Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden Sebastian Bindick, Maik Stiebler, Manfred Krafczyk
Gliederung Motivation Ein virtueller Entwurfsraum Simulation gekoppelter thermischer Transportprozesse Zusammenfassung und Ausblick Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 2
Motivation Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 3
Gliederung Motivation Ein virtueller Entwurfsraum Simulation gekoppelter thermischer Transportprozesse Zusammenfassung und Ausblick Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 4
AutoCAD als Konstruktionsraum <xml /> OMF-Applikation Modifikation von: Randbedingungen Metadaten Geometrie .754 Datenmodell- aufbereitung Ereigniserkennung Triangulation Pre-processing Datenübertragung Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 5
Virtueller Entwurfsraum Render- und Simulationsknoten Tiled Display Modellierer (AutoCAD) Modelltransfer Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 6
Verteilte Simulation und Visualisierung parallele Effizienz auf 72 CPUs ~85% und ~ 40-50 fps Hierdurch wird erst eine flüssige Ausgabe der Simulation möglich Simulation auf Tiled-Display-System am Calit2 (70 Displays und 300 Mega Pixel) Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 7
Gliederung Motivation Ein virtueller Entwurfsraum Simulation gekoppelter thermischer Transportprozesse Zusammenfassung und Ausblick Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 8
Simulation gekoppelter thermischer Transportprozesse Arten der Wärmeübertragung: Konvektion Wärmestrahlung Wärmeleitung Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 9
Simulation gekoppelter thermischer Prozesse Komplexe physikalische Prozesse am Bauteilinterface: Strahlungsintensität eines Körpers hängt ab von: → Oberflächenbeschaffenheit → Oberflächentemperatur → Wellenlängenbereich → Verteilung auf die Richtungen im Raum Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 10
Strahlungsaustausch O(n²) O(n² n) = O(n³) Laufzeit ? ~ 4000s Uniforme Diskretisierung Dreiecke: 4096 Maximaler Fehler: ~ 5% Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 11
Strahlungsaustausch in komplexen Systemen ? Asphalt ~ 10 Millionen Dreiecke Doppelfassade ~ 100.000 Dreiecke Stadtmodell ~ 250.000 Dreiecke Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 12
Ein hierarchisch adaptiver Ansatz Komplexität: O(n²) → O(k² + n) Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 13
Bechleunigung der Sichtbarkeitsprüfung Kd-Bäume zur Raumzerlegung Optimierung durch Wahl der Splitting-Plane: Kosten-optimierte Heuristik Surface Area Heuristic (SAH) 1 2 3 6 5 4 Komplexität: O(n) → O(log n) Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 14
Strahlungsaustausch O(n³) O(log(k)(k²+n)) Laufzeit ? ~ 4000s Uniforme Diskretisierung Dreiecke: 4096 Maximaler Fehler: ~ 5% O(log(k)(k²+n)) Laufzeit ? Dreiecke: 4960 Maximaler Fehler: ~ 1% < 1s Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 15
Strahlungsaustausch in einem Büroraum Dreiecke: ~250.000 Laufzeit: ~150s Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 16
Sonneneinstrahlung auf einen offenporigen Asphalt Dreiecke: ~10 Millionen Laufzeit: ~700s Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 17
Wärmeleitung Explizite Finiten-Differenzen (2nd Order) Strahlungs-Struktur-Wechselwirkung Interface BT1 BT2 BT3 Bauteilweise Diskretisierung Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 18
Volle Kopplung Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion Entlüftung V m/s 2.3 1.7 1.2 0.6 0.0 T °C 38.2 33.6 29.1 24.5 20.0 Belüftung Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 19
Gliederung Motivation Ein virtueller Entwurfsraum Simulation gekoppelter thermischer Transportprozesse Zusammenfassung und Ausblick Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 20
Zusammenfassung und Ausblick Virtueller Entwurfs- und Konstruktionsraum Interaktive Optimierung durch mehrere Fachplaner Echtzeit Visualisierung Gekoppelte Simulation kontinuierlicher Modelle Weitere Ziele: Optimierung der hardware-beschleunigten Simulation Einbinden weiterer physikalischer Prozesse (z.B. Gasstrahlung) Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 21
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bindick | Interaktive Simulation transienter Wärmetransportprozesse in und an Gebäuden | Folie 22