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基于物理模型的烟雾模拟技术的研究

作　者: 孙萌阳
导　师: 巴力登
学　校: 新疆大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 计算流体力学计算机图形学烟雾模拟
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 46次
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内容摘要

在计算机图形学中,从20世纪80年代就开始了对烟雾的模拟,但直到现在,烟雾动画仍然是一个有意义并且具有挑战性的课题。传统的粒子系统和纹理映射等方法难以满足高真实感要求的烟雾动画模拟。因此本文采用基于物理的方法,即从烟雾运动的内在物理特性出发,建立烟雾运动的真实物理模型,然后对此物理模型进行数值求解,得到烟雾运动过程中每一时刻的运动状态参数,并根据此状态参数进行绘制而得到烟雾运动过程中的每一幅画面。本文把不可压缩无粘性的流体流动作为烟雾运动的物理模型,并通过在此物理模型上加入约束力的方法实现对烟雾运动的控制。在对此物理模型的数值求解方法上,在用有限差分法数值求解模型方程时,采用非交错网格离散求解区域,可避免由于采用交错网格而引入的插值运算。另外,还采用了线性半拉格朗日方法、快速线性求解器等各种简化处理和快速求解算法,以减少计算量,提高求解速度。用以上方法模拟烟雾的运动,可以获得较为逼真的烟雾视觉效果和更好的速度性能。在烟雾运动的控制方面,在烟雾运动的物理模型的基础上通过施加吸引力和驱动力的方法来实现烟雾在流动的过程中快速有效的形成人为指定的形状。吸引力的作用是使烟雾流向模型,并阻止模型内的烟雾向外流出。内部驱动力则会驱动模型内的烟雾从高烟雾密度区向低密度区扩散,可使烟雾快速地填充满整个几何模型。实验结果表明该方法提高了烟雾形状的可控性,操作更加方便,并且能实时高效地模拟具有真实感的烟雾动画效果。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-11
  1.1 引言  7-8
  1.2 研究现状  8-9
  1.3 研究意义及课题来源  9-10
  1.4 本文组织结构  10-11
第二章烟雾与计算机动画  11-17
  2.1 烟雾的定义及特征  11-14
  2.2 计算机动画综述  14-17
    2.2.1 计算机动画定义  14-15
    2.2.2 计算机动画分类  15-17
第三章烟雾物理模型的建立  17-31
  3.1 流体及运动物理模型  17-25
    3.1.1 流体的基本性质  17-18
    3.1.2 一般流体的运动物理模型  18-25
  3.2 烟雾的物理模型  25-26
  3.3 烟雾运动的控制方程  26-31
    3.3.1 自由运动外力方程  26-27
    3.3.2 形状控制力方程  27-31
第四章物理模型的求解  31-51
  4.1 NAVIER-STOKES方程与简化模型  31-35
    4.1.1 Navier-Stokes 方程  31
    4.1.2 Navier-Stokes 方程的简化求解  31-35
  4.2 NSE 方程的数值求解方法  35-40
    4.2.1 有限差分法（FDM）  35-40
    4.2.2 有限元法（FEM）  40
    4.2.3 有限体积法（FVM）  40
  4.3 半拉格朗日法(SLM)  40-44
    4.3.1 拉格朗日线性插值  41-42
    4.3.2 算法实现  42-44
  4.4 物理模型方程组的求解  44-49
    4.4.1 物理模型方程组的求解步骤  44-45
    4.4.2 算法的实现  45-49
  4.5 算法结构流程  49-51
第五章烟雾模拟系统的实现  51-59
  5.1 MATLAB 环境下NS 方程的仿真结果  51-56
    5.1.1 NS 方程的数值仿真  51-53
    5.1.2 实验结果与效果图  53-56
  5.2 具体实验效果图  56-59
第六章结论与展望  59-60
  6.1 结论  59
  6.2 展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-65
硕士学位期间发表的论文目录  65

基于物理模型的烟雾模拟技术的研究

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