Computergrafik

Fluid Simulation

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Die Fluidsimulation in Blender ermöglicht die realistische Darstellung von Flüssigkeiten wie Wasser, Glühwein oder Schokolade, wobei physikalische Eigenschaften wie Strömung, Spritzer und Oberflächenspannung berücksichtigt werden. Blender verwendet dafür die Mantaflow-Engine, eine hochoptimierte Fluid-Simulationsbibliothek. In diesem Beitrag erklären wir die zugrunde liegenden technischen Details und zeigen, wie das Verhalten von Glühwein in einer Tasse simuliert werden könnte.

Technische Grundlage

Flüssigkeitssimulationen basieren wie Rauchsimulationen auf den Navier-Stokes-Gleichungen, die die Bewegung von Flüssigkeiten beschreiben. Im Fall von Glühwein (oder anderen viskosen Flüssigkeiten) kommen zusätzliche Effekte wie Viskosität und Oberflächenspannung ins Spiel.

Eine Flüssigkeit wird durch folgende Eigenschaften beschrieben:

  • Geschwindigkeit: Gibt die Bewegung der Flüssigkeit an.
  • Druck: Erzeugt interne Kräfte.
  • Dichte: Zeigt die Konzentration der Flüssigkeit.
  • Viskosität: Widerstand gegen Verformung (z. B. dickflüssiger Glühwein).
  • Oberflächenspannung: Bestimmt die Form von Tropfen und Wellen.

Navier-Stokes-Gleichungen für Flüssigkeiten Die Bewegung der Flüssigkeit wird durch diese Gleichungen beschrieben:

1. Massenerhaltung: Garantiert, dass die Flüssigkeit inkompressibel ist (kein Volumenverlust).
2. Impulserhaltung: Kinematische Viskosität bzw. externe Kräfte wie Schwerkraft oder Bewegung durch ein Rührstäbchen.
3. Oberflächenspannung (für Grenzflächen): Bildung von Tropfen bzw. größeren Wasserlachen.

Blender nutzt die Mantaflow-Engine, eine Open-Source-Bibliothek für Flüssigkeits- und Rauchsimulationen. Sie arbeitet auf einem Gitter und verwendet eine hybride Methode aus Gitter- und Partikelsystemen (sog. FLIP/FLuid Implicit Particle).

Hybrid-Ansatz (FLIP- und PIC-Methoden)

Gitter-basierte Simulation (Eulerian):
→ Der Raum wird in Zellen (Voxel) unterteilt, und die Fluidparameter werden in jeder Zelle gespeichert. Advektion und Diffusion werden numerisch berechnet.
Partikel-basierte Simulation (Lagrangian):
→ Partikel repräsentieren die Flüssigkeit und transportieren Informationen wie Geschwindigkeit oder Masse. Partikel werden genutzt, um Details wie Spritzer oder feine Wellen zu erzeugen.
FLIP-Methode (Fluid Implicit Particle):
→ Kombiniert die Stabilität der gitterbasierten Methode mit der Genauigkeit der Partikelsimulation.

Besondere Effekte: Glühwein in Blender

Um Glühwein realistisch zu simulieren, spielen zusätzliche Effekte eine Rolle:

  • Viskosität: Glühwein ist viskoser als Wasser. Dies beeinflusst die Strömung und führt zu langsameren Bewegungen. Die Viskosität wird in Mantaflow direkt angepasst.
  • Thermodynamik: Um den heißen Dampf von Glühwein zu simulieren, kann eine Rauchsimulation parallel zur Flüssigkeitssimulation eingesetzt werden:
→ Höhere Temperaturen erzeugen Auftriebskräfte im Rauch.
→ Optische Effekte wie Lichtstreuung und Transparenz werden durch die Volumenschattierung erzeugt.
  • Tropfen und Spritzer: Beim Eingießen von Glühwein können Tropfen und Spritzer entstehen. Diese werden durch FLIP-Partikel dargestellt, die aus der Hauptflüssigkeit herausgelöst werden.
  • Farbverläufe: Glühwein hat oft eine intensive rote Farbe. Blender erlaubt das Hinzufügen von Materialien, die sowohl die Lichtstreuung im Volumen als auch Reflexionen an der Oberfläche simulieren.

Literatur:


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