Simulation and Visualization of Tornadoes

Simulation and Visualization of Tornadoes

mastersthesis
In dieser Diplomarbeit wurde die bestehende physikalisch basierte Fluidsimulation mit einem Modell erweitert, welches die Entstehung sowie die Bewegung von Tornados simuliert und visualisiert. Basierend auf dem Tornado-Scale-Ansatz wurde eine Methode entwickelt, welche den Tornado sowie seine unmittelbare Umgebung simuliert. Anhand von induzierten Rotationsbewegungen und einfliessenden Partikeln im äusseren Bereich der Simulationsumgebung wird ein rotierender Aufwind im Inneren des Tornados erzeugt. Verschiedene Windprofile sowie eine zufällige Verteilung der Windstärken bzw. Windgeschwindigkeiten wurden spezifiziert, um möglichst echte, naturgetreue Formen der numerisch erzeugten Tornados zu erzielen. Den Partikeln der Simulation wurden neue Attribute, die absolute und relative Luftfeuchtigkeit, zugewiesen, um den adiabatischen Kondensationsprozess zu modellieren. Die Abhängigtkeiten verschiedener Faktoren, welche auf physikalische Weise die Kondensation simulieren, wurden spezifiziert. Der simulierte Kondensationsprozess lässt im Zusammenspiel mit dem hervorgerufenen rotierenden Aufwind den Tornado sichtbar werden, wie es auch in der Natur zu beobachten ist. Zusätzlich zu den vorhandenen Visualisierungsmethoden wurde ein Modell entwickelt, welches die zurückgelegte Strecke der einzelnen Partikel aufzeichnet.
Sandra Gubler
The main objective of this thesis was to examine the requirements and possibilities in regard to the numerical simulation of the tornado phenomenon and thus find an applicable, straightforward way to enhance the pre-existing meshfree, particle-based fluid simulation. The crucial physical factors leading to this natural phenomenon needed to be considered and integrated since it is based on real physical conditions. Based on the tornado-scale approach, which only simulates the vortex of a tornado and its immediate surroundings, a set of boundary conditions was developed to evoke the desired uplifting rotational flow motion. Various shear wind profiles and random change in wind speed during the simulation were applied to produce tornadoes exhibiting similar shapes as observed in nature. Furthermore, the adiabatic condensation process was implemented. Due to this meteorological procedure and the induced fluid motion, the simulated tornado is made visible to the human eye in a physically-based manner. In addition to hitherto implemented visualization techniques, a method to illustrate the trails of the particles was developed to gain further insight into the dynamics of the fluid.
Simulation and Visualization of Tornadoes
2006
University of Zurich
vmml