基于物理的流场调制与多相流体模拟

发布时间：2017-03-20 22:06

  本文关键词：基于物理的流场调制与多相流体模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着生活水平的提高与科技的不断进步,人们对数字化产品中的真实感与可互动性的要求也不断提高。作为真实世界的重要组成部分,各种流体现象在虚拟场景的真实感方面扮演着极为重要的角色。然而,真实世界的流体运动具有极其复杂的物理机理,对其进行计算和模拟需要较为复杂的计算以及较多的计算资源与时间。如何利用有限的计算资源和计算时间,尽可能地获得更具真实感而且视觉效果丰富的流体模拟结果,一直是计算机图形学和计算机动画中的热点问题。基于物理的流体模拟能够允许人们通过有限的操作,自动地产生具有真实性、交互性的流体运动效果,因而受到计算机图形学领域的广泛欢迎和重视。本文针对计算机图形学中基于物理的流体模拟难题,从深入理解流体内部复杂的相互作用机理入手,提出了一系列可适用于图形学应用的基于物理的流体模拟方法,可运用于流体的控制性模拟,扩展流体模拟的应用范围,以及提供流体模拟的加速方案。主要创新点包括:1.提出了一种基于流场分解与调制的流体控制性模拟方法。该方法通过分解流场并抽取并分析其内生多尺度空间频率分布信息,可以定量地定义“流场样式”的概念,并以此为基础对流场进行幅度调制,可以在流体模拟中控制流场的不同尺度上的外观结构特征。这一方法为直接控制流体的外观视觉效果提供了新的有效手段,并给出了流体精度一致性控制问题的一个简单的解决方案。2.提出了一种用于多组分混合流体模拟的新方法,并拥有良好普适性与稳定性。这一新的多组分流体模拟方法可以模拟广泛的真实世界多组分流体现象,包括可互混或不可互混流体间的相互混合、分离,扩散效果和化学反应等。该方法能够作为现有单组分流体模拟器的扩展简单地实现,并做到GPU上的并行运算。3.提出了一种快速的粒子方法气体模拟方案。该方法通过对所模拟的可视气体粒子进行密度与受力计算上的补偿,完全节省了传统粒子模拟方法中大量背景空气粒子及其相关计算开销,可以视场景设置的不同获得10-400倍的速度提高。该方法还提供了稳定有效的粒子分割-合并手段,提供处理含液-气相变的复杂场景的模拟的实用解决方案。
【关键词】：物理模拟 流场分解 多组分流体模拟 控制性模拟 模拟加速
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41;O359
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 序言8-16
• 1.1 论文背景与意义8-14
• 1.1.1 基于流场分解与调制的流体控制性模拟9-11
• 1.1.2 多组分混合流体模拟11-12
• 1.1.3 快速粒子方法气体模拟12-14
• 1.2 研究内容与主要贡献14-15
• 1.3 本文的组织结构15-16
• 第2章 基于流场分解与调制的流体控制性模拟16-44
• 2.1 引言16-17
• 2.2 相关工作17-19
• 2.3 希尔伯特-黄转换与流场分解19-26
• 2.3.1 流场调制介绍19-21
• 2.3.2 经验模态分解21-22
• 2.3.3 希尔伯特变换22-23
• 2.3.4 三维希尔伯特-黄变换23-26
• 2.4 基于流场样式信息的流场调制26-35
• 2.4.1 流场样式27-29
• 2.4.2 流场样式调制29-30
• 2.4.3 直接IMF调制30
• 2.4.4 流体外观一致性控制30-31
• 2.4.5 算法流程框架31-32
• 2.4.6 实现细节32-33
• 2.4.7 针对流场的调制效果33-35
• 2.5 实验结果与比较35-42
• 2.5.1 实验结果35-41
• 2.5.2 与其他分解方法的实验比较41-42
• 2.6 本章小结与相关讨论42-44
• 第3章 多组分混合流体模拟44-68
• 3.1 引言44-45
• 3.2 相关工作45-47
• 3.3 多组分流体的混合流模型47-51
• 3.3.1 基本方程48-49
• 3.3.2 偏移速度49-51
• 3.4 在SPH框架下采用混合流模型理论51-54
• 3.5 多组分流体模拟器的实现54-58
• 3.5.1 体积组分修正54-55
• 3.5.2 化学反应55-56
• 3.5.3 可互混与不可互混流体间的混合、分离过程56
• 3.5.4 算法实现框架56-57
• 3.5.5 时间步设置57-58
• 3.6 实验验证与结果58-65
• 3.6.1 性能分析58-60
• 3.6.2 实验结果60-65
• 3.7 本章小结与相关讨论65-68
• 第4章 快速粒子方法气体模拟68-87
• 4.1 引言68-69
• 4.2 相关工作69-70
• 4.3 基于SPH的快速粒子方法气体模拟70-76
• 4.3.1 气体密度修正71-74
• 4.3.2 粒子受力补偿74-75
• 4.3.3 浮力与边界的处理75-76
• 4.4 处理液体与气体间的相变76-79
• 4.4.1 在相变中保持模拟精度不变76-77
• 4.4.2 沸腾与蒸发现象的处理77-79
• 4.5 算法实现79-81
• 4.6 实验验证81-86
• 4.7 本章小结86-87
• 第5章 总结与展望87-90
• 5.1 工作总结87-88
• 5.2 未来工作的展望88-90
• 参考文献90-97
• 致谢97-99
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果99-100

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