固体入水的边界压力处理及表面粒子位置的修正

基于传统光滑粒子流体动力学(SPH)方法的边界力法、虚粒子法或耦合力法处理固体入水时,流 体与固体交互界面的粒子密度不连续、压力不稳定、固体边界处会发生部分流体粒子穿透或分离等现象,而流 体表面因为受到力的作用,表面破碎后,液面较粗糙。针对上述问题,结合边界力和虚粒子的优点,对耦合力 法进行改进,处理运动固体边界,阻止流体粒子穿透固体边界;改进交互界面的压力计算方法,提高计算精度, 稳定交互界面压力场;对流体表面的粒子位置进行校正,提升流体表面自由流动液面边界的模拟效果。通过经 典的二维固体入水实验,对该方法进行了验证,实验结果表明,本文方法在流体粒子与固体粒子交互后,交互 界面压力稳定,界面分离清晰无穿透,表面流体粒子分布均匀,流场的运动真实自然。     

SPH 流固耦合模拟自适应采样固壁虚粒子边界处理方法

固壁虚粒子边界处理方法是流体模拟中一种主要边界处理方法,但其不能确保流 体粒子不穿透固体边界,并且计算量较大。为防止流体粒子穿透边界,在边界附近设置一个阻 尼区,阻尼区内的流体粒子被边界施加一个弹性力和一个和流体粒子运动速度方向相反的阻尼 力,使得边界附近流体粒子更加稳定。为减少计算量,提出两种边界粒子自适应采样法：一种 是依据边界周围粒子数目的不同,边界粒子自适应地采样质量不同的大小粒子;另一种是依据 边界周围粒子数目的不同,边界粒子自适应的采样不同层数的相同质量粒子。与传统的固体边 界粒子采样方法相比,该方法减少了边界粒子数目,加快了模拟速度,节省了计算机内存,基 于GPU 加速技术实现的三维流体模拟,能够进行实时交互。     

基于IIF 模型的流体表面张力模拟

基于光滑粒子动力学(SPH)方法模拟流体时流体表面张力的作用在固液、气液交界 处不可忽视,其影响模拟的准确性和视觉真实感。目前已有的表面张力模型如连续表面力(CSF) 模型、粒子间相互作用力(IIF)模型都存在各自的缺陷。针对IIF 模型模拟表面张力时所产生的 粒子非物理聚集、流体表面形状不规则等现象,采用基于类Lennard-Jones 势函数的分子间聚斥 力对表面张力建模,并定义了基于法向差的SPH 张力修正项以解决IIF 模型不能保证流体表面 面积最小化问题。实验结果表明,该方法能够稳定和正确地模拟两相交界处的表面张力的效果。     

微可压缩SPH流体的稳定性固体边界处理算法

固流耦合,即流体的固体边界处理一直是基于物理的流体模拟技术的研究重点.为解决SPH流体模拟中固流耦合存在的交界面处流体粒子衰减和穿透问题,提出一种固体采样边界粒子与动量守恒保持的位置-速度修正方案相结合的固流耦合方法.首先在预处理阶段对快速格子形状匹配(fast lattice shape matching,FLSM)模型表示的固体边界进行表面和内部边界粒子采样;然后在运行过程中计算流体粒子密度和受力时考虑边界固体粒子的相对贡献;最后利用动量守恒保持的位置-速度修正方案对流体粒子进行位置和速度的修正.为了提高计算速度以满足交互式应用需求,把每个迭代步长内的计算完全并行化后加载到GPU上进行加速处理.实验结果表明,该算法实现了微可压缩SPH流体与刚体以及弹性体的双向耦合,并可以高效、稳定地模拟固流耦合中的非穿透、液滴飞溅、溶解等复杂现象.     

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。     

磁性液体-硅油两层流动界面的数学模拟

采用二维笛卡儿坐标系,数值求解了磁性液体和非磁性液体体系的连续性方程、双动量方程、运动方程以及磁势方程,模拟了磁性液体-硅油的两层流动。其中自由边界采用PLIC VOF方法跟踪．表面张力采用CSF方法模拟。通过对方程的数值求解,研究了外加磁场强度、进口速度分布、初始表面扰动对界面形状和界面张力的影响。     

一种基于SPH流体模拟的固液边界改进算法

光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种无网格的流体模拟方法,固液边界处理是SPH法模拟流体行为的重点和难点。本文提出一种单层加密粒子法进行固液边界处理。与虚拟粒子法将边界假设为静止的流体粒子不同,本文将边界假设为具有一定密度的固体粒子,依靠物理约束进行流体计算。这种方法能够有效降低模拟中穿越边界的粒子数量,使得流体边界处的模拟更加符合真实情况。本文采用仿真流体数据对提出的算法进行验证,并对其有效性进行分析讨论。     

物质点法流固交互表面细节优化算法

为了增强现有物质点法流固交互中表面细节,同时改进大量固体粒子对其表面重建没有贡献的问题,提出一种高效的流固交互自适应物质点法.首先使用一种接触面离散积分点方法解决物质点法中出现的数值黏性伪影问题,实现流固移动接触面上粒子的自由滑动;然后引入自适应广义插值方法,在流体和固体的不同区域自适应地调整网格分辨率,增强表面细节;最后采用窄带仿射粒子网格方法,通过粒子重采样减少固体内部粒子数量,从而在节省内存空间的同时减少计算量.利用斯坦福开源模型进行多组消融实验,结果表明,与均匀背景网格物质点法相比,所提方法流固交互表面细节更丰富,消融实验场景下整体粒子数减少80%,平均模拟效率提高50%.     

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。     

面向非牛顿流体仿真的边界处理方法

针对现有的光滑粒子流体动力学(SPH)非牛顿流体仿真方法的边界条件不合理问题,提出一种适用于非牛顿流体仿真的边界处理方法.首先使用Cross模型实现牛顿流体和非牛顿流体的统一建模;然后通过对固体边界粒子进行加权计算,为边界处的流体粒子设定边界力的法向量;最后采用Coulomb摩擦力边界条件对边界处流体粒子的速度进行迭代更新,并将其融合到预测-校正算法框架中.实验结果表明,文中方法能够根据用户的需要调节流固边界处的摩擦系数;与自由滑移边界下的仿真相比,该方法下非牛顿流体黏度随速度的降低而增大,并表现出固体形态的物理特性.     

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SPH 的雨滴打击不规则边界的模拟方法

为实现对雨滴打击树枝等不规则边界过程的模拟,研究了流体粒子在网格表示的 固体边界处的受力情况,提出了一种不需要粒子采样的边界受力模拟方法。采用高斯积分法则 对网格模型的三角面片进行积分,并就此对固液边界的粒子的密度进行修正,以积分的方法对 固体边界处的压力、粘性力等参数进行计算,从而保证边界粒子受力的连续性。同时,还提出 了一种吸引力模型,用来控制粒子在沿着物体表面滑落时的运动。实验结果表明,该方法在模 拟水滴铺展、收缩、沿着边界流动等现象时达到了较为真实的效果。     

基于GPU的无网格流体实时渲染

提出基于平滑粒子流体力学的自由界面流体模拟方法,采用了范德瓦尔斯方程与粒子间短距离排斥力和长距离吸引力作用的表面张力,设计出基于GPU的粒子泼溅算法。渲染算法完全消除了时间离散假象,具有交互式的高质量渲染效果。与传统拉格朗日算法相比,该方法具有简化的表面张力模型,快速的渲染方式,减小了运算的复杂性,有效提高了系统的运行速度。     

Three-dimensional free surface simulation

A 3D boundary element method with linear triangular element has been developed for the simulation of the free surface subjected to the surface tension force. A liquid droplet and a liquid jet are chosen to be the studying cases for the free surface simulation. The codes include 3D Laplace's solver, grid generation, and free surface module for the calculation of surface normal vector, surface curvature, and tangential velocity. Distortion of a droplet has shown the corresponding mode oscillation by specifying a given order of Legendre function for the initial velocity potential. And, the comparison of computational results and the predicted values from the dispersion equation, which serves as the analytical solution for the growth rate, for the temporal instability analysis on a liquid jet shows a very good agreement. This has shown that the proposed model is capable of the complex 3D liquid jet simulation.     

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。