Umfassende adaptive Simulation SPH-basierter Fluide

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Kolb
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396023274

In der Computeranimation werden verschiedene Ansätze zur Fluidsimulation verwendet, wobei die Smoothed-Particle-Hydrodynamics (SPH) Methode im Vergleich zu anderen Verfahren bei gleicher räumlicher Auflösung bzgl. visueller Plausibilität besser abschneidet, dabei allerdings einen vergleichsweise hohen Rechenaufwand erfordert. Um den Rechenaufwand von SPH-Simulationen zu reduzieren, wurde in Vorarbeiten eine räumlich adaptive Methode entwickelt, die gegenüber früheren Verfahren um drei bis vier Größenordnungen höhere räumliche Adaptivitätsraten von 1:1.000.000 und darüber hinaus ermöglicht.Im Vergleich zu uniformen Partikelauflösungen stellen adaptive SPH-Methoden große Herausforderungen an die Ein- und Zwei-Wege-Kopplung mit Grenzgeometrien und Festkörpern. Zudem erzeugt die bereits bei uniformen SPH-Methoden vorhandene Skalierungsabhängigkeit des Simulationsergebnisses bei adaptiven SPH-Modellen "intrinsische" Inkonsistenz. In der ersten Projektphase wurden wesentliche Fortschritte hinsichtlich der Ein- und Zwei-Wege-Kopplung von adaptiven SPH-Modellen mit Grenzgeometrien und Festkörpern erzielt, die auf einer analytischen Lösung des Randintegrals von SPH-Kernfunktionen mit ebenen Grenzgeometrien basiert. Zudem wurde eine effiziente, online-fähige Methode zur Optimierung der Partikelkonfiguration bei der Verfeinerung der Partikelauflösung entwickelt, welche ein stabiles Simulationsergebnis über große Adaptivitätsraten bei deutlich verringerter künstlicher Viskosität ermöglicht. Dies führt unmittelbar zu einer größeren Konsistenz des Simulationsergebnisses über große Auflösungsbereiche. Darüber hinaus wurden effiziente Datenstrukturen und ein GPU-basierte Simulationsframework entwickelt, in welches alle weiteren methodischen Entwicklungen integriert sind.In der zweiten Projektphase stehen drei Problemkreise im Zentrum der Untersuchungen. Der erste Forschungsschwerpunkt befasst sich mit der robusten Interaktion adaptiver SPH-Modelle mit Grenzflächen auf Basis der analytischen Lösung des Randintegrals für nicht-planare Grenzflächen, sowie mit Entwicklung effizienter partikelbasierter Repräsentationen von Grenzflächen für adaptive SPH-Simulationen. Im zweiten Forschungsschwerpunkt wird die Simulation adaptiver SPH-basierte Multiphasen-Fluide erforscht, wobei sowohl schwach kompressible Materialien, insbesondere Luft, als auch inkompressible Materialien ähnlicher Dichte unter Einbeziehung von Zwei-Wege-Kopplungen betrachtet werden. Der dritte Forschungsschwerpunkt befasst sich mit der umfassenden quantitativen Untersuchung der Skalierungsabhängigkeit von SPH-Modellen und Modellparametern, sowie der Korrektur dieser Parameter mit dem Ziel ein konsistentes Fluidverhalten über verschiedene Auflösungsskalen hinweg zu gewährleisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen