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基于物理的高细节流体模拟

作　者: 朱博
导　师: 杨旭波
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 流体动画 颗粒物质动画 表面流模型 BCRE模型 离散单元法(DEM) 光滑流体动力学方法(SPH) 涡粒子 FLIP方法
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着数值计算技术的发展,使用数值模拟方法来制作引人注目的流体特效动画已在电影工业中成为一种趋势。在模拟计算中,小尺度的流体细节尤为重要,比如烟雾中的涡旋或是流沙中的细粒。在本文中,我们提出了两种高效且精确的新方法来捕捉和保持流体中的视觉细节。首先,本文提出了一种新的在三维场景中模拟流动颗粒物质的高效方法。我们的方法以基于物理的方式耦合了二维和三维的模拟技术。我们使用一种新的颗粒物质表面模型-BCRE模型-来把沙堆划分为两层：表面的流动层和其下的静止层。在表面层,我们使用离散单元法(DEM)来捕捉流动细节；在静止层,我们使用高度场方法来提升计算效率。我们用一个由粒子组成的分界面来模拟两层间的物质交换,这种交换基于表面流方程。通过实验显示,我们的方法可以在不损失视觉精度的条件下显著提升标准计算方法(离散单元法)的计算效率其次,本文提出了一种产生和保持运动物体(浸没在SPH流体中)周围的湍流细节的新方法。在我们的方法中,我们给运动物体周围绑定高精度的重叠网格并让此网格随物体运动。物体周围的小尺度湍流的产生是通过在局部区域内求解混合的SPH-FLIP流体形式来进行的。这些小尺度细节随后被携带在经过局部区域的SPH粒子上并且在全局范围内使用一种合成的方法进行保持。我们的方法提供了一种在物理上合理的途径来模拟运动刚体和形变物体周围的湍流细节,并且能够高效的产生复杂气态现象的高精度动画效果。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
目录  8-10
插图目录  10-12
表格目录  12-13
第一章 引言  13-17
  1.1 研究动机  14-15
  1.2 主要研究工作和贡献  15-16
  1.3 全文概要  16-17
第二章 相关工作  17-25
  2.1 流体模拟算法的物理基础  17-18
  2.2 基于网格的模拟方法  18-20
    2.2.1 MAC网格  18-19
    2.2.2 四面体网格  19-20
  2.3 基于粒子的模拟方法  20-23
    2.3.1 SPH方法背景简介  20-21
    2.3.2 SPH和Poin七一based方法  21-23
  2.4 粒子一网格混合模拟方法  23-24
  2.5 流体细节合成方法  24-25
第三章 基于表面流的流沙细节模拟  25-40
  3.1 引言  25
  3.2 相关工作  25-26
  3.3 方法概述  26
  3.4 离散单元法  26-28
  3.5 BCRE模型  28-30
  3.6 2D和3D技术的藕合模拟  30-34
    3.6.1 3D→2D  31-32
    3.6.2 2D→3D  32-34
  3.7 实验结果和讨论  34-39
    3.7.1 实验结果  34-38
    3.7.2 算法局限和未来工作  38-39
  3.8 本章小结  39-40
第四章 基于重叠网格和SPH涡粒子方法的烟细节模拟  40-64
  4.1 引言  40-42
  4.2 相关工作  42-44
  4.3 方法概述  44-45
  4.4 SPH方法模拟全局流场  45-48
    4.4.1 粒子数量密度  45-46
    4.4.2 粒子的Navier-Stokes动量方程  46-47
    4.4.3 粒子的温度和溶质扩散方程  47-48
  4.5 基于移动网格法的涡旋细节捕捉  48-53
    4.5.1 从SPH到FLIP的物理量传递  49-51
    4.5.2 非惯性系下的FLIP流场计算  51-52
    4.5.3 SPH-FLIP混合算法  52-53
  4.6 基于涡粒子的涡旋保持  53-56
    4.6.1 SPH粒子上的涡量演化  53-54
    4.6.2 涡旋保持力  54-55
    4.6.3 基于SPH涡粒子的流体细节生成  55-56
  4.7 实验结果和讨论  56-63
    4.7.1 实验结果  56-61
    4.7.2 算法讨论和未来工作  61-63
  4.8 本章小结  63-64
第五章 BoPhysics物理模拟框架  64-73
  5.1 引言  64
  5.2 BoPhysics界面和交互  64-66
    5.2.1 二维物理场景的人机交互  64-65
    5.2.2 三维物理场景的人机交互  65-66
  5.3 BoPhysics软件结构设计  66-67
  5.4 碰撞检测  67-70
    5.4.1 基本算法  67-68
    5.4.2 DEM碰撞检测  68-69
    5.4.3 SPH碰撞检测  69-70
  5.5 几何网格处理  70-71
  5.6 时间积分  71
  5.7 本章小结  71-73
第六章 全文总结与展望  73-74
参考文献  74-83
攻读硕士学位期间的研究成果  83-84
致谢  84-86

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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