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The visualization of numerical fluid flow datasets is essential to the engineering processes that motivate their computational simulation. To address the need for visual representations that convey meaningful relations and enable a deep understanding of flow structures, the discipline of Flow Visualization has produced many methods and schemes that are tailored to a variety of visualization tasks. The ever increasing complexity of modern flow simulations, however, puts an enormous demand on these methods. The study of vortex breakdown, for example, which is a highly transient and inherently three-dimensional flow pattern with substantial impact wherever it appears, has driven current techniques to their limits. In this thesis, we propose several novel visualization methods that significantly advance the state of the art in the visualization of complex flow structures. First, we propose a novel scheme for the construction of stream surfaces from the trajectories of particles embedded in a flow. These surfaces are extremely useful since they naturally exploit coherence between neighboring trajectories and are highly illustrative in nature. We overcome the limitations of existing stream surface algorithms that yield poor results in complex flows, and show how the resulting surfaces can be used a building blocks for advanced flow visualization techniques. Moreover, we present a visualization method that is based on moving section planes that travel through a dataset and sample the flow. By considering the changes to the flow topology on the plane as it moves, we obtain a method of visualizing topological structures in three-dimensional flows that are not accessible by conventional topological methods. On the same algorithmic basis, we construct an algorithm for the tracking of critical points in such flows, thereby enabling the treatment of time-dependent datasets. Last, we address some problems with the recently introduced Lagrangian techniques. While conceptually elegant and generally applicable, they suffer from an enormous computational cost that we significantly use by developing an adaptive approximation algorithm. This allows the application of such methods on very large and complex numerical simulations. Throughout this thesis, we will be concerned with flow visualization aspect of general practical significance but we will particularly emphasize the remarkably challenging visualization of the vortex breakdown phenomenon.
In urban planning, sophisticated simulation models are key tools to estimate future population growth for measuring the impact of planning decisions on urban developments and the environment. Simulated population projections usually result in large, macro-scale, multivariate geospatial data sets. Millions of records have to be processed, stored, and visualized to help planners explore and analyze complex population patterns. We introduce a database driven framework for visualizing geospatial multidimensional simulation data based on the output from UrbanSim, a software for the analysis and planning of urban developments. The designed framework is extendable and aims at integrating empirical-stochastic methods and urban simulation models with techniques developed for information visualization and cartography. First, we develop an empirical model for the estimation of residential building types based on demographic household characteristics. The predicted dwelling type information is important for the analysis of future material use, carbon footprint calculations, and for visualizing simultaneously the results of land usage, density, and other significant parameters in 3D space. Our model uses multinomial logistic regression to derive building types at different scales. The estimated regression coefficients are applied to UrbanSim output in order to predict residential building types. The simulation results and the estimated building types are managed in an object-relational geodatabase. From the database, density, building types, and significant demographic variables are visually encoded as scalable, georeferenced 3D geometries and displayed on top of aerial photographs in a Google Earth visual synthesis. The geodatabase can be accessed and the visualization parameters can be chosen through a web-based user interface. The geometries are encoded in KML, Google's markup language, as ready-to-visualize data sets. The goal is to enhance human cognition by displaying abstract representations of multidimensional data sets in a realistic context and thus to support decision making in planning processes.
Die Bestimmung der Filtrierbarkeit von Suspensionen mit einer neuen Auswertemethode auf der Grundlage bekannter und erprobter Auswerteverfahren ergibt eindeutige Auswertekriterien insbesondere bei inkompressiblen Feststoffen und newtonschen Flüssigkeiten. Eine verbesserte Messtechnik erfasst den Filtratanfall bei beginnender Sättigung genau und vereinfacht die Zeitnahme. Methode und Technik erhöhen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Bestimmung von Filtermittel- und Filterkuchenwiderstand und schaffen eine präzise Grundlage zur Auslegung von kontinuierlichen Fest-Flüssig-Filtern hoher Durchsatzleistung oder zur Entwicklung widerstandsarmer Filtermittel. Die Messungen zeigen einen hohen Anteil des Filtermittelwiderstandes am Gesamtwiderstand und erlauben die Berechnung eines Richtwertes für den Filtermittelwiderstand. Die industrielle Fest-Flüssig-Trennung wird in der chemischen, pharmazeutischen und Aufbereitungs-Industrie zu einem großen Teil auf kontinuierlich betriebenen Filtern durchgeführt, bei denen die Flüssigkeit vom Feststoff durch Kuchenfiltration sehr vollständig getrennt werden kann. Diese Filter sind durch Filtrationszykluszeiten zwischen 10 und 100 Sekunden charakterisierbar. Bei der Auslegung, Simulation oder Optimierung dieser Filter ist der Prozessingenieur auf genaue Daten zur Filtrierbarkeit der Suspensionen angewiesen. Die Theorie des durchströmten Filterkuchens ist sehr perfektioniert. Weniger Beachtung hatte dagegen der Einfluss des Filtermittels auf den Gesamtwiderstand bei der Filtration gefunden. Dies lag in der Vergangenheit teilweise daran, dass die genaue Bestimmung des Filtermittelwiderstandes RM – die zusammen mit der Bestimmung des Filterkuchenwiderstandes rK erfolgt – schwierig war. In den letzten Jahren wurden Filter für sehr hohe spezifische Durchsätze gebaut, bei denen dieser Wert von erheblichem Einfluss ist. Ziel der Arbeit war es, mehr Wissen und genaue Daten zum Filtermittelwiderstand zu erarbeiten. Es wurden umfangreiche Messungen des Filtermittelwiderstandes mit unterschiedlichen Filtermitteln und verschiedenen Produkten in wässrigen Suspensionen durchgeführt. Zur genauen Bestimmung des Filtermittelwiderstandes wurde ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Versuchsaufbau mit rechnergestützter Datenerfassung entwickelt. Filtratanfall und Druckverlauf wurden bei den Versuchen festgehalten. Bei der Auswertung der Filterkurven wurden eindeutige Kriterien zur Bestimmung von Anfang und Ende der Filtration eingeführt. Dies erfolgte durch die Kombination von zwei bekannten und erprobten Auswerteverfahren zur Bestimmung der Filtrationseigenschaften. Diese Kombination ergab mit der verbesserten Versuchstechnik neben der Eindeutigkeit auch den Vorteil der exakten Erfassung des Filtratanfalls bei beginnender Sättigung, die ebenfalls zur erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung der Filterwiderstände beitrug. Der Filtermittelwiderstand kann bei kontinuierlich betriebenen Filtern am Ende des Filtrationszyklus 25 % des Gesamtwiderstandes und mehr erreichen. Bei leicht filtrierbaren Feststoffen werden trotz offener Filtergewebe auch höhere Anteile am Gesamtwiderstand gefunden. Der Filtermittelwiderstand ist bei kontinuierlichen Filtern ein wesentlicher Faktor bei der Filterauslegung. Durch Variation der Parameter der Filtergleichung wie Feststoffgehalt, Druck usf. wurden die Einflüsse wichtiger Betriebsparameter auf tendenzielle Änderungen der Widerstände untersucht. Bei diesen Messungen wurde festgestellt, dass der Durchflusswiderstand des Filtermittels bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten nicht konstant ist. Die Einführung einer Reynoldszahl, die auf den nominellen Porendurchmesser bezogen ist, erlaubt es Strömungszustände zu definieren, ab denen der Durchflusswiderstand nicht mehr konstant ist. Mit den bekannten Gesetzten der Durchströmung poröser Haufwerke lassen sich Widerstandszahlen, analog zur Rohrreibungszahl, und daraus Druckverluste errechnen. Letztere sind mit den gemessenen Druckverlusten aus der Bestimmung der Filtermittelleerwiderstände gut korreliert. Mechanische Vorgänge bei der Partikelabscheidung an Filtermitteln werden anhand eines Kugel-Loch-Modells diskutiert. Experimentelle Ergebnisse stützen Schlussfolgerungen, die aufgrund dieses Modells gezogen wurden. Dazu wurden Überlegungen möglich, welche einige Tendenzen bei der Variation der Porengrößen bei unterschiedlichen Filtermedien erklären können.
Durchlaufende Verbundträger können mit dem Fließgelenkverfahren berechnet werden. Bei dieser Methode werden die plastischen Querschnitts- und Systemreserven ausgenutzt. Bisher war bei der Anwendung der Fließgelenktheorie die Betrachtung von großen Öffnungen im Steg nicht geklärt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden durchlaufende Verbundträger mit Öffnungen experimentell und numerisch untersucht. Mit den ermittelten Ergebnissen wurden zwei Bemessungsmodelle entwickelt, mit denen solche Verbundträger bemessen werden können. Bei dem ersten Bemessungsmodell handelt es sich um ein elastisch-plastisches Nachweisverfahren. Das Verfahren beruht auf einer elastischen Schnittgroßenermittlung, bei dem die Querschnitte plastisch nachgewiesen werden. Nach dem zweiten Nachweisverfahren werden die Durchlaufträger nach der Fließgelenktheorie plastisch-plastisch berechnet. Über die plastischen Tragfähigkeiten der Querschnitte werden die plastischen Systemreserven rechnerisch ausgenutzt. Dazu werden die möglichen kinematischen Ketten des Systems zusammengestellt und die jeweiligen Traglasten ermittelt.