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。     

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。     

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。     

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.     

基于SPH的泥石流可视化仿真研究

泥石流是常见的危害性较大的地质灾害,发生时相关影像往往缺失。为了分析再现流体现象,提出进行可视化再现灾害过程,具有较强的现实意义。对泥石流的形态与动力学规律进行分析,使用改进的基于SPH的粒子系统方法设计出泥石流可视化仿真的方案,可将泥石流中的流体与刚体都简化为SPH方法中的微团粒子,通过对微团粒子间在光滑半径内的相互作用来得到流体与刚体的位置,最终得到了较好的泥石流可视化仿真结果,从而证明了SPH改进算法对可视化仿真泥石流是有效的。     

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。     

基于SPH方法的流体粒子与软体碰撞检测

针对虚拟手术系统中流血粒子与软组织器官碰撞检测的问题进行了研究.虚拟手术中流血与软体器官组织进行碰撞检测不同于传统的刚体或者软体之间的碰撞检测,流血模型的拓扑结构变化较大,传统方法通过更新拓扑结构来进行碰撞检测的方法不能够保证碰撞检测的实时性和准确性.提出一种基于空间划分的流血粒子与软体碰撞检测算法,能够处理基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟的流体与任意动力学模型模拟的软体之间的碰撞检测.同时,提出了对SPH算法进行最近相邻粒子搜索过程中建立起的均匀空间网格进行重复利用,使空间网格用于碰撞检测的空间划分与流体粒子的定位,从而减少了时间和空间资源的重复消耗.实验结果表明,该算法能够满足虚拟手术中流血粒子与软体之间的碰撞检测对精确性和实时性的要求.     

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。     

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SPH方法的滴水涟漪动画模拟

光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）方法是一种新近发展的可用于流体模拟的无网格数值方法。文中基于SPH方法的基本原理,利用SPH方法求解描述水流现象的二维浅水波方程,根据具体模型使用Mon-aghan人工粘性的变形形式,有效地防止了相互靠近粒子的穿透,消除了SPH方法在模拟流体动力学问题时产生的数值振荡。通过使用可变光滑长度,使邻近粒子的数量保持相对稳定,提高了求解的计算效率和精度。同时,对光滑长度进行了修正以获取对称光滑长度,保持了粒子间相互作用对称性。全面考虑了各种定解条件的设置,对水滴的运动进行了模拟,SPH模拟结果与有限差分法、有限体积法结果非常吻合,验证了方法的准确性,为SPH方法的进一步发展和广泛运用奠定了基础。     

基于SPH方法的滴水涟漪动画模拟

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种新近发展的可用于流体模拟的无网格数值方法.文中基于SPH方法的基本原理,利用SPH方法求解描述水流现象的二维浅水波方程,根据具体模型使用Monaghan人工粘性的变形形式,有效地防止了相互靠近粒子的穿透,消除了SPH方法在模拟流体动力学问题时产生的数值振荡.通过使用可变光滑长度,使邻近粒子的数量保持相对稳定,提高了求解的计算效率和精度.同时,对光滑长度进行了修正以获取对称光滑长度,保持了粒子间相互作用对称性.全面考虑了各种定解条件的设置,对水滴的运动进行了模拟,SPH模拟结果与有限差分法、有限体积法结果非常吻合,验证了方法的准确性,为SPH方法的进一步发展和广泛运用奠定了基础.     

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CPU-GPU混合加速的SPH流体仿真方法

基于光滑粒子流体力学SPH的流体仿真是虚拟现实技术的重要研究内容,但SPH流体仿真需要大量的计算资源,采用一般计算方法难以实现流体仿真的实时性。流体仿真通常由物理计算、碰撞检测和渲染等部分组成,借助GPU并行加速粒子的物理属性计算和碰撞过程使SPH方法的实时流体仿真成为可能。为了满足流体仿真应用中的真实性和实时性需求,提出一种基于CPU GPU混合加速的SPH流体仿真方法,流体计算部分采用GPU并行加速,流体渲染部分采用基于CPU的OpenMP加速。实验结果表明,基于CPU GPU混合加速的SPH流体仿真方法与CPU实现相比,能显著地减少流体仿真单帧计算时间且能更快速地完成渲染任务。     

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.     

面向多相流模拟的体积通量无散度SPH方法

针对高密度比多相流体模拟中存在的相间密度计算误差问题及产生的不合理对流运动模拟效果,提出一种基于体积通量无散度的隐式流体压强求解方法.首先,分析传统多相流模拟方法产生密度近似误差的原因;其次,提出“体积-压缩率”的关联计算方式,构建流体压缩率与压强间的线性关系;再次,分别设计恒定体积求解器和体积通量无散度求解器,以实现多相流模拟过程中流体体积的不可压缩性和速度场的无散度特性.为验证所提方法性能,以流体模拟方法 DFSPH为对比对象,分别以模拟效果合理性、数值计算稳定性与收敛性为定性和定量评估指标,依次开展两相溃坝、热对流等多相流交互实验.结果表明,该方法能够实现高效、稳定的多相流交互模拟视觉效果,在同等多相流条件下较DFSPH方法耗费更少计算时间实现收敛,在各种复杂模拟场景中均具有良好的健壮性、有效性和可扩展性,尤其适用于高密度比流体交互模拟.     

基于光滑粒子流体动力学方法的交互式水流加热仿真

针对传统水流加热仿真中交互困难与效率低下的问题,提出一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)的热运动仿真方法,旨在交互式控制水流加热变化过程。首先,基于SPH方法将连续水流粒子化,以粒子群模拟水流的运动,并通过碰撞检测方法将粒子运动限定在容器内;然后,采用第一类边界条件的热传导模型加热水粒子,并根据粒子的温度更新粒子的运动状态,以模拟加热过程中水流的热运动;最后,定义可编辑的系统参数与约束关系,通过人机交互仿真多种条件下水流加热及其运动过程。以太阳能热水器加热仿真为例,通过修改少量参数控制热水器的加热工作验证了SPH方法求解热传导问题时的交互性与高效性,为交互式水流加热在其他虚拟场景的应用提供了便利。     

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.