不可压缩SPH流体的表面特性建模及交互现象模拟

发布时间：2017-12-15 22:19

  本文关键词：不可压缩SPH流体的表面特性建模及交互现象模拟

  更多相关文章： 流体模拟 光滑粒子流体动力学 表面构造 多相流 流固耦合

【摘要】：近年来流体动画已被广泛应用于三维影视及游戏特效,虚拟现实,可视化,军事仿真等诸多领域。如今人们开始追求更高真实感、更复杂现象、实时可交互的流体模拟效果,这给计算机图形学及动画领域带来了巨大挑战。为了应对高分辨率,大计算量和实时模拟等要求,传统的动画技术已不能满足需求,基于物理的流体模拟技术成为最主要的手段。而基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法的流体模拟作为其中一个十分热点的研究方向,具有质量守恒,适合极大变形场景,易于处理自由表面,固体边界以及捕捉水花、泡沫等优点,在最近十几年吸引了许多研究者的关注。本文针对不可压缩流体的表面微观特性,表面构造,多相流,流固耦合等问题,将纳维-斯托克斯方程组(Navier-Stokes,N-S)作为流体运动的基本模型,基于SPH方法进行数值求解,主要研究以下四方面内容:流体的表面张力与吸附力特性;流体的表面构造;流体与流体的交互;流体与固体的交互。本文的主要工作和创新点如下:1)为了更稳定真实地表现流体的表面微观特性,本文针对多数表面张力模型不够稳定快速及未考虑吸附力等问题,提出了基于隐式不可压缩SPH的流体表面张力与吸附力方法。表面张力模型考虑分子聚力和表面区域最小化两种效果,同时为了更好表现表面微观性质加入吸附力作用。为了提升稳定性、效率及表面效果,将两种力模型与隐式不可压缩SPH方法相结合进行实现。实验结果表明,本文方法在多种场景均能较好地呈现流体的表面真实感效果,且兼顾了稳定性和时间效率。2)由于传统颜色场方法构造的表面有凸包不平滑,而采用各向异性核的构造方法计算效率较低。为此,本文提出了一种面向SPH流体的高效各向异性表面构造方法。该方法对各向异性核的构造进行简化,并只使用靠近表面的粒子进行表面构造。实验结果表明,本文方法相对原有各向异性核方法获得了较好的加速比,同时保证了表面的平滑性。3)针对流体与流体交互模拟时靠近界面处密度计算偏差问题,本文利用数量密度公式修正密度的计算,将其应用于推导其他物理量,并由此建立多相流模拟的模型。另外针对多相流表面构造时不同相流体界面存在的缝隙和重叠问题,本文提出了一种面向多相流界面的流体表面构造方法,修正各向异性核函数的计算公式并采用基于"二叉树"的构造策略。实验结果表明,本文方法能够逼真地模拟流体与流体间的交互现象,消除了多相流界面的缝隙和重叠现象。4)为了在统一的粒子框架下处理流固边界问题,本文提出了改进的固体表面采样与松化方法,能够更快速均匀地将固体采样为边界粒子。然后通过流体粒子与边界粒子之间的相互作用来实现流体和固体交互的效果。而为了更高效快速的实现流固耦合,本文将独立时间步长算法与基于粒子的流体与固体交互方法结合,提出了基于独立时间步长的流固耦合算法。实验结果表明,本文方法实现了流体与固体的双向交互,提升了流固耦合的效率,具有良好的真实感效果。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O35

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ZHU Jian;LIU YouQuan;CHANG YuanZhang;WU EnHua;;Animating turbulent water by vortex shedding in PIC/FLIP[J];Science China(Information Sciences);2013年03期

，

本文编号：1293639