oplossingspolynoom en $3^{de}$ orde a.k.a Q2 voor de geometrische representatie) werd uitgevoerd op benchmark testcases met stroomsnelheden gaande van subsonisch tot hypersonisch, tot Mach 9.6. De verkregen resultaten zijn gunstig vergeleken met die welke in de literatuur beschikbaar zijn.De tweede onderzoeksas richt zich op de ontwikkeling en implementatie van het eerste r-adaptive mesh refinement (r-AMR) algoritme voor de hoge-orde FR solver. De r-verfijning bestaat uit het herpositioneren van knooppunten terwijl het aantal knooppunten en hun connectiviteit bevroren blijven. Het ontwikkelde algoritme is gebaseerd op natuurkundige veeranalogieën, waarbij het rooster kan worden gezien als een netwerk van fictieve veren. Terwijl AMR de lokale maasdichtheid verhoogt, biedt de FR-methode van hoge orde een nauwkeuriger detectie van complexe stromingskenmerken over relatief grovere mazen, in vergelijking met methoden van lage orde. Deze combinatie leverde enkele veelbelovende resultaten op van r-AMR toegepast op hoge-orde steady-state stromingssimulaties met hoge snelheid.De laatste onderzoeksas betreft de koppeling van een Uncertainty Quantification (UQ) toolkit, MultilevelEstimators, en COOLFLuiD. Een MLMC-methode (Multi-Level Monte Carlo), gebruikt voor UQ, construeert niveaus met isotrope p-verfijning in plaats van isotrope h-verfijning, waardoor idealiter slechts één initiële ""grove"" maas nodig is die polynomiaal wordt opgewaardeerd om fijnere niveaus te verkrijgen. Bovendien wordt het toepassingsgebied van de MLMC binnen het FR-kader (met en zonder r-AMR) uitgebreid om op een algemene manier modellen met lage tot hoge getrouwheid te construeren die veelbelovende resultaten van hoge getrouwheid en hoge nauwkeurigheid opleveren. \\" "Opschalen van porie-schaal processen met microstructurele evolutie" "Computationele Wiskunde, Universität Stuttgart" "Stroming en reactieve transportprocessen in poreuze media worden komen voor in talloze gebieden zoals milieu- en civiele technieken, technologie, of biologische systemen. Deze processen vinden plaats en interageren op verschillende schalen, waarbij complexe media met hiërarchisch georganiseerde structuren betrokken zijn. Het doel van dit project is betrouwbare en computationeel uitvoerbare wiskundige modellen af te leiden voor multi-schaal problemen in complexe domeinen. In het bijzonder zal de evolutie van porie-schaal oppervlaktes beschouwd worden. Het onderzoek zal binnen een algemeen wiskundig en computationeel kader beschouwd worden met speciale aandacht aan meerfase stromingen en biochemische processen. De verwachte uitkomst is een rationele afleiding van effectieve, opgeschaalde wiskundige modellen en geschikte numerieke algoritmen. De nieuwe modellen en methoden zullen gevalideerd zijn door middel van rigoureuze mathematische analyse. De porie-schaal modellen voor viskeuze tweefase stroming met reactief, multi-componententransport zullen ontwikkeld worden gebruik makend van diffuse interface technieken en met behulp van fasevelden. Voor deze faseveld modellen zullen numerieke discretisaties geïmplementeerd worden. Tenslotte zullen deze modellen naar de REV-schaal opgeschaald worden. De porie-schaal modelcomponenten zullen de opgeschaalde parameters bepalen en blijven dus een lokale invloed hebben." "Gezamenlijke vervormings-schatting en tomografische reconstructie voor de studie van dynamische processen" "Matthieu Boone" "Vakgroep Fysica en Sterrenkunde" "In materiaalkundig onderzoek is de analyse van de structuur en het vervormingsgedrag van materialen essentieel. Hoge-resolutie X-stralen tomografie (µCT) en meer specifiek de beeldvorming van dynamische processen met behulp van 4D-µCT zijn krachtige niet-destructieve technieken om deze analyses uit te voeren. Een analyse van een dynamisch proces vereist het verwerken van 3D data terwijl het materiaal vervormt. Dergelijke vervormingsanalyse wordt Digital Volume Correlation (DVC) genoemd. Vergeleken met 2D analyses (Digital Image Correlation, DIC) heeft DVC een achterstand in termen van performantie omdat DVC zowel op het gebied van acuraatheid als computationele complexiteit een grotere uitdaging bieden vormt door  de grotere dimensionaliteit van het probleem. Het doel van dit project is om de kloof tussen DIC (2D) en DVC (3D) performantie te verkleinen door de bovenstaande problemen aan te pakken. Hiervoor denken we aan een hard-software co-design oplossing, waarbij we de mogelijkheden van een innovatief continue-acquisitie µCT systeem combineren met robuuste schatters en multi-frame DVC technieken. Het combineren van deze algoritmes in een raamwerk voor CT reconstructie zal het potentieel van 4D-µCT significant verhogen. Beide innovaties zullen een synergie vormen en het mogelijk maken accurate DVC uit te voeren op uitdagende objecten die een complex vervormingsgedrag tonen." "Experimentele en theoretische studie van de fundamentele mechanismen van stikstoffixatie door plasma en plasma-katalyse: ontwikkeling van nieuwe, milieuvriendelijke en efficiënte processen (NITROPLASM)." "Annemie Bogaerts" "Plasma Lab voor toepassingen in duurzaamheid en geneeskunde - Antwerpen (PLASMANT)" "Stikstof is een cruciaal element voor levende organismen op aarde. De transformatie van atmosferische N2 in moleculen die geïncorporeerd kunnen worden door de meeste organismen (zgn. N2 fixatie) wordt ofwel gedaan door microorganismen of door energetisch kostelijke chemische processen (bliksem, het Haber- Bosch (H-B) proces). Vermits de theoretische limiet voor de energie- consumptie van N2 fixatie via non-thermisch plasma (NTP) meer dan 2.5 keer lager is dan de energie-consumptie van het H-B proces, heeft dit project als doel om de NTP processen voor N2-fixatie te bestuderen, via zowel reductie als oxidatie. Het doel is om een gedetailleerd inzicht te krijgen in de N2 fixatie-mechanismen in N2/O2 en N2/CH4 plasma's door gecombineerde experimenten en numerieke simulaties van een groot aantal plasma-types, met inbegrip van plasma-vloeistof-ontladingen. Om de N2 fixatiesnelheid en het rendement te verhogen, zal ook plasmakatalyse bestudeerd worden in dezelfde gasmengsels. De katalysatoren zullen bereid worden via traditionele alsook plasma-gebaseerde calcinatie en plasma-gebaseerde modificatie van de ""supports"" en gesynthetiseerde katalysatoren. In dit project wensen we dus fundamenteel inzicht te verkrijgen in de mechanismen van plasma-gebaseerde N2 fixatie in de gasfase, vloeistoffase en aan katalysatoroppervlakken." "Integratie processen in multi-stabiele bewegingswaarnemingen." "Georgios A. Keliris" "Bio-imaging lab" "Multi-stabiele waarnemingen worden gerealiseerd wanneer de hersenen er niet in slagen een eenduidige interpretatie te maken vanuit de input uit de omgeving. Bij visuele waarneming zijn een aantal onduidelijke visuele patronen beschreven zoals de Necker kubus, bewegings patronen en binoculaire rivaliteit. Multi-stabiele stimuli kunnen unieke inzichten bieden in visuele verwerking omdat wijzigingen in waarnemingen ontkoppeld zijn van wijzigingen in de stimulus. Begrijpen hoe multi-stabiele waarneming optreedt kan bijdragen tot het begrijpen van visuele waarnemingen in het algemeen. Om dit te onderzoeken, ontwikkelden we een nieuwe pseudo-patroon stimulus samengesteld uit verschillende kleine aperturen die verschillende neuronale receptieve velden simuleren. Dergelijke stimulus stelt ons in staat om parametrische manipulaties te doen van de onderliggende structuren die waarneming sturen en dit kan ons helpen om processen van bewegingsintegratie te begrijpen. In dit project hebben we deze stimulus reeds gebruikt in psychofysica experimenten met humane vrijwilligers. Op dit moment wordt diezelfde stimulus gebruikt in electrofysiologische metingen thv de visuele cortex van primaten. Onze bevindingen suggereren dat stimulus intersecties sterk de waarneming van beweging kunnen beinvloeden in de richting van een coherent geintegreerd patroon. Preliminaire resultaten van vroegere visuele stadia (area VI) tonen dat neuronen reageren ongeacht of de waarneming gebaseerd is op lokale stimulatie kenmerken. Neuronen van hogere visuele stadia (area MT) daarentegen moduleren hun activiteiten in parallel met perceptie, eropwijzend dat integratie van contextuele bewegingsinformatie plaats vond." "X-stralen computer tomografie beelden voor een kwantitatieve analyse van materialen en processen." "Martine Wevers" "Structurele Materialen (SCALINT), Bouwmaterialen en Constructies, Bouwfysica en Duurzaam Bouwen, Mechatronica, Biostatistiek en Sensoren (MeBioS)" "Wetenschappers en ingenieurs halen uit X-stralen CT beelden kwantitatieve data over de interne (beschadigde) structuur van een materiaal of zijn opbouw teneinde het materiaal te karakteriseren en mechanische, statistische of multischaal modellen van het materiaalgedrag of de schadeprocessen die optreden door externe factoren te voeden." "TRACESpace: Multifysica-uitdagingen in de studie van de verbinding tussen zon en aarde" "Giovanni Lapenta" "Plasma-astrofysica, Departement Wiskunde" "Eén van de grootste uitdagingen in de moderne wetenschap is de studie van processen waarbij de evolutie niet wordt bepaald door een eenvoudig model, maar eerder door vele concurrerende processen. We hebben expertise met wereldfaam in het aanpakken van deze uitdaging voor fysische processen in plasma’s, vooral op het gebied van zonnefysica en ruimteweer, met fundamentele bijdragen in zowel laboratorium- als astrofysische toepassingen. Processen zoals deeltjesversnelling, omzetting van magnetische energie in plasma stromingen, of magnetische stormen die zich ontwikkelen op de zon en botsen met de aarde zijn typische voorbeelden. Die getuigen van complexe mechanismen waarbij men rekening moet houden met (magneto)hydrodynamische processen, golfvoortplanting en golf-interactie, turbulentie, schokgolven, emissieprocessen van atomen, zwaartekracht en elektromagnetische krachten, variërend van klassieke tot relativistische regimes. Deze grote complexiteit kan niet door één enkel model worden behandeld en vereist het gebruik van multischaal modellen voor intrinsiek hiërarchische fysieke processen. Ons team zal deze grote uitdaging aangaan door nieuwe ontwikkelingen in de wiskunde, high performance computing en de resultaten van nieuwe ruimtemissies en laboratoriumexperimenten bij elkaar te brengen." "FORTUNA - Het lot van planeten die rond oude sterren draaien." "Leen Decin" Sterrenkunde "Meer dan 4700 exoplaneten werden reeds ontdekt, waarvan meer dan 90% rond hoofdreekssterren draaien. Bijna al deze sterren zullen aan het einde van hun leven doorheen de Asymptotische Reuzentak (AGB)-fase evolueren, waarbij de ster uitzet, zeer helder wordt en een krachtige stellaire wind ontwikkelt. De vraag rijst dan of en hoe planeten sterevolutie overleven? Het detecteren van planeten die om AGB-sterren draaien, bleef lange tijd buiten bereik totdat we in 2016 het eerste observationele bewijs publiceerden. Dankzij een grote internationale campagne waarvan ik hoofdonderzoeker ben, hebben we onlangs verschillende planeten gedetecteerd die interageren met de wind van AGB-sterren (Decin et al. 2020, Science). Maar er is geen theoretisch kader dat kan verklaren en voorspellen hoe een planeet tegelijkertijd (1) haar baan verandert als gevolg van stellair massaverlies, evenwichts- en dynamische getijden, gravitationele en wrijvingsweerstand en (2) haar atmosfeer verandert als gevolg van accretie van stellaire ejecta, verdamping door stellaire straling, stellaire wind ramdruk, enz. als de AGB-moederster evolueert. Dit gebied van multi-dimensionele multi-fysica modellering is in feit terra incognita. FORTUNA streeft ernaar de fundamentele vraag over de verre toekomst van het zonnestelsel en andere planetenstelsels aan te pakken. Hierbij zal ik (1) concepten van exoplaneet-klimaatmodellen en van AGB-sterren die interageren met een begeleider samenvoegen om (2) het veld van de planetaire astrofysica voor oude sterren te herschrijven. FORTUNA zal de eerste 3D-modellen construeren voor planeten die rond oude sterren draaien, die alle sleutelprocessen samen aanpakken en die zullen leiden tot een revolutionaire nieuwe kwantitatieve metriek voor het voorspellen van hun lot. In tegenstelling tot conventionele benaderingen van stralingstransfer zal FORTUNA moderne rekentechnieken aanvullen met de wiskundige kracht van innovatieve probabilistische numerieke methoden, met een ongeëvenaarde versnelling van de modelleringstijd tot x105. Alle numerieke codes zullen open-source zijn om de basis te leggen voor alle onderzoeksthema's in de moderne astrofysica die op numerieke modellering berusten."