Das Strömungsverhalten des Winds hat Auswirkungen auf die Hitzeentwicklung und Frischluftzufuhr von Innenstädten. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde ein Simulationsprozess geplant und als Prototyp umgesetzt, der die Luftströmungen durch Schweizer Siedlungsgebiete simuliert. Durch die amtliche Vermessung der Schweiz stehen die Grundrisse von Gebäuden des ganzen Landes öffentlich zur Verfügung.
Die formulierte Simulationspipeline umfasst die sechs Schritte Datenbeschaffung, Datenverarbeitung, Strömungssimulation, Visualisierung, Computational Steering und Validierung. Diese Auflistung zeigt, dass neben der eigentlichen Strömungssimulation einige andere Schritte anfallen. Für die Erstellung der Pipeline und des Prototyps wurden fünf andere wissenschaftliche Projekte untersucht, welche die Strömung durch eine Stadt simulieren.
Mit dem erstellten Programm können beliebige Gebiete der Stadt Zürich ausgewählt und eine Strömungssimulation berechnet werden. Dank Elementen aus dem Bereich des Computational Steering handelt es sich um eine interaktive Simulation. Die Zwischenresultate der Berechnung werden laufend visualisiert und Anwenderinnen, beziehungsweise Anwender des Programms können während des Simulationsprozesses eingreifen und Parameter verändern. So können beim implementierten Programmprototyp jederzeit die Windrichtung geändert und Gebäude gelöscht werden.
Es wurden verschiedene Experimente durchgeführt, um die verschiedenen Funktionalitäten des Prototyps zu testen. Wenn grosse Gebiete oder eine sehr feine Auslösung ausgewählt werden, ist die Echtzeitvisualisierung langsam. Allerdings können durch die Anwendung effizienterer numerischer Methoden oder leistungsstärkerer Hardware die Berechnungszeiten erheblich optimiert werden.
Die beiliegende Darstellung zeigt die Simulierte Luftströmung in der Zürcher Altstadt in der Nähe der Sihlporte. Die Stromlinien zeigen die Richtung der Strömung an und die Farben entsprechen der Windgeschwindigkeit.
Bei der Erstellung des Prototyps wurden verschiedenste Techniken aus dem Bereich der Computergrafik, Algorithmik und Numerik angewandt. Dies zeigt die Vielfältigkeit der Simulationspipeline. Das Studium Computational and Data Science an der Fachhoschule Graubünden hat mich mit den nötigen Kompetenzen ausgestattet, um diese schwierige Aufgabe zu bewältigen.
Die Resultate dieser Bachelorarbeit können zukünftig in verschiedenen Bereichen erweitert werden. Es bietet sich zum Beispiel an, die aufwändigen Simulationsberechnungen parallelisiert auf einem Supercomputer durchzuführen.
Abschliessend lässt sich sagen, dass die Erstellung dieser Bachelorarbeit sehr lehrreich war und mich persönlich begeisterte. Die Resultate sind sehr zufriedenstellend und es macht Spass, mit dem erstellten Programm den Wind durch die Stadt wehen zu lassen.
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Dieser Blogbeitrag wurde von Raphael Brunold, Absolvent der Klasse CDS21VZ über seine Bachelorthesis verfasst.