Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-6440
Authors: Üffinger, Markus
Title: Advanced visualization techniques for flow simulations : from higher-order polynomial data to time-dependent topology
Other Titles: Fortgeschrittene Visualisierungstechniken für Strömungssimulationen : von Polynomdaten höherer Ordnung zu einer zeitabhängigen Topologie
Issue Date: 2013
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-89886
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6457
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6440
Abstract: Computational Wuid dynamics (CFD) has become an important tool for predicting Fluid behavior in research and industry. Today, in the era of tera- and petascale computing, the complexity and the size of simulations have reached a state where an extremely large amount of data is generated that has to be stored and analyzed. An indispensable instrument for such analysis is provided by computational Wow visualization. It helps in gaining insight and understanding of the Wow and its underlying physics, which are subject to a complex spectrum of characteristic behavior, ranging from laminar to turbulent or even chaotic characteristics, all of these taking place on a wide range of length and time scales. The simulation side tries to address and control this vast complexity by developing new sophisticated models and adaptive discretization schemes, resulting in new types of data. Examples of such emerging simulations are generalized Vnite element methods or hp-adaptive discontinuous Galerkin schemes of high-order. This work addresses the direct visualization of the resulting higher-order Veld data, avoiding the traditional resampling approach to enable a more accurate visual analysis. The second major contribution of this thesis deals with the inherent complexity of Wuid dynamics. New feature-based and topology-based visualization algorithms for unsteady Wow are proposed to reduce the vast amounts of raw data to their essential structure. For the direct visualization pixel-accurate techniques are presented for 2D Veld data from generalized Vnite element simulations, which consist of a piecewise polynomial part of high order enriched with problem-dependent ansatz functions. Secondly, a direct volume rendering system for hp-adaptive Vnite elements, which combine an adaptive grid discretization with piecewise polynomial higher-order approximations, is presented. The parallel GPU implementation runs on single workstations, as well as on clusters, enabling a real-time generation of high quality images, and interactive exploration of the volumetric polynomial solution. Methods for visual debugging of these complex simulations are also important and presented. Direct Wow visualization is complemented by new feature and topology-based methods. A promising approach for analyzing the structure of time-dependent vector Velds is provided by Vnite-time Lyapunov exponent (FTLE) Velds. In this work, interactive methods are presented that help in understanding the cause of FTLE structures, and novel approaches to FTLE computation are developed to account for the linearization error made by traditional methods. Building on this, it is investigated under which circumstances FTLE ridges represent Lagrangian coherent structures (LCS)—the timedependent counterpart to separatrices of traditional “steady” vector Veld topology. As a major result, a novel time-dependent 3D vector Veld topology concept based on streak surfaces is proposed. Streak LCS oUer a higher quality than corresponding FTLE ridges, and animations of streak LCS can be computed at comparably low cost, alleviating the topological analysis of complex time-dependent Velds.
Die numerische Strömungsmechanik hat sich sowohl in der Forschung als auch in der Industrie zu einem wichtigen Werkzeug für die Vorhersage von Fluidströmungen entwickelt. Strömungssimulationen sind heutzutage oft hoch komplex und erzeugen riesige Datenmengen, die gespeichert und analysiert werden müssen. Bei der Analyse dieser Datenmengen ist die numerische Strömungsvisualisierung meist unentbehrlich. Visualisierungstechniken helfen zum Beispiel, einen Einblick und ein tieferes Verständnis komplexer Strömungen und ihrer zugrundeliegenden Physik zu gewinnen. Komplexität in Strömungen äußert sich unter anderem durch das große Spektrum an charakteristischen Verhaltensmustern, die auf unterschiedlichsten räumlichen und zeitlichen Skalen auftreten können. Die Strömung kann zum Beispiel laminaren, turbulenten oder gar chaotischen Charakter annehmen. Aufgrund dieser enormen Komplexität ist die Entwicklung besserer Simulationsmodelle sowie eXzienterer adaptiver Diskretisierungsansätze ein aktuelles Forschungsthema auf Seiten der Simulation. Beispiele sind Verallgemeinerungen der Finite-Elemente-Methode sowie hp-adaptive diskontinuierliche Galerkin Verfahren höherer Ordnung. Im ersten Teil dieser Arbeit werden neue Techniken für die direkte Visualisierung der erzeugten Felddaten höherer Ordnung vorgestellt. Diese ermöglichen eine präzisere interaktive Analyse der Felddaten, da der traditionell übliche Resampling-Ansatz vermieden wird. Der zweite Teil behandelt die inhärente Komplexität von Strömungen und deren Dynamik. In diesem Zusammenhang werden merkmals- und topologiebasierte Visualisierungstechniken für zeitabhängige Strömungen vorgestellt, um eine automatische Extraktion der grundlegenden Strömungsstruktur, und somit auch eine starke Datenreduktion, zu ermöglichen. Für die direkte Visualisierung der Felddaten höherer Ordnung wird eine pixelgenaue Technik für 2D Felder aus verallgemeinerten Finite-Element-Verfahren präsentiert, die sowohl den stückweisen polynomiellen Lösungsansatz der Simulation als auch die dazugehörigen problembezogenen Ansatzfunktionen eXzient behandelt. Danach wird ein interaktives Visualisierungssystem für direktes Volumenrendering hp-adaptiver Finite-Elemente vorgestellt, bei welchem eine adaptive Gitterdiskretisierung mit stückweise polynomiellen Näherungen kombiniert wird. Durch das geschickte Ausnutzen der hochparallelen GPU Rechnerarchitektur wird dabei eine Echtzeitdarstellung und somit eine interaktive Exploration der volumetrischen Polynomlösung möglich. Um zusätzlich die Entwicklung der Simulationscodes zu unterstützen, werden neue Ansätze für das visuelle Debugging der Felddaten hoher Ordnung präsentiert. Die vorgestellten Methoden für die direkte Visualisierung komplexer Felddaten werden durch merkmals- und topologiebasierte Methoden ergänzt. Finite-time Lyapunov exponent (FTLE) Felder bieten dabei einen erfolgversprechenden Ansatz um die Struktur zeitabhängiger Feldern zu analysieren. Zunächst werden interaktive Methoden gezeigt, die bei der Analyse der FTLE-Struktur helfen. Anschließend werden neue Algorithmen für die Berechnung von FTLE Feldern vorgestellt, die den Linearisierungsfehler der klassischen Methoden verringern. Darauf aufbauend wird untersucht, unter welchen Bedingungen Gratlinien und Flächen in FTLE Feldern, sogenannte FTLERidges, Lagrange-kohärente Strukturen (LCS) repräsentieren. LCS gelten als das zeitabhängige Gegenstück zu den Separatrizen der klassischen “stationären” Vektorfeldtopologie. Diese Eigenschaft wird genutzt und als ein Hauptresultat wird ein zeitabhängiges 3D Vektorfeldtopologiekonzept präsentiert, welches auf StreichWächen basiert. Die LCS, die durch StreichWächen gewonnen werden, haben eine höhere Qualität als entsprechende FTLE-Ridges, und mit ihnen ist es weniger aufwändig, Animationen der Feldtopologie zu berechnen. Dadurch kann die Analyse komplexer, zeitabhängiger Vektorfelder deutlich erleichtert werden.
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