Der virtuelle Windkanal
Die Strömungslehre via Blender verstehen lernen
Mit den Physik-Eigenschaften von Blender sind viele tolle Möglichkeiten gegeben, Objekte zu animieren. Damit ist auch die Erzeugung sogenannter Partikel möglich, was wunderbar beispielsweise zur Simulation von Regentropfen genutzt werden kann, die auf Körper auftreffen. Dank dieser Möglichkeiten ist es beispielsweise machbar, 3D-Volumenmodelle in einem virtuellen Windkanal auf ihr Strömungsverhalten zu testen.
Die Idee, einen Windkanal zu nutzen, ist schon alt. Bereits 1870 baute der englische Erfinder Francis Wenham das erste Exemplar. Mit einem Windkanal ist es möglich, das Strömungsverhalten von Autos, Raketen oder Flugzeugflügeln zu untersuchen. Dank schneller Prozessoren ist es heutzutage möglich, sogar am PC virtuelle Windkanalversuche durchzuführen, ehe ein realer Test durchgeführt wird, was kosten spart. Alles was dazu benötigt wird, ist ein schneller PC und das Animationsprogramm Blender, das über ein leistungsstarkes Physik-Modul verfügt.
Für ein erstes Experiment mit dem Partikel-Modul in Blender ist es nötig, zunächst ein Objekt zu erzeugen, aus dem anschließend die Partikel emittiert werden. Aus diesem Grund wird das dazu nötige Objekt als „Emitter“ bezeichnet. Als Emitter bietet sich eine einfache Fläche an, die in diesem Fall nach dem Einfügen mittels „Hinzufügen / Masche / Fläche“ über den Würfel verschoben wird.
Der selektierten Fläche kann nun die Eigenschaft eines Emitters zugewiesen werden, indem zunächst der Reiter „Partikeleigenschaften“ und anschließend das Plus-Zeichen im sich öffnenden Partikelsystem-Fenster betätigt werden.
Die dort bereits vorhandenen Standardwerte können für einen ersten Test unverändert übernommen werden.
Ein Betätigen des Buttons „Animation abspielen“ startet den Partikelstrom, der nun aus der Fläche austritt.
Die Partikel gleichen Bällen, die einfach nach unten fallen und den Würfel durchdringen. Sollen die Teilchen jedoch vom Würfel abprallen, so müssen dem Würfel entsprechende physikalische Eigenschaften zugewiesen werden.
Dazu ist der Würfel zu selektieren und der Reiter „Physikeigenschaften“ anzuklicken. Im sich öffnenden Fenster wiederum ist die Eigenschaft „Kollision“ anzuwählen.
Wird nun der Wert für die „Klebrigkeit“ beispielsweise von 0 auf 3 hochgesetzt, so bleiben die Partikel auf der Oberseite des Würfels haften.
Wird der Wert für die Klebrigkeit auf 1 gesetzt, prallen die Partikel hingegen von der Oberfläche ab.
Die Anzahl der Partikel, die bei der Simulation erzeugt werden, kann sehr einfach angepasst werden. Dazu ist die Fläche des Emitters zu selektieren, auf „Partikeleigenschaften“ umzuschalten und ein neuer Wert in das Eingabefeld „Nummer“ einzugeben. Wird hier beispielsweise der Wert 10 eingeben, so werden 10 Partikel erzeugt, deren Erscheinen sich auf die komplette Animationszeit gleichmäßig verteilt.
Es lohnt sich, ein wenig mit den dargebotenen Einstell- und Kombinationsmöglichkeiten zu experimentieren, um ein Gefühl zu bekommen, welche Parameter welche Auswirkungen auf die Partikel haben. So ist es beispielsweise möglich, das Verhalten von Wassertropfen zu simulieren, die in einem fiktiven Windkanal auf ein Objekt auftreffen.
Dazu ist eine Fläche als Emitter, ein Zylinder als Windturbine und ein Kegel als Testobjekt in eine Szene einzubauen.
Dem Zylinder ist unter „Physikeigenschaften“ ein Kraftfeld vom Typ „Wind“ mit der Stärke 90 zuzuweisen. Die Form des Kraftfeldes ist in diesem Beispiel Punktförmig.
Der Emitter bekommt unter „Partikeleigenschaften“ die Eigenschaft „Partikelsystem“ zugewiesen. Die Anzahl der zu erzeugenden Teilchen wird unter „Nummer“ eingetragen und soll 10.000 betragen, deren Lebensdauer ist auf 200 Inkremente einzustellen, während für die Geschwindigkeit unter „Normalen“ ein Wert von 1 m/s zu wählen ist.
Der Kegel wiederum bekommt unter „Physikeigenschaften“ die Eigenschaft „Kollision“ zugewiesen. Wichtig sind folgende Einstellungen: Klebrigkeit=10 und Reibung=1.
Die Simulation zeigt, wie die Partikel (Regentropfen) an der Oberfläche des Kegels entlanggeführt und vom Luftstrom abgerissen werden, wobei sie danach an der Verwirbelung hinter dem Kegel interessante, kreisrunde Muster bilden.
Ein Flügelprofil muss nicht in Blender erstellt werden, sondern kann ebenso gut etwa mit BeckerCAD erstellt werden. Um es in Blender zu nutzen, ist es nötig, dieses in das STL-Format zu exportieren, da dieses Format von Blender problemlos eingelesen werden kann. Nach dem Import ist in der Regel eine Verkleinerung des Flügels nötig, wozu der Flügel selektiert, die Taste „s“ gedrückt und mit der Maus der Skalier-Vorgang auszuführen ist.
Dieser Skalier-Vorgang muss unter Umständen mehrmals ausgeführt werden, ehe der Flügel die passende Größe für den „Windkanal“ besitzt. Wurde der Flügel korrekt platziert, so kann dieser nun getestet werden. Dabei kann sehr schön beobachtet werden, wie die Partikel über den Flügel geführt werden.
