基于SPH的三维流体模拟

流体模拟是计算机图形学和虚拟现实技术的一个研究热点和难点,针对目前的流体模拟真实感不够强,不能描述流体表面破碎的缺陷,根据流体的物理模型,采用基于光滑粒子动力学（SPH）的方法实现了三维流体的模拟。算法的核心思想就是将流体视为一系列“粒子”的集合,粒子的物理量及其空间导数是通过搜索光滑半径内与其相互作用的粒子的物理量进行插值得到。此举可以简化拉氏流体力学偏微分方程组求解过程。与传统的流体模拟方法相比,采用SPH算法所得到的模拟结果不仅可以比较真实地模拟流体流动的效果,而且还能实现流体表面的剧烈变形,甚至表面破碎（如浪花飞溅效果）。试验结果表明采用的算法在流体自由表面描述的逼真度上具有十分明显的优势。     

非均匀粒子流体模拟

基于物理模型的流体模拟能精确描述流体的运动,但计算量大、实时性较差。根据流体的物理模型,提出了一种基于光滑粒子动力学(SPH)的非均匀粒子模拟流体的方法。提出了一种多因素决定粒子精细度的方法,显著减少了实际模拟需要的流体粒子数目,提高了模拟的速度而又不降低模拟真实感。流体的表面重构采用了一种新的基于屏幕空间的高真实感、高速的重构算法。实验结果表明,与传统的SPH方法相比,该方法在模拟同样场景情况下能大幅降低需要的粒子数目,提升了算法的效率。     

基于光滑粒子方法的水流数值模拟

近年来基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法的流体模拟成为计算流体力学领域的一个研究热点,由于该方法计算空间导数时不需要使用网格,从而避免了高维拉氏差分网格法中的网格缠结和扭曲,在处理冲击和大变形同题方面具有优越性.对液滴坠人装有液体的方形容器这一具有挑战性水流现象进行了模拟.模捌结果表明,该方法能够模拟液滴与液面碰撞、破碎、融合等水流现象,也能表现出水流飞溅、卷曲等复杂的自由表面特征.     

改进流体体积法及重建光滑三维液面

通过改进流体体积法(VOF)方程求解部分，提高了离散模型中表面单元和液体内部对流的精度，从而在整体上减小了对流产生的体积误差；为逼真地展现具有复杂表面的运动液体场景，提出一种基于几何搜索的表面重建方法——种子一绕空方法．该方法可以将VOF方法生成的带缝隙表面用C^0连接的三角面片集表示，以获得光滑连续的液面表示，最后通过实例实现了较低密度网格下光滑地表现复杂液面。     

改进的流体模拟固体边界处理算法

流体模拟是计算机图形学的一个重要研究分支,流体的固体边界处理一直是流体 模拟的研究重点,光滑粒子流体动力学(SPH)方法中的镜像粒子法是处理固体边界的一个重要方 法。镜像粒子法通过靠近边界的流体粒子在边界外动态生成对应的镜像粒子来处理固体边界问 题,但随着边界复杂程度的提高,传统的镜像粒子法生成镜像粒子的复杂度也随之提高,模拟 效率随之降低。为此,文章对镜像粒子法进行改进,提出一种新的镜像粒子场量求值方法,有 效地降低了复杂边界情况下生成镜像粒子的复杂度,且使靠近边界的流体粒子场量更加均匀。 仿真实验结果表明,随着流体模拟粒子数的增加以及边界复杂程度的提高,该方法比传统镜像 粒子法效率高的优势也更加明显。     

光滑粒子流体动力学流体仿真技术综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)是实现流体仿真的主要技术之一.随着生产实践中流体仿真应用需求的增加,近些年涌现了许多相关研究成果,改善了流体不可压缩性、粘性、表面张力等物理特性模拟的视觉真实性、效率与稳定性.同时,一些工作探讨了复杂场景的高质量模拟,以及多场景、多材料的统一仿真框架,增强了SPH流体仿真技术的应用效能.从以上几个方面对SPH流体仿真技术进行归纳、总结和讨论,并对其未来发展进行了展望.     

基于Smoothed Particle Hydrodynamics方法的实时流体模拟

提出基于物理的、实时的技术模拟水体,根据Smoothed Particle Hydrodynamics方法求解流体动力学的Navier-Stokes方程,并运用Marching Cubes体绘制算法重建流体表面.实验表明基于粒子的方法能模拟流体所特有的飞溅、漩涡等现象,Marching Cubes在表面重建的高效性使模拟达到实时、交互的应用.     

基于位置的流体实时交互仿真

针对基于光滑粒子动力学方法的流体交互仿真过程中效率低,交互细节不够真实等问题,提出了采用基于位置的流体来模拟刚体工具与流体的交互方法. 该方法在传统的光滑粒子动力学算法的基础上进行改进,以基于CUDA并行计算平台实时模拟交互过程,并结合力觉交互设备实时输出交互力. 实验结果表明仿真过程中的交互力符合预期,在保证流体模拟的精度的前提下验证了交互力的连续性以及稳定性.     

一种新的有效模拟不可压缩流体的SPH方法

提出了一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)来模拟不可压缩流体的有效方法.传统的SPH方法是针对可压缩流体设计的,而该方法是传统SPH方法的一个扩展.提出了一种新的可以满足不可压缩性的压强计算方法,讨论了压力和粘性力的新型计算方法.实验结果表明,提出的方法与以前的方法相比,能够更真实地模拟不可压缩流体.     

一种SPH 流体仿真边界校正方法

使用光滑粒子流体动力学方法进行流体仿真,并提出一种边界校正方法。使用快速 泊松盘采样算法对容器边界进行采样,生成边界粒子,对边界粒子质量进行差值估算,计算边界 粒子对流体粒子的作用力,以此来仿真流体与边界的相互作用。该方法可避免穿刺、滞留等现象 的发生。通过实验验证了该算法的正确性。     

一种基于SPH方法的人员疏散混合模型及模拟

为减少室内火灾环境下人员伤亡,研究了人员疏散计算机模拟问题.将人员运动视为一种流体运动,利用流体力学原理,构建一种新的人员疏散混合模型,并在其中引入了一种从众模式.同时,采用光滑粒子流体动力学方法对模型离散化,从而减少了计算量.不同工况下进行的疏散模拟实验表明,所提出的模型及算法能够较准确地模拟出实际疏散的现象.     

一种基于自适应光滑长度的SPH液体模拟方法

传统SPH流体模拟方法通常使用固定的粒子光滑长度进行插值计算,在某些情况下会导致较大的插值误差。为提升模拟精度,建立了粒子光滑长度与邻居粒子密度调和平均数间的关系,自适应调整粒子的光滑长度,并设计和定义了相应的邻居搜索方案和核函数以解决受力不对称的问题。经实验验证,粒子邻居数方差有效降低,解决了传统SPH支持域固定导致的粒子插值误差过大的问题,使仿真结果更接近物理事实。同时由于物理计算精度的提高,模拟稳定性得到增强,可使用更大的时间步长,有效提升了模拟速度。最终,相比其他方法在视觉质量和模拟速度上均具有一定优势。     

基于粒子分解的SPH并行算法研究与应用

作为一种典型的拉格朗日型无网格数值方法,光滑粒子流体动力学(SPH)方法在模拟自由表面流问题时具有天然优势。但是,该方法计算量大、耗时长,为此提出了一种基于粒子分解的SPH并行算法。该算法将所有粒子平均分配到各个进程进行计算,每个时间步通信仅调用一次发送、接收和广播函数,因此易于实现且可扩展性较好。应用该并行算法对二维溃坝流和三维液滴冲击液膜问题进行数值模拟,结果表明：该并行算法能显著减少模拟所消耗的计算时间,有利于进行三维大规模计算问题的数值模拟;当粒子数大于百万时,最大加速比可达30以上。     

基于粒子系统的流体交互应用*

为模拟水流的真实交互行为,采用基于光滑粒子流体动力学方法的粒子系统进行水流的物理仿真。给出利用八叉树建立有序树并进行最近相邻粒子搜索的方法,采用两种虚粒子结合的方法处理边界条件。在三维虚拟场景中模拟了水流与障碍物交互的过程,证明了该方法的实时性和可行性。     

基于SPH方法的弹性体贮箱内液体晃动特性分析

采用Abaqus中的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)求解器分析贮箱液体晃动.通过理论解验证SPH算法分析液体晃动的可行性;考察贮箱模型分别为弹性体和刚体时的压力变化,可知刚体贮箱的峰值压力比弹性体的大且其峰值出现更早;考虑贮箱为弹性体,研究在各因素下充液贮箱的晃动特性,包括充液量、晃动转角、液体材料属性和周期等.当贮箱充液量为2/3左右时,贮箱受液体晃动影响最明显;随着晃动转角的增大或周期减小,贮箱结构变形显著增大;液体材料属性对贮箱的影响有限.     

SPH固流交互中的实时固体破碎动画模拟

目的 针对固流交互中的固体破碎现象模拟研究较少、物理模型复杂、多求解器耦合性差、真实感与实时性难以兼顾等问题,提出一种适用于光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）固流交互统一粒子框架的实时固体破碎模拟方法。方法 首先,结合断裂力学理论与统一粒子框架下固体边界粒子的空间和物理特性,构建基于物理的能量分析模型。然后,通过实时分析固体与流体之间的能量转化和自身能量平衡,将满足条件的粒子作为破碎发生的启发点。最后,采用基于几何的碎块生成方法,将启发点集作为种子点构建Voronoi图,完成碎块的生成。为确保模拟系统实时性,将模拟系统进行并行优化并加载至图形处理器（graphics processing unit,GPU）并行执行。结果 通过在不同复杂度和粒子规模的实验场景中进行模拟得到的结果表明,本文方法能够稳定地模拟固体受到流体冲击后发生的破碎现象,破碎细节真实感良好,在百万级粒子规模下能够满足实时性要求,可大规模并行执行且GPU加速效果显著,加速收益随场景规模增大而增大。结论 与现有研究相比,本文方法充分结合物理与几何方法的优点,与SPH统一粒子框架具有更高的耦合性,能够稳定地模拟固流交互中的固体破碎现象,细节符合现实世界物理规律,真实感渲染效果良好,可应用于洪涝、海啸、溃坝和泥石流等自然灾害的交互式预演、电子游戏特效等领域。     

流-固交互及可变形体破裂的真实感模拟

为了模拟流体与动态环境的相互作用,提出一种流-固交互及可变形体破裂的真实感建模与绘制的算法.该算法使用光滑粒子流体动力学(SPH)与有限单元法(FEM)分别对流体与变形固体进行建模;再根据流-固交互作用的特点,给出一种快速分离液体表面粒子与固体表面网格的交互方法,并采用虚节点的流-固耦合模型模拟了液-固相互作用力.文中算法可用于多个流-固交互破裂的现象,如水管崩裂、水冲堤坝等.