Fluid-Dynamik in der virtuellen Realität erkunden

VR ist längst über die Welt der Spiele hinausgewachsen und kommt vielseitig zum Einsatz, so etwa im Bildungswesen. Forscher am Flow Visualization Lab an der Syracuse University entwickeln eine VR-Lösung für ihre Arbeit.

Alles, was sich durch Wasser oder Luft bewegt, hinterlässt eine unsichtbare Spur von Wirbeln und Wellen. Die Visualisierung von Strömungen macht diese Muster im Strömungsfeld anschaulich und erlaubt ihre detaillierte Analyse. Das lässt sich physisch umsetzen, mit Farben oder Rauch beispielsweise, oder mit Computersoftware.

Professorin Melissa Green vom Flow Visualization Lab im College of Engineering and Computer Science verwendet experimentelle Modelle des Strömungsfelds, um den Antrieb von Wasserfahrzeugen zu verbessern, und lässt sich von der Fortbewegung der Fische inspirieren.  Üblicherweise werden 3D-Strömungsfelder auf einem 2D-Bildschirm dargestellt. Das schränkt die Bewegung und Rotation des Modells ein. Indem man nun dasselbe Modell in einem virtuellen 3D-Raum betrachtet, kommen Gesichtspunkte wie räumliche Tiefe leichter zum Vorschein, und die Forscher können mit den visualisierten Daten auf eine eher natürliche Art umgehen.

Wenn man das Strömungsmodell in VR darstelle, könne man einfach hineinlaufen und sich umschauen, erklärt Green. Am 2D-Bildschirm sei die Interaktion dagegen begrenzt. Zudem erlaubt die VR-Schnittstelle das einfache Umschalten zwischen Zeit, Orientierung und Position. Mit Handheld-Geräten zur Steuerung können Anwender die Größe des Strömungsfeldes und die Orientierung des Modells im Raum festlegen und darüber hinaus verschiedene Parameter durchspielen.

Das Projekt startete im Frühjahr 2016 und beruht auf der Idee, die Forschungsdaten des Teams um Green im 3D-Raum zu visualisieren. Green bat die Professoren Amber Bartosh und Bess Krietemeyer von der School of Architecture and Interactive Visualization and Design Lab um Unterstützung. Bartosh und Krietemeyer nutzen VR bereits für Energiedaten-Visualisierungen in Architektur-Entwürfen.

Luftfahrt-Ingenieur Ranbir Dhillon legte den Grundstein für die nachfolgenden Arbeiten, die heute von Green und Noah Pietraszewski fortgeführt werden. Das Team verwendete Matlab, um die Strukturmodelle seiner Daten zu exportieren und dann die Strömungsfelder in Unity VR aufzubauen. Der Prozess gleicht dem Design von Levels in der Entwicklung von Videospielen.

Schon in frühen Phasen erwies sich die Anwendung von VR in der Strömungsvisualisierung als vielversprechend für die Forschung und Lehre in der Strömungsdynamik. Abgesehen vom Nutzen für die Forschung plant Green, ihre Arbeit auch in die Lehre einfließen zu lassen.

„Haben wir erst einmal die beste Methode gefunden, das zu machen, werden wir auch VR-Lernmodule erstellen können. Wir können beispielsweise nach dem Verhältnis zwischen Druck und Kraft fragen, und die Studenten die Antwort in VR finden lassen“, erklärt Green. „Es ist eine faszinierende Möglichkeit für uns, in die Daten einzutauchen und die Physik der Fluid-Strömungen zu erforschen.“

Bild: Was sich durch Luft oder Wasser bewegt, hinterlässt eine unsichtbare Spur von Wirbeln und Wellen. Dieses Strömungsfeld kann sichtbar gemacht werden und somit auch analysiert werden.