tech-talk#59: Animation in Full-HD

09 Mär 2011
Erstellt von IB Namotec

Technische Nachweise: Dynamische Strömungsbilder [:Full/¼ HD]

Die Computersimulationen zum Strömungsverhalten von Fließgewässern liefern schier endlos viele Zahlenwerte. Als Grundgleichung der Strömungsmechanik ist die Navier-Stokes-Gleichung das mathematische Herzstück unter den physikalischen Bewegungsgleichungen. Um ein Fluid zu einem Hochwasserereignis in einem gewöhnlichen Bach vollständig in seinen Bewegungen zu berechnen, reichte der leistungsfähigste Computer nicht aus. Es sind eine Reihe von Abstraktionen der Fließvorgänge unter Vernachlässigung von einwirkenden Kräften vorzunehmen, um in einem vernünftigen Zeitrahmen verlässliche Ergebnisse zu erzielen. Doch zu schnell erzielte Ergebnisse sind nur zum Preis von Ungenauigkeiten, oder besser ausgedrückt, durch unscharfe Ergebnisse zu erhalten.

Ein Quantensprung in der Komplexität der Strömungsberechnung ist der Übergang von der einfacheren eindimensionalen Gleichung zu der zweidimensionalen Bewegungsgleichung. Die Lösung der Flachwassergleichung für die in der Ebene horizontal aufgelöste Fließbewegung bedeutet geradezu eine Explosion von numerischem Output. Wird die 1D-Modellierung für hydraulische Nachweise als guter Stand der Praxis von den Behörden weitläufig akzeptiert, so sind doch die 2D-Modellierungen als Stand der Technik ein wesentlich genaueres Verfahren, um Ingenieur-technische Nachweise zu liefern. Die Nachweise mit 1D-Verfahren sind notfalls noch mit Stift und Papier zu bewerkstelligen, so wie es z. B. Philipp Forchheimer schon vor einhundert Jahren aufgezeigt hat.  In Folge der Computertechnik haben dann die 2D-Verfahren Einzug in die Ingenieurpraxis gefunden und sind mittlerweile seit gut 15 Jahren ein erweitertes hydraulisches Nachweisverfahren nach Stand der Technik. Das zugehörige Fachwerkzeug ist die numerische Strömungssimulation, der Computational Fluid Dynamic (CFD) Analysis. Die vollständige Beschreibung der Bewegung eines Fluidkörpers in Raum bedarf zusätzlich der dritten Dimension. Die 3D-Modellierung der Strömung berechnet die Bewegung eines Wasserteilchens in alle drei Raumrichtungen. Jedoch sind für die Berechnung offener Fließgerinne die 3D-Modellierungen in seltenen Fällen von Bedeutung, noch in der Alltagsanwendung praktikabel und finden vornehmlich in experimentellen Stadien statt.

Eine gewaltige Herausforderung ist die Beherrschung des Datenstromes aus mehrdimensionalen Simulationen. Für Modellierer stellt es überhaupt kein Problem dar, um über Nacht sämtliche zur Verfügung stehende Speichermedien mit den Ausgabedaten eines Simulationslaufs zu füllen. Doch danach wird Ratlosigkeit eintreten, denn was lässt sich aus dem erzeugten Meer der Einsen und Nullen schon herauslesen. Wo Experten noch mit Mühe wichtige zentrale Eckdaten aus dem Computer-Output entnehmen können und richtig interpretieren, wird für Interessierte die Auswertung zur Kaffeesatzleserei. Eine Methode, um der Unübersichtlichkeit zu entkommen, bietet die wissenschaftliche Visualisierung der ermittelten physikalischen Größen aus einem Simulationslauf. In der Strömungssimulation sind dieses die skalaren Potenzialhöhen und das vektorielle Strömungsfeld – profan als Wassertiefen und Wasserströmung umschrieben. Wasserstandstiefen lassen sich in der Fläche einer Karte farblich abgestuft oder zoniert darstellen. Die Strömung wird klassisch durch Vektorpfeile repräsentativ in einzelnen Punkten abgebildet, unregelmäßig oder gleichmäßig über die Kartenebene verteilt. Für die Abbildung der Simulationsergebnisse sind diese beiden Größen die wichtigsten Faktoren zur Beurteilung der Strömungsdynamik im Hochwasserfall. Zur vollständigen Wiedergabe der Ergebnisse werden einzelne Zeitschritte zu einem Film zusammengefasst, um im Zeitraffer Modus einen visuellen Eindruck der berechneten Überschwemmungsflächen zu einer Flutwelle zu geben.

Die Animation von Strömungsfeldern dient der anschaulichen Aufbereitung von umfangreichem Computer-Output, der zu den Simulationen von Überschwemmungsflächen von Fließgewässern generiert wird. Die hoch aufgelösten Bewegungsbilder geben Experten wie auch einem interessierten Publikum einen visuellen Eindruck von den Flutungen in den Flussgebieten während eines Hochwassers. Das IB Namotec nutzt zur Präsentation der Simulationsergebnisse die Plattform VIMEO, um Videofilme im HD-Format zur Ansicht zu bringen. Unsere zufriedenen Kunden nutzen die Neuen Medien erfolgreich, um im eigenen Interesse über den Fortschritt der hydraulischen Untersuchungen zum Flussgebietsmanagement offensiv zu informieren.