Advanced ray tracing techniques for simulation of thermal radiation in fluids

Abstract

Für die Modellierung von Wärmetransport sind nicht nur Konvektion und Wärmeleitung von Bedeutung, sondern auch thermische und sichtbare Strahlung. Die Berücksichtigung von Strahlung ist besonders wichtig, wenn große Temperaturdifferenzen auftreten oder äußere Lichtquellen in die Betrachtung einfließen. Die heutzutage geläufig verwendeten Modelle der numerische Strömungsmechanik behandeln die Strahlung als untergeordneten Effekt, der mit vereinfachten Algorithmen behandelt werden kann. Alle Standardmodelle in der numerischen Strömungsmechanik für Strahlungssimulationen, wie zB. das Surface-to-Surface Modell, Discrete Transfer Modell, Pn Modell und das Discrete Ordinate Modell, weisen Nachteile in der Berechnungseffizienz oder der physikalischen Modellierung auf. Als Beispiele können Verbrennungskammern, Asche und Rauch Bildung, Solarenergieerzeugung, UV- Wasserdesinfektion, Kondensation in Autoscheinwerfern, Fusion und Fission Reaktorkerne, Lichtbogenbewegungen als auch schwach emittierende Glasfenster genannt werden.<br />In den Bereichen, in denen die Strahlungsuntersuchung den zentralen Aspekt darstellt, wie zB. in der 3D Animation oder Beleuchtungssimulation von Lampen, werden die genannten Methoden nicht mehr verwendet. In diesen Fällen stellt Raytracing die erste Wahl dar.<br />In dieser Arbeit wurden existierende Raytracing Methoden angepasst und implementiert, mit dem Ziel dieses Strahlungsmodell mit Strömungssimulationen zu koppeln und die existierenden Strahlungsmodelle zu ersetzen.<br />Während für Beleuchtungsberechnungen die Geometrie aus Oberflächen für deren Darstellung besteht, benötig die Strömungsberechnung ein volumetrisches Rechengitter. Daher verwendet die implementierte Methode ein volumetrisches Gitter, um volumetrische Effekte mit kleinem zusätzlichem Aufwand in die Berechnung einfließen zu lassen.<br />In dieser Arbeit wurde spektrale volumetrische Path Tracing Methode mit Importance Sampling ausgeführt. Importance Sampling ist eine spezielle Klasse der Monte Carlo Integration, die gegenüber der einfachen Monte Carlo Integration eine schnellere Konvergenz der Lösung aufweist. Mit der implementierten Raytracing Methode ist es möglich Strahlungsquellen in Form von Punkten, Flächen oder auch Volumen zu definieren. Spektrale Materialabhängigkeiten werden ohne starkem Anstieg des Berechnungsaufwandes mit einem Bandmodell berücksichtigt, während in anderen Modellen die Rechnungszeit linear mit der Anzahl der Bänder skaliert. Als Randbedingungen an Oberflächen kann direkte, diffuse und gemischte Reflexion verwirklicht werden. Es wird einen volumetrischer Brechungsindex in die Berechnung mit einbezogen, womit Lichtbrechung und Totalreflexion simuliert werden können. Fokussierung in Linsen oder Spiegelsystemen kann zufriedenstellend wiedergegeben werden. Dies kann mit keinem anderen Strahlungsmodell erreicht werden. Es wurden flächige und volumetrische Absorption implementiert als auch flächige und volumetrische Streuungseffekte.<br />Strahlungsemission kann von Temperaturverteilungen auf Oberflächen oder Volumina hervorgerufen werden. Diese Verteilungen werden ausgehend von einer externen Software, die die Strömungsgleichungen und Energiegleichungen löst, als Randbedingungen in die Raytracing Implementierung importiert. Welche die Resultate der Strahlungssimulation mit den vorgegeben Strahlungsquellen löst und an die externe Software retourniert, wo diese in die weitere Berechnung einfließen. Diese Kopplung wurde implementiert und getestet, wobei als externe Software Fluent, ein kommerzielles Programm für die numerische Strömungsmechanikberechnung, mit seiner plug-in Schnittstelle verwendet wurde. Die meisten Strahlungsmodelle in Fluent werden nur nach einer bestimmten Anzahl impliziter Strömungsiterationen ausgeführt, was zu keinen weiteren Nachteilen oder Einschränkungen führt. Vollständige implizite Berechnung der Strahlung ist unüblich, da die Stabilität für die meiste Anwendungen ausreicht. Natürlich können auch reine Beleuchtungszenerien ohne jegliche sekundären Heizquellen mit der Raytracing Implementierung simuliert werden.<br />Die Implementierung wurde mit analytischen Testfällen validiert und quantitativ mit anderen Strahlungsmodellen verglichen. Auch Streuungseffekte wurden mit experimentellen Daten und Simulationsergebnissen aus der Literatur überprüft.<br />Bei Geometrien von 150000 volumetischen Zellen ist die beobachtete Berechnungsleistung ähnlich oder sogar besser als die, der Standardstrahlungsmodelle, wobei auch die physikalische Modellierung genauer ist. Für größere Geometrien können sich diese Vorteile noch stärker auswirken.<br />

For modeling thermal heat transfer, not only the effects of convection and conduction are relevant, but also thermal and visible radiation. Radiation is especially important for setups with large temperature differences, as well as for interaction with external light sources.<br />Common computational fluid dynamic models usually treat radiation transport as a minor effect, that can be handled by simplified algorithms. All these normal models, e.g. surface to surface model, discrete transfer model, Pn method, discrete ordinates model, exhibit disadvantages in the computing performance and the physical modeling. Hence, there are many technical applications, where the fluid simulation are limited both in accuracy and calculation time by the available radiation model. As exemplary cases combustion chambers, smoke and soot creation, solar power generation, UV water disinfection, condensation in car headlights, fusion and fission reactor chambers, electric arc movement, as well as low-emissivity glass windows can be named.<br />In the fields investigating radiation as main effect, e.g. cinematic 3d animation or illumination simulation for lamps and workspaces, the mentioned methods are not in use anymore as ray tracing is the first choice.<br />In this work, the existing methods for ray tracing were adapted and implemented with the goal to interact with fluid flow simulations and replace existing radiation modeling. This can be regarded as innovative, interdisciplinary method for the interaction of fluids and solids with radiation, incorporating physical effects that could not be included in previous simulations.<br />While in usual light calculations, the geometry exists solely in the form of surfaces and their triangulation, fluid flow requires volumetric calculation grids. Hence, methods are implemented that actually use the volumetric grid, and incorporate volumetric effects with little additional effort.<br />Spectral volumetric path tracing with Monte Carlo integrated, importance sampled emission was hence the method of choice for this work.<br />The implemented ray tracer is able to emit radiation from point sources, geometric surfaces, as well as from volumetric sources. Spectral dependence of material values is treated using radiation bands with hardly no increase of calculation time, whereas in all other models, the calculation time scales linearly with the amount of bands. Direct, diffuse and mixed surface reflection is modeled. The volumetric refraction index is implemented, so refraction is modeled, even including partial and total reflexion. The focusing of lenses or mirror systems can hence be simulated satisfactory, which cannot be treated sufficiently by any other radiation model. Surface and volumetric absorption are implemented, as well as surface and volumetric scattering effects.<br />The radiation emission can be caused by a temperature field at surfaces and volumes. These fields are imported from software calculating the fluid and the thermal system. Ray tracing results in volumetric and surface heat sources that can be returned to the original code, and their effect further calculations.<br />This coupling was implemented and tested with the commercial computational fluid dynamics code Fluent, using its plug-in interface.<br />As most of Fluent's radiation models are only performed after a fixed number of implicit flow and turbulence iterations, no further disadvantages or limitations occur, that are not as well existing for the existing radiation simulations. A fully implicit treatment of radiation is unlikely to be performed, as stability is already sufficient for most applications. Of course, systems containing only heat sources caused by light and no secondary heat radiation can be treated by the implemented ray tracer with high performance.<br />The implemented ray tracer is validated with analytically solved systems, and compared to quantitative simulation results of other simulation methods. Also, the scattering effects are validated against experimental and simulation results from literature.<br />The observed calculation performance is similar or faster then for standard models with geometries of approximately 150000 volume elements, while the modeling is done more accurately. For larger models, even larger advantages can be expected.