TUM-Forscher: Flüssigkeiten realistischer simulieren
Neu entwickeltes Zwei-Phasen-Modell nutzt Interaktion mit der Luft – Rechenaufwand minimiert, Präzision maximiert.
Sturmfluten oder ein gebrochener Damm: Realitätsnahe Simulationen von Wasser sind nicht nur für spektakuläre Spielfilme von Bedeutung, sondern können zukünftig auch zum Schutz von Küstenregionen dienen. Um die Bewegung von Flüssigkeiten noch realistischer zu simulieren, haben Forschende der TU München eine neue Methode entwickelt. Neben dem Wasser wird dabei auch die Interaktion mit der Luft berücksichtigt. Gleichzeitig ist der Ansatz effizient genug, damit die Berechnungen komplexer Wellenbewegungen auch auf handelsüblichen Rechnern laufen können.
Wellen brechen, Wasser spritzt, Gischt entsteht und mit dem aufgewirbelten Wasser gerät auch die umliegende Luft in Bewegung. Was in der Natur alltäglich passiert, ist digital kaum relaistisch zu simulieren. Bisherige Verfahren in der Computergrafik konzentrieren sich auf das Wasser und vernachlässigen dabei die Interaktion mit der Luft. Effekte wie Spritzer oder Schaum werden in der Regel vereinfacht dargestellt, wodurch ein sichtbarer Unterschied zur Realität erkennbar ist.
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„Uns ist es nun gelungen ein Verfahren zu entwickeln, das beide Phasen – Wasser und Luft – gleichberechtigt abbildet. Durch diese sogenannte Zwei-Phasen Simulation können wir auch Details wie Aerosole und Luftverwirbelungen deutlich realistischer als bisherige Ansätze darstellen“, sagt Nils Thuerey, Professor für Physikalisch-basierte Simulation.
In der Studie wird die Grenze zwischen Luft und Wasser nicht als feste Oberfläche rekonstruiert, sondern als kontinuierlicher Übergangsbereich. Dabei setzen die Forschenden eine hybride Methode aus Raster- und Partikelsimulation ein. Während die Rastersimulation die physikalischen Eigenschaften wie Geschwindigkeit oder Druck berechnet, erfasst die Partikelsimulation die Bewegung und Verteilung der Flüssigkeit. Die Simulation passt sich dabei dynamisch an die Komplexität der Wellenbewegung an und verfeinert sich gezielt in Bereichen mit viel Bewegung – etwa in der Gischtzone einer brechenden Welle. Gleichzeitig spart das System Ressourcen in weniger aktiven Bereichen.
„Weil wir uns bei der Simulation nur auf bestimmte Bereiche fokussieren, sparen wir sehr viel Rechenleistung und können auch sehr aufwendige Wellenbewegungen mit Milliarden Partikeln und Rasterzellen effizient auf einem handelsüblichen Rechner berechnen“, sagt Thuereys Doktorand Bernhard Braun. „Gleichzeitig haben wir es durch diesen Ansatz geschafft, die Berechnung der Druckunterschiede zwischen Luft und Wasser zu vereinfachen. Bisher war dies bei der Zwei-Phasen-Simulation eine große Herausforderung.“
Die Simulation von Flüssigkeiten spielt nicht nur für aufwendig produzierte Spielfilme eine große Rolle, sondern hat auch potenzielle Anwendungsbereiche beispielsweise in der Ozeanographie. Durch die Simulation hoher Wellen oder auch von Dammbrüchen könnten zukünftig unter anderem Küstenregionen besser vor Überschwemmungen und anderen Extremwetterereignissen geschützt werden. [TUM / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
B. Braun, J. Bender, and N. Thuerey, Adaptive Phase-Field-FLIP for Very Large Scale Two-Phase Fluid Simulation, ACM Trans. Graph. 44(4), 42, 27. Juli 2025; DOI: 10.1145/3730854 - Professur Physikalisch-basierte Simulation (Nils Thuerey), TUM School of Computation, Information and Technology, Technische Universität München
