弱可压缩流体边界处理算法

针对流体与固体边界的交互模拟问题,提出一种基于弱可压缩光滑粒子流体动力学(SPH)的边界处理算法.首先,引入一种新的体积权重函数,解决固体边界非均匀采样区域流体密度的计算误差问题;然后,提出一种新的边界力计算模型,避免校正流体粒子位置信息,保证固体边界不可穿透;最后,提出一种改进的流体压力计算模型,保证流体的弱可压缩性.实验结果表明,所提算法可以有效地解决基于位置校正的边界处理方法在模拟弱可压缩流体与非均匀采样固体边界交互时存在的稳定性问题,且仅需边界粒子的位置信息,在节约内存的同时避免了位置校正所带来的额外计算开销.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

面向SPH流体的高效各向异性表面重构算法

为了在流体模拟中构造更加平整光滑的表面以及提升重构的效率,本文面向基于粒子的流体模拟,提出一种高效的表面重构方法.首先对传统各向异性核函数的构造进行简化;然后根据对粒子特征向量的分析对粒子进行分类,即分为近表面粒子和内部粒子;最后在表面重构计算时将近表面粒子参与计算,而内部粒子则根据邻居粒子数量直接对颜色场进行赋值.实验结果表明,本文方法保证了重构流体表面的平滑性和几何特征;相对于已有方法,该方法简单易实现,且较大地提升了运算效率.     

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。     

具有表面张力的流体与运动固体耦合仿真方法

为了提高固液耦合的真实性,提出一种基于物质点法的具有表面张力的流体与运动固体的交互方法.首先使用物质点法仿真框架进行流体仿真,在构建水平集隐式表面并重采样流体表面粒子之后使用连续表面力模型进行流体表面张力的计算;然后通过网格标记定位流体的自由表面与固液接触面,使表面张力计算更加准确;最后使用不同的背景网格分别存储流体和固体的速度场,使用冲量进行碰撞计算,以解决物质点法固液耦合时固有的黏附现象.实验结果表明,所提方法能够更真实地表现流体与运动固体耦合时的细节.     

可压缩SIMPLE算法中密度的处理方法

在可压缩流的计算中,针对准确有效地得到激波间断解一直是研究中的难点.由于密度对激波的分辨率具有重要影响,当用有限体积法在同位网格上采用离散Navier-Stokes方程时,为了保证稳定性,对流质量通量的计算中密度运用一阶迎风(FUD)格式进行捅值,结果难以得到高分辨率的激波间断解.为了提高激波分辨率,改善计算精度,提出了对流性项中界面密度的计算方法,采用流质量通量与压力修正值方程源项里质量通量计算中界面密度的插值方法统一起来,都采用具有高分辨率格式.通过跨音速和超音速团弧凸包两个算例的仿真,结果表明,方法有效地克服了FUD格式过扩散性的缺陷,又保持了FUD格式良好的稳定性,显著提高了激波分辨率,因而是一种能够改善计算精度的有效方法.     

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.     

A Nested FGMRES Method for Parallel Calculation of Nuclear Reactor Transients

A semi-iterative method based on a nested application of Flexible Generalized Minimum Residual)FGMRES) was developed to solve the linear systems resulting from the application of the discretized two-phase hydrodynamics equations to nuclear reactor transient problems. The complex three-dimensional reactor problem is decomposed into simpler, more manageable problems which are then recombined sequentially by GMRES algorithms. Mathematically, the method consists of using an inner level GMRES to solve the preconditioner equation for an outer level GMRES. Applications were performed on practical, three-dimensional models of operating Pressurized Water Reactors (PWR). Serial and parallel applications were performed for a reactor model with two different details in the core representation. When appropriately tight convergence was enforced at each GMRES level, the results of the semi-iterative solver were in agreement with existing direct solution methods. For the larger model tested, the serial performance of GMRES was about a factor of 3 better than the direct solver and the parallel speedups were about 4 using 13 processors of the INTEL Paragon. Thus, for the larger problem over an order of magnitude reduction in the execution time was achieved indicating that the use of semi-iterative solvers and parallel computing can considerably reduce the computational load for practical PWR transient calculations.     

二维宏观拟颗粒并行模拟程序通信性能优化策略

随着粒子模拟并行计算在相关领域应用的不断深入和并行节点计算能力的不断增强,粒子模拟并行程序中通信耗时对整体性能的影响越来越显著,甚至成为主要性能瓶颈.本文在分析影响并行程序通信性能多种因素的基础上,从进程划分方式选择、通信协议优化的角度,对1个典型粒子模拟并行程序——二维宏观拟颗粒并行模拟程序在千兆以太网环境下的通信性能的优化策略进行了测试研究,通过改进并行进程划分方式,采用用户级通信协议等方法,使测试程序通信性能获得明显提高,进而提出了粒子模拟并行程序通信性能优化的思路和建议.