本文關(guān)鍵詞：基于物理的流場(chǎng)調(diào)制與多相流體模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著生活水平的提高與科技的不斷進(jìn)步,人們對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品中的真實(shí)感與可互動(dòng)性的要求也不斷提高。作為真實(shí)世界的重要組成部分,各種流體現(xiàn)象在虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感方面扮演著極為重要的角色。然而,真實(shí)世界的流體運(yùn)動(dòng)具有極其復(fù)雜的物理機(jī)理,對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和模擬需要較為復(fù)雜的計(jì)算以及較多的計(jì)算資源與時(shí)間。如何利用有限的計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間,盡可能地獲得更具真實(shí)感而且視覺(jué)效果豐富的流體模擬結(jié)果,一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)中的熱點(diǎn)問(wèn)題�；谖锢淼牧黧w模擬能夠允許人們通過(guò)有限的操作,自動(dòng)地產(chǎn)生具有真實(shí)性、交互性的流體運(yùn)動(dòng)效果,因而受到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的廣泛歡迎和重視。本文針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中基于物理的流體模擬難題,從深入理解流體內(nèi)部復(fù)雜的相互作用機(jī)理入手,提出了一系列可適用于圖形學(xué)應(yīng)用的基于物理的流體模擬方法,可運(yùn)用于流體的控制性模擬,擴(kuò)展流體模擬的應(yīng)用范圍,以及提供流體模擬的加速方案。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:1.提出了一種基于流場(chǎng)分解與調(diào)制的流體控制性模擬方法。該方法通過(guò)分解流場(chǎng)并抽取并分析其內(nèi)生多尺度空間頻率分布信息,可以定量地定義“流場(chǎng)樣式”的概念,并以此為基礎(chǔ)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行幅度調(diào)制,可以在流體模擬中控制流場(chǎng)的不同尺度上的外觀(guān)結(jié)構(gòu)特征。這一方法為直接控制流體的外觀(guān)視覺(jué)效果提供了新的有效手段,并給出了流體精度一致性控制問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。2.提出了一種用于多組分混合流體模擬的新方法,并擁有良好普適性與穩(wěn)定性。這一新的多組分流體模擬方法可以模擬廣泛的真實(shí)世界多組分流體現(xiàn)象,包括可互混或不可互混流體間的相互混合、分離,擴(kuò)散效果和化學(xué)反應(yīng)等。該方法能夠作為現(xiàn)有單組分流體模擬器的擴(kuò)展簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn),并做到GPU上的并行運(yùn)算。3.提出了一種快速的粒子方法氣體模擬方案。該方法通過(guò)對(duì)所模擬的可視氣體粒子進(jìn)行密度與受力計(jì)算上的補(bǔ)償,完全節(jié)省了傳統(tǒng)粒子模擬方法中大量背景空氣粒子及其相關(guān)計(jì)算開(kāi)銷(xiāo),可以視場(chǎng)景設(shè)置的不同獲得10-400倍的速度提高。該方法還提供了穩(wěn)定有效的粒子分割-合并手段,提供處理含液-氣相變的復(fù)雜場(chǎng)景的模擬的實(shí)用解決方案。
【關(guān)鍵詞】：物理模擬 流場(chǎng)分解 多組分流體模擬 控制性模擬 模擬加速
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP391.41;O359
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 序言8-16
• 1.1 論文背景與意義8-14
• 1.1.1 基于流場(chǎng)分解與調(diào)制的流體控制性模擬9-11
• 1.1.2 多組分混合流體模擬11-12
• 1.1.3 快速粒子方法氣體模擬12-14
• 1.2 研究?jī)?nèi)容與主要貢獻(xiàn)14-15
• 1.3 本文的組織結(jié)構(gòu)15-16
• 第2章 基于流場(chǎng)分解與調(diào)制的流體控制性模擬16-44
• 2.1 引言16-17
• 2.2 相關(guān)工作17-19
• 2.3 希爾伯特-黃轉(zhuǎn)換與流場(chǎng)分解19-26
• 2.3.1 流場(chǎng)調(diào)制介紹19-21
• 2.3.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解21-22
• 2.3.3 希爾伯特變換22-23
• 2.3.4 三維希爾伯特-黃變換23-26
• 2.4 基于流場(chǎng)樣式信息的流場(chǎng)調(diào)制26-35
• 2.4.1 流場(chǎng)樣式27-29
• 2.4.2 流場(chǎng)樣式調(diào)制29-30
• 2.4.3 直接IMF調(diào)制30
• 2.4.4 流體外觀(guān)一致性控制30-31
• 2.4.5 算法流程框架31-32
• 2.4.6 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)32-33
• 2.4.7 針對(duì)流場(chǎng)的調(diào)制效果33-35
• 2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與比較35-42
• 2.5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果35-41
• 2.5.2 與其他分解方法的實(shí)驗(yàn)比較41-42
• 2.6 本章小結(jié)與相關(guān)討論42-44
• 第3章 多組分混合流體模擬44-68
• 3.1 引言44-45
• 3.2 相關(guān)工作45-47
• 3.3 多組分流體的混合流模型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論51-54
• 3.5 多組分流體模擬器的實(shí)現(xiàn)54-58
• 3.5.1 體積組分修正54-55
• 3.5.2 化學(xué)反應(yīng)55-56
• 3.5.3 可互混與不可互混流體間的混合、分離過(guò)程56
• 3.5.4 算法實(shí)現(xiàn)框架56-57
• 3.5.5 時(shí)間步設(shè)置57-58
• 3.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果58-65
• 3.6.1 性能分析58-60
• 3.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果60-65
• 3.7 本章小結(jié)與相關(guān)討論65-68
• 第4章 快速粒子方法氣體模擬68-87
• 4.1 引言68-69
• 4.2 相關(guān)工作69-70
• 4.3 基于SPH的快速粒子方法氣體模擬70-76
• 4.3.1 氣體密度修正71-74
• 4.3.2 粒子受力補(bǔ)償74-75
• 4.3.3 浮力與邊界的處理75-76
• 4.4 處理液體與氣體間的相變76-79
• 4.4.1 在相變中保持模擬精度不變76-77
• 4.4.2 沸騰與蒸發(fā)現(xiàn)象的處理77-79
• 4.5 算法實(shí)現(xiàn)79-81
• 4.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證81-86
• 4.7 本章小結(jié)86-87
• 第5章 總結(jié)與展望87-90
• 5.1 工作總結(jié)87-88
• 5.2 未來(lái)工作的展望88-90
• 參考文獻(xiàn)90-97
• 致謝97-99
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果99-100

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