This thesis presents research in the area of flow visualization. The theoretical framework is based on the notion that flow visualization methodology can be classified into four main areas: direct, geometric, texture-based, and feature-based flow visualization. Our work focuses on the direct, geometric, and texture-based categories, with special emphasis on texture-based approaches.

After presenting the state-of-the-art, we discuss a technique for resampling of CFD simulation data. The resampling tool addresses both the perceptual problems resulting from a brute force hedgehog visualization and flow field coverage problems. These challenges are handled by giving the user control of the resolution of the resampling grid in object space and giving the user precise control of where to place the vector glyphs.

Afterward, we present a novel technique for visualization of unsteady flow on surfaces from computational fluid dynamics. The method generates dense representations of time-dependent vector fields with high spatio-temporal correlation. While the 3D vector fields are associated with arbitrary triangular surface meshes, the generation and advection of texture properties is confined to image space. Frame rates of up to 60 frames per second are realized by exploiting graphics card hardware. We apply this algorithm to unsteady flow on boundary surfaces of, large, complex meshes from computational fluid dynamics composed of more than 200,000 polygons, dynamic meshes with time-dependent geometry and topology, as well as medical data. We also apply texture-based flow visualization techniques to isosurfaces. The result is a combination of two well known scientific visualization techniques, namely iso-surfacing and texture-based flow visualization, into a useful hybrid approach.

Next we describe our collection of geometric flow visualization techniques including oriented streamlines, streamlets, a streamrunner tool, streamcomets, and a real-time animated streamline technique. We place special emphasis on necessary measures required in order for geometric techniques to be applicable to real-world data sets.

In order to demonstrate the use of all techniques, we apply our direct, geometric, and texture-based flow visualization techniques to investigate swirl and tumble motion, two flow patterns found commonly in computational fluid dynamics (CFD). Our work presents a visual analysis of these motions across three spatial domains: 2D slices, 2.5D surfaces, and 3D.

Diese Dissertation stellt aktuelle Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Stroemungsvisualisierung vor. Der theoretische Rahmen baut auf der Erkenntnis auf, dass man grob vier verschiedene Arten von Stroemungsvisualisierungsansaetzen unterscheiden kann: direkte, geometrische, Textur-basierte und Merkmal-basierte. Diese Arbeit setzt sich vor allem mit direkter, geometrischer und Textur-basierter Stroemungsvisualisierung auseinander, wobei das Hauptaugenmerk auf Letzterer liegt.

Nach einem Ueberblick ueber den momentanen Stand der Forschung wird eine Methode zum Resampling von Stroemungssimulationsdaten (CFD-Daten) vorgestellt. Dieser Ansatz versucht dabei sowohl Wahrnehmungsprobleme, die bei einer direkten Anwendung der Hedgehog Visualisierugstechnik auftreten, als auch Unzulaenglichkeiten bei der Abdeckung des Stroemungsfeldes zu beheben. Das wird erreicht, indem dem Benutzer bzw. der Benutzerin die genaue Kontrolle ueber die Aufloesung des Resampling Gitter im Objektraum und ueber die Platzierung der Vektorglyphen ueberlassen wird.

Wir stellen eine neuartige Methode zur Visualisierung von nicht-stationaeren Stroemungssimulationsdaten auf Oberflaechen vor. Waehrend die dreidimensionalen Vektorfelder beliebige, durch Dreiecksnetze gegebene Oberflaechen haben koennen, beschraenkt sich die Generierung und Advektion von Textureigenschaften auf den Bildraum. Der Einsatz von Graphik-hardware ermoeglicht Frameraten von bis zu 60 Frames pro Sekunde. Die Geometrie, auf deren Aussenflaechen die nicht-stationaeren Stroemungsdaten gegeben sind, auf die wir diesen Algorithmus anwenden, umfasst große, komplexe Dreiecksnetze mit mehr als 200.000 Polygonen, wobei sich Geometrie und Topologie ueber die Zeit veraendern koennen, sowie auch Datensaetze aus der Medizin. Wir wenden Textur-basierte Stroemungsvisualisierungstechniken auch fuer Isoflaechen an. Das Ergebnis ist die Verschmelzung zweier bekannter Methoden aus dem Bereich der wissenschaftlichen Visualisierung naemlich iso-surfacing und Textur-basierte Stroemungsvisualisierung in einen nuetzlichen Hybridansatz.

Danach wendet sich die Arbeit einer Reihe von Techniken zur geometrischen Stroemungsvisualisierung zu, unter anderem gerichtete Stroemungslinien, Streamlets, einem StreamrunnerWerkzeug, Streamcomets und einer Methode fuer in Echtzeit animierte Stromeungslinien. Besondere Beachtung wird dabei Maßnahmen geschenkt, die notwendig sind, um geometrische Techniken auch fuer praxisnahe Datensaetze anwendbar zu machen.

Abschließend wenden wir direkte, geometrische und Textur-basierte Stroemungsvisualisierungsmethoden an, um Strudel- und Wirbelbewegungen zu untersuchen zwei Stroemungsmuster, die oft in Stroemungssimulationsdaten anzutreffen sind. Die Arbeit stellt eine visuelle Analyse dieser Bewegungen in den drei raeumlichen Auspraegungen vor: 2D Schichten, 2.5D Oberflaechen und 3D.

Visualization of flow at the surface of a cooling jacket using ISA.

Visualization of swirl motion using 3D streamlines.

Visualization of flow at the surface of two intake ports using ISA.

Visualization of tumble motion using a hybrid of techniques: color-mapping, texture-based flow visualization on a slice, a pressure isosurface, and 3D streamlines seeded with two seeding planes.

For those of you with low bandwidth web connections, we also have a version with non-embedded fonts (PDF file) (~9.5MB). However, there is a higher likelyhood of an equation not appearing correctly in this version.