The Visible Vortex Interactive Analysis and Extraction of Vortices in Large Time-dependent Flow

Abstract

Computersimulation physikalischer und chemischer Prozesse sind ein essentielles Hilfsmittelzum Verständnis von Problemen aus dem Bereich der Strömungslehre geworden. Mit aktuellenSimulationspaketen ist es möglich für realistische Szenarien zeitabhängige Lösungenzu berechnen. Die berechneten Lösungen werden in großen Gitternetzen gespeichert, sindhäufig zeitabhängig und enthalten die multivariaten Ergebnisse der numerischen Simulation.Mit zunehmender Komplexität der Simulationsergebnisse entsteht die Notwendigkeitgeeignete Analyse- und Darstellungswerkzeuge zu verwenden, um aus den erzeugten Daten Erkenntnisse zu gewinnen und die gegebene Fragestellung lösen zu können. Dafür sindneue Methoden und Algorithmen notwendig um wichtige Teile der Daten zu extrahieren,wichtige Strukturen in der Strömung zu erkennen und das Strömungsverhalten interaktivanalysieren zu können.Das Hauptmotiv dieser Arbeit ist die Erweiterung vonWirbelkriterien auf zeitabhängigeLösungen und die Kombination dieser Wirbelkriterien mit den Methoden der interaktivenvisuellen Analyse. Um ein Verständnis für die Simulationsergebnisse zu entwickeln ist esnotwendig Attribute der Simulation miteinander vergleichen und mit größeren Strukturenwie Strömungswirbeln in Verbindung bringen zu können. Es wird gezeigt, wie automatischeWirbeldetektoren und interaktive Analyse kombiniert werden um sowohl Erkennung alsauch Analyse von Wirbelstrukturen zu verbessern.Indem klassische Wirbeldetektoren erweitert und in die visuelle Analyse integriert werden,ist es möglich die Auswirkung von Wirbeln auf wichtige Attribute der Flüssigkeit unddie Entwicklung der Strömung zu verstehen. Wir zeigen anhand von praktischen Beispielenaus dem Bereich der Motorentwicklung, dass Wirbel einen entscheidenden Einfluss aufanwendungskritische Variablen der Strömung haben können und demonstrieren wie interaktivevisuelle Analyse helfen kann diesen Einfluss einzuschätzen. Weiterhin besprechenwir wie zeitabhängige Größen in die Wirbelbestimmung einfließen können um die Qualitätder gefundenen Merkmale zu verbessern. - Computational simulation of physical and chemical processes has become an essential toolto tackle questions from the field of fluid dynamics. Using current simulation packagesit is possible to compute unsteady flow simulations for realistic scenarios. The resultingsolutions are stored in large to very large grids in 2D or 3D, frequently time-dependent,with multi-variate results from the numeric simulation. With increasing complexity ofsimulation results, powerful analysis and visualization tools are needed to make sense ofthe computed information and answer the question at hand. To do this we need newapproaches and algorithms to locate regions of interest, find important structures in theflow and analyze the behavior of the flow interactively.The main motives of this thesis are the extension of vortex detection criteria to unsteadyflow and the combination of vortex detectors with interactive visual analysis. To developan understanding for the simulation results it is necessary to compare attributes of thesimulation to each other and to be able to relate them to larger structures such as vortices.It is shown how automatic feature detection algorithms can be combined with interactiveanalysis techniques such that both detection and analysis benefit.By extending and integrating vortex detectors into the process of visual analysis, itbecomes possible to understand the impact of vortex structures on the development ofthe flow. Using real-world examples from the field of engine design we discuss how vortexstructures can have critical impact on the performance of a prototype. We illustrate howinteractive visual analysis can support prototype design and evaluation. Furthermore, weshow that taking the unsteady nature of the flow into account improves the quality of theextracted structures.