Interaktive Visualisierung tropfendynamischer Prozesse

Team

Prof. Dr. rer. nat. Thomas Ertl
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Moritz Heinemann, M.Sc.
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Beschreibung

Das langfristige Ziel des Teilprojekts TP-A1 ist die Entwicklung neuer interaktiver Visualisierungstechniken, welche die Analyse großer zeitabhängiger Simulationen und experimenteller Daten im tropfendynamischen Kontext erlauben. In der zweiten Förderperiode liegt der Schwerpunkt auf der Analyse von Tropfen und Tropfengruppen in elektrischen Feldern sowie auf Phasenübergangsprozessen und Energietransport. Zusätzlich sollen erste methodische Grundlagen entwickelt werden, um die enorme Tropfenanzahl in Sprays zu verarbeiten und effektiv analysieren zu können. Spezialisierte Visualisierungstechniken für Tropfenaufprall und molekulardynamische Simulationen runden das Vorhaben ab.

Die computergraphische Strömungsvisualisierung hat sich als ein verlässliches und effizientes Werkzeug zur Analyse von Simulationen und experimentellen Daten etabliert. Im Vergleich zur experimentellen Visualisierung ist sie flexibler und meist kostengünstiger, da kein physischer Aufbau benötigt wird. Trotz beachtlicher Fortschritte auf dem Gebiet der numerischen Strömungsvisualisierung erfordern die steigende Komplexität der Simulationen, der Experimente und der zu untersuchenden Mechanismen neue Visualisierungsmethoden. Dies zeigt sich insbesondere im tropfendynamischen Kontext. Einerseits werden neue Methoden für die Analyse großer Tropfengruppen, beziehungsweise Sprays, benötigt, andererseits fehlen für eine Vielzahl der im SFB-TRR 75 untersuchten Vorgänge und physikalischen Phänomene entsprechende Analysemethoden.

Aufbauend auf die in der ersten Förderperiode entwickelten Techniken zur Visualisierung elektrischer Felder auf Tropfenoberflächen und Analyse der Tropfendynamik sollen zunächst Visualisierungstechniken für die zeitabhängigen Wechselwirkungen von Fluid, Ladungen und elektrischen Feldern entwickelt werden, auch bezüglich elektrischer Entladungen. Die Visualisierung von Phasenübergangsprozessen stellt ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet im SFB-TRR 75 dar. Hier sollen Verdunstungs- und Gefriervorgänge im Zusammenspiel der Gasphasenströmung analysiert und später auf Tropfenaufprall erweitert werden. Zusätzlich soll die in der ersten Förderperiode entwickelte Generalisierung der PLIC-Interface-Rekonstruktion auf ihre Eignung für die Simulation untersucht werden. Anknüpfend an die Visualisierung von Phasenübergangsprozessen sollen Visualisierungstechniken entwickelt werden, welche die Analyse des zugrundeliegenden Energietransports ermöglichen, auch im Kontext der Dreiphasen-Kontaktlinie. Anschließend sollen Methoden entwickelt werden, welche die beim Tropfenaufprall vorherrschenden Phänomene analysieren, unter Einbezug der bereits entwickelten Techniken, wie beispielswiese die zur Analyse des Energietransports. Die Erforschung von Techniken zur Visualisierung der räumlich-zeitlichen Struktur von Sprays und die Visualisierung von molekulardynamischen Simulationen sowie die Zusammenführung mit bereits in diesem Teilprojekt entwickelten Techniken komplettieren die Arbeit in der zweiten Förderperiode.

Publikationen

2021

Heinemann, M., Frey, S., Tkachev, G., Straub, A., Sadlo, F., Ertl, T.:
Visual analysis of droplet dynamics in large-scale multiphase spray simulations.
Journal of Visualization 24.5 (2021), pp. 943-961.
DOI: 10.1007/s12650-021-00750-6

2020

Schatz, K., Müller, C., Gralka, P., Heinemann, M., Straub, A., Schulz, C., Braun, M., Rau, T., Becher, M., Frey, S., Reina, G., Sedlmair, M., Weiskopf, D., Ertl, T., Diehl, P., Marcello, D., Frank, J., Müller, T.:
2019 IEEE Scientific Visualization Contest Winner: Visual Analysis of Structure Formation in Cosmic Evolution.
IEEE Computer Graphics and Applications (2020), pp. 1-1.
DOI: 10.1109/MCG.2020.3004613

2019

Straub, A., Heinemann, M., Ertl, T.:
Visualization and Visual Analysis for Multiphase Flow.
Proceedings of the DIPSI Workshop 2019: Droplet Impact Phenomena & Spray Investigations. 2019, pp. 25-27.
DOI: 10.6092/DIPSI2019_pp25-27

Schatz, K., Diehl, P., Marcello, D., Frank, J., Muller, T., Frey, S., Reina, G., Weiskopf, D., Ertl, T., Muller, C., Gralka, P., Heinemann, M., Straub, A., Schulz, C., Braun, M., Rau, T., Becher, M.:
Visual Analysis of Structure Formation in Cosmic Evolution.
2019 IEEE Scientific Visualization Conference (SciVis). 2019, pp. 33-41.
DOI: 10.1109/SciVis47405.2019.8968855

2018

Karch, G. K., Beck, F., Ertl, M., Meister, C., Schulte, K., Weigand, B., Ertl, T., Sadlo, F.:
Visual Analysis of Inclusion Dynamics in Two-Phase Flow.
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 24.5 (2018), pp. 1841-1855.
DOI: 10.1109/TVCG.2017.2692781

2017

Hempert, F., Boblest, S., Ertl, T., Sadlo, F., Offenhäuser, P., Glass, C., Hoffmann, M., Beck, A., Munz, C.-D., Iben, U.:
Simulation of real gas effects in supersonic methane jets using a tabulated equation of state with a discontinuous Galerkin spectral element method.
Computers & Fluids 145 (2017), pp. 167-179.
DOI: 10.1016/j.compfluid.2016.12.024

2016

Boblest, S., Hempert, F., Hoffmann, M., Offenhäuser, P., Sonntag, M., Sadlo, F., Glass, C. W., Munz, C.-D., Ertl, T., Iben, U.:
Toward a Discontinuous Galerkin Fluid Dynamics Framework for Industrial Applications.
High Performance Computing in Science and Engineering · 15. 2016, pp. 531-545.
DOI: 10.1007/978-3-319-24633-8_34

Ertl, M., Weigand, B., Karch, G. K., Sadlo, F., Ertl, T.:
Investigation and visual analysis of direct simulations of quasi-steady primary break-up of shear thinning liquids.
Proceedings 9th International Conference on Multiphase Flow. 2016

Hempert, F., Boblest, S., Hoffmann, M., Offenhäuser, P., Sadlo, F., Glass, C. W., Munz, C.-D., Ertl, T., Iben, U.:
High-Pressure Real Gas Jet and Throttle Flow as a Simplified Gas Injector Model Using a Discontinuous Galerkin Method.
High Performance Computing in Science and Engineering · 16. 2016, pp. 289-300.
DOI: 10.1007/978-3-319-47066-5_20

Karch, G. K., Sadlo, F., Weiskopf, D., Ertl, T.:
Visualization of 2D unsteady flow using streamline-based concepts in space-time.
Journal of Visualization 19.1 (2016), pp. 115-128.
DOI: 10.1007/s12650-015-0284-z

Machado, G., Boblest, S., Ertl, T., Sadlo, F.:
Space-Time Bifurcation Lines for Extraction of 2D Lagrangian Coherent Structures.
Computer Graphics Forum 35.3 (2016), pp. 91-100.
DOI: 10.1111/cgf.12885

2015

Bolemann, T., Üffinger, M., Sadlo, F., Ertl, T., and Munz, C.-D.:
Direct Visualization of Piecewise Polynomial Data.
IDIHOM: Industrialization of High-Order Methods - A Top-Down Approach: Results of a Collaborative Research Project Funded by the European Union, 2010-2014. 2015, pp. 535-550.
DOI: 10.1007/978-3-319-12886-3_25

2014

Karch, G. K., Sadlo, F., Weiskopf, D., Ertl, T.:
Streamline-Based Concepts for Space-Time Analysis of 2D Time-Dependent Flow.
16th International Symposium on Flow Visualization. 2014

Mwalongo, F., Krone, M., Karch, G., Becher, M., Reina, G., Ertl, T.:
Visualization of molecular structures using state-of-the-art techniques in WebGL.
Proceedings of the 19th International ACM Conference on 3D Web Technologies. 2014, pp. 133-141.
DOI: 10.1145/2628588.2628597

Sadlo, F., Karch, G. K., Ertl, T.:
Topological Features in Time-Dependent Advection-Diffusion Flow.
Topological Methods in Data Analysis and Visualization III. 2014, pp. 217-231.
DOI: 10.1007/978-3-319-04099-8_14

2013

Hlawatsch, M., Sadlo, F., Weiskopf, D.:
Predictability-Based Adaptive Mouse Interaction and Zooming for Visual Flow Exploration.
International Journal for Uncertainty Quantification 3.3 (2013), pp. 225-240.
DOI: 10.1615/Int.J.UncertaintyQuantification.2012003943

Karch, G. K., Sadlo, F., Meister, C., Rauschenberger, P., Eisenschmidt, K., Weigand, B., Ertl, T.:
Visualization of piecewise linear interface calculation.
2013 IEEE Pacific Visualization Symposium (PacificVis). 2013, pp. 121-128.
DOI: 10.1109/PacificVis.2013.6596136

Karch, G. K., Sadlo, F., Songoro, Gjonaj, E., Weiland, T., Ertl, T.:
Visualizing Edge-Conforming Discrete Field Quantities in Electromagnetic Field Problems with Interfaces.
25th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems. 2013

Uffinger, M., Sadlo, F., Ertl, T.:
A Time-Dependent Vector Field Topology Based on Streak Surfaces.
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 19.3 (2013), pp. 379-392.
DOI: 10.1109/TVCG.2012.131

2012

Frey, S., Sadlo, F., Ertl, T.:
Visualization of Temporal Similarity in Field Data.
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 18.12 (2012), pp. 2023-2032.
DOI: 10.1109/TVCG.2012.284

Karch, G. K., Sadlo, F., Weiskopf, D., Munz, C.-D., Ertl, T.:
Visualization of Advection-Diffusion in Unsteady Fluid Flow.
Computer Graphics Forum 31.3pt2 (2012), pp. 1105-1114.
DOI: 10.1111/j.1467-8659.2012.03103.x

Karch, G. K., Sadlo, F., Weiskopf, D., Hansen, C. D., Li, G.-S., Ertl, T.:
Dye-Based Flow Visualization.
Computing in Science Engineering 14.6 (2012), pp. 80-86.
DOI: 10.1109/MCSE.2012.118

2011

Hlawatsch, M., Sadlo, F., Weiskopf, D.:
Hierarchical Line Integration.
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17.8 (2011), pp. 1148-1163.
DOI: 10.1109/TVCG.2010.227

Pagot, C., Osmari, D., Sadlo, F., Weiskopf, D., Ertl, T., Comba, J.:
Efficient Parallel Vectors Feature Extraction from Higher-Order Data.
Computer Graphics Forum 30.3 (2011), pp. 751 760.
DOI: 10.1111/j.1467-8659.2011.01924.x

Pagot, C., Vollrath, J., Sadlo, F., Weiskopf, D., Ertl, T., Comba, J. L. D.:
Interactive Isocontouring of High-Order Surfaces.
Scientific Visualization: Interactions, Features, Metaphors. Vol. 2. 2011, pp. 276-291.
DOI: 10.4230/DFU.Vol2.SciViz.2011.276

Sadlo, F., Üffinger, M., Pagot, C., Osmari, D., Comba, J., Ertl, T., Munz, C.-D., Weiskopf, D.:
Visualization of Cell-Based Higher-Order Fields.
Computing in Science & Engineering 13.3 (2011), pp. 84-91.
DOI: 10.1109/MCSE.2011.53

2010

Falk, M., Seizinger, A., Sadlo, F., Üffinger, M., Weiskopf, D.:
Trajectory-Augmented Visualization of Lagrangian Coherent Structures in Unsteady Flow.
International Symposium on Flow Visualization (ISFV14). 2010