本文關(guān)鍵詞：不可壓縮SPH流體的表面特性建模及交互現(xiàn)象模擬

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【摘要】：近年來流體動畫已被廣泛應(yīng)用于三維影視及游戲特效,虛擬現(xiàn)實(shí),可視化,軍事仿真等諸多領(lǐng)域。如今人們開始追求更高真實(shí)感、更復(fù)雜現(xiàn)象、實(shí)時(shí)可交互的流體模擬效果,這給計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及動畫領(lǐng)域帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對高分辨率,大計(jì)算量和實(shí)時(shí)模擬等要求,傳統(tǒng)的動畫技術(shù)已不能滿足需求,基于物理的流體模擬技術(shù)成為最主要的手段。而基于光滑粒子流體動力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法的流體模擬作為其中一個(gè)十分熱點(diǎn)的研究方向,具有質(zhì)量守恒,適合極大變形場景,易于處理自由表面,固體邊界以及捕捉水花、泡沫等優(yōu)點(diǎn),在最近十幾年吸引了許多研究者的關(guān)注。本文針對不可壓縮流體的表面微觀特性,表面構(gòu)造,多相流,流固耦合等問題,將納維-斯托克斯方程組(Navier-Stokes,N-S)作為流體運(yùn)動的基本模型,基于SPH方法進(jìn)行數(shù)值求解,主要研究以下四方面內(nèi)容:流體的表面張力與吸附力特性;流體的表面構(gòu)造;流體與流體的交互;流體與固體的交互。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1)為了更穩(wěn)定真實(shí)地表現(xiàn)流體的表面微觀特性,本文針對多數(shù)表面張力模型不夠穩(wěn)定快速及未考慮吸附力等問題,提出了基于隱式不可壓縮SPH的流體表面張力與吸附力方法。表面張力模型考慮分子聚力和表面區(qū)域最小化兩種效果,同時(shí)為了更好表現(xiàn)表面微觀性質(zhì)加入吸附力作用。為了提升穩(wěn)定性、效率及表面效果,將兩種力模型與隱式不可壓縮SPH方法相結(jié)合進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法在多種場景均能較好地呈現(xiàn)流體的表面真實(shí)感效果,且兼顧了穩(wěn)定性和時(shí)間效率。2)由于傳統(tǒng)顏色場方法構(gòu)造的表面有凸包不平滑,而采用各向異性核的構(gòu)造方法計(jì)算效率較低。為此,本文提出了一種面向SPH流體的高效各向異性表面構(gòu)造方法。該方法對各向異性核的構(gòu)造進(jìn)行簡化,并只使用靠近表面的粒子進(jìn)行表面構(gòu)造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法相對原有各向異性核方法獲得了較好的加速比,同時(shí)保證了表面的平滑性。3)針對流體與流體交互模擬時(shí)靠近界面處密度計(jì)算偏差問題,本文利用數(shù)量密度公式修正密度的計(jì)算,將其應(yīng)用于推導(dǎo)其他物理量,并由此建立多相流模擬的模型。另外針對多相流表面構(gòu)造時(shí)不同相流體界面存在的縫隙和重疊問題,本文提出了一種面向多相流界面的流體表面構(gòu)造方法,修正各向異性核函數(shù)的計(jì)算公式并采用基于"二叉樹"的構(gòu)造策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法能夠逼真地模擬流體與流體間的交互現(xiàn)象,消除了多相流界面的縫隙和重疊現(xiàn)象。4)為了在統(tǒng)一的粒子框架下處理流固邊界問題,本文提出了改進(jìn)的固體表面采樣與松化方法,能夠更快速均勻地將固體采樣為邊界粒子。然后通過流體粒子與邊界粒子之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)流體和固體交互的效果。而為了更高效快速的實(shí)現(xiàn)流固耦合,本文將獨(dú)立時(shí)間步長算法與基于粒子的流體與固體交互方法結(jié)合,提出了基于獨(dú)立時(shí)間步長的流固耦合算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法實(shí)現(xiàn)了流體與固體的雙向交互,提升了流固耦合的效率,具有良好的真實(shí)感效果。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O35

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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

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本文編號：1293639