An integrative approach for interactive thermal simulations

In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Ansätze zur interaktiven Simulation thermischer Transportprozesse vorgestellt, wie sie für Anwendungen im Bauingenieurwesen typisch sind. Besonderer Fokus wird hierbei auf die Strahlungs-Struktur-Wechselwirkung gelegt, die für viele bauphysikalische Fragestellungen von großer Bedeutung ist. Zur Lösung des Wärmestrahlungsproblems wird ein numerischer Ansatz basierend auf der hierarchischen Radiosity-Methode und optimierten Kd-Bäumen entwickelt, der den Strahlungsaustausch zwischen diffusen Oberflächen in einer abgeschlossenen Umgebung simuliert. Die angekoppelte Berechnung der Wärmeleitung in der Struktur basiert auf der Finite-Differenzen-Methode, welche hardwarebeschleunigt auf Grafikkarten ausgeführt wird und zu einer signifikanten Steigerung der Performance führt. Neben den modernen numerischen Ansätzen zur Lösung des physikalischen Problems werden auch Methoden des Computational Steering angewendet, die eine direkte Interaktion mit dem Simulationssystem zur Laufzeit erlauben. Hierbei können innerhalb eines CAD-basierten virtuellen Entwurfsraumes komplexe Problemstellungen nicht nur transient simuliert werden, vielmehr es ist es möglich, das Systemverhalten interaktiv zu optimieren. Die Visualisierung der in jedem Zeitschritt anfallenden Simulationsergebnisse erfolgt verteilt innerhalb einer Tiled-Display-Umgebung. Dieser verteilte Renderansatz erlaubt eine schnelle Ausgabe und Manipulation großer Datenmengen und stellt eine ideale Plattform für kooperative Planungsprozesse dar. Der vorgestellte Prototyp wurde an Systemen, zu denen eine analytische Lösung existiert, validiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die implementierten numerischen Verfahren für die Ankopplung der Strahlung an die Temperaturdynamik der Struktur asymptotisch die korrekte Lösung liefern. Außerdem zeigen mehrere bauphysikalische Anwendungsbeispiele mögliche Einsatzgebiete.In this thesis new approaches for interactive thermal simulations are presented which are applicable to several fields in civil engineering. The main focus of this work lies on the interaction of radiative heat transfer and heat conduction. To solve the complex radiative exchange between gray, diffuse surfaces in 3d domains an approach based on the hierarchical radiosity method and optimized kd-trees is presented. The coupled transport of energy in heat conducting materials for transient temperature fields is calculated by a finite difference method. Since this approach requires substantial CPU time and memory, a GPU parallelization of the 3D finite difference scheme is implemented which accelerates the computational speed by more than one order of magnitude. Furthermore computational steering techniques are applied, providing mechanisms for integrating modeling, simulation, data analysis, visualization and post-processing in a single environment. Here a virtual interactive design space based on a CAD software is developed. Within such a system the user can interactively modify the geometry, boundary conditions and other parameters of the running simulation and explores the results immediately. For the large amounts of data processed during simulation, a cluster-oriented rendering approach is presented. Here the simulation results are visualized on a tiled display system scaling to hundreds of mega pixels in resolution. This approach allows a group of planners and engineers to collaboratively optimize buildings at run-time with instantaneous updates to the simulation and visualization in a digital workspace. In several validations it is shown that the presented software-prototype achieves high accuracy with only small deviations between analytical reference solutions and the simulation results. Finally some sample applications show the capability of this approach for complex scenarios in civil engineering

jFlowSim v0.8-beta

First and initial release of jFlowSim, still in beta mode, but pretty close to a full release (feature-wise)