真实感固流交互动画的统一物质点法模拟

发布时间：2021-03-02 21:18

　　固流交互模拟是基于物理的流体模拟技术的重要研究内容,其中如何解决非穿透和滑移接触是难点。为此,提出一种真实感固流交互动画的统一物质点法模拟方法。首先,给出一种基于物质点法的快速微可压缩流体模拟方法,并在统一背景欧拉网格上对固体和流体动量方程进行求解;其次,检测固流接触区域并在其上构建局部多重背景网格,给出一种动量守恒保持的速度修正方法对固体和流体各自网格结点进行速度修正,从而实现固流交互的非穿透和滑移接触效果模拟。实验结果表明,该方法可以模拟稳定、真实的固流交互动画,适用于计算机图形学和虚拟现实领域中的真实感模拟应用。 

【文章来源】：图学学报. 2019,40(03)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

物质点法的双重描述在背景网格上可以通过显式欧拉积分或隐式

??c的初始密度0pcpccmV。流体物质点的内能E通过能量守恒方程[18]进行隐式时间积分计算，即d:dEtσε(12)其中，符号:为张量双缩并。2.2固流交互模拟在固流交互过程中，弹性固体在流体的作用力下会发生极大弹性变形。而物质点法在模拟极大弹性变形时，物质点间距大于背景网格作用范围会导致数值断裂现象。为了避免固流交互过程中的数值断裂现象，对于弹性固体模拟，本文利用动态增强的物质点法[17]在统一背景网格上模拟其极大弹性变形。如图2所示，该方法在初始构型中为每个物质点构造一个粒子区域以表示其占据的部分物质，物质点不再直接和背景网格结点相互作用，而是通过把其粒子区域结点作为中介和背景网格结点进行变量映射计算。图2基于局部多重背景网格的固流交互算法

第3期邵绪强，等：真实感固流交互动画的统一物质点法模拟50125.6ms。实验结果表明，在固流速度差较大的情况下，在保证固流交互物理合理和视觉真实的同时，给出的速度-位置修正方案有效地避免了固流交互模拟中存在的穿透现象。图3空心弹性物体掉入水中的二维交互效果图4给出的2D场景中模拟了滑移控制变量不同取值情况下的水流与固定物体斜面的固流交互模拟效果。左侧固流交互的滑移控制变量0.8，右侧滑移控制变量0.2。固体物质点数为2.1k，流体物质点数最大为3.4k，背景网格分辨率大小为50×50，每帧的平均计算时间为22.5ms。由模拟结果可见，本文方法可以真实地模拟不同滑移约束条件下的2D固流交互。图4滑移控制变量不同取值下的2D固流交互效果图5给出3D场景中模拟了2股水流倒入空的弹性盒子内部的固流交互效果。水流的初始速度为10m/s，弹性盒子的密度为3000kg/m3，滑移控制变量0.5。固体物质点数为2.5k，流体物质点数最大为4.8k，背景网格分辨率大小为50×50×50，每帧的平均计算时间为82.3ms。在水流的冲击下，立方体弹性盒子发生了较大弹性变形并逐渐被水填满。从效果图可以看出，在较大固流速度差和固体较大弹性变形的情况下，本文方法可以有效地防止水流对弹性盒子表面的穿透。图5水流倒入空的弹性盒子图6给出的3D场景中模拟了滑移控制变量不同取值情况下的弹性圆柱体与水体的固流交互模拟效果。红色弹性圆柱体与水体的交互中0.9，蓝色弹性圆柱体与水体的交互中0.1，弹性圆柱体以15m/s的速度在水体中移动。固体物质点数为8.2k，流体物质点数最大为750.0k，背景网格分辨率大小为


本文编号：3059968