基于SPH方法的快速逼真流体表面张力仿真

发布时间：2025-05-28 21:48

　　 随着计算机仿真技术的发展,流体的模拟仿真被广泛地应用于工程计算、游戏及电影特效中.逼真的流体仿真需要对流体的物理特性进行建模,基于物理的流体仿真是仿真领域最具挑战的研究内容之一.基于光滑粒子流体动力学(SPH)的流体仿真方法是目前最为常用的流体仿真无网格法,其粒子特性特别适合处理流体的建模问题,同时能够鲁棒稳定地解决流体仿真中的计算问题.但是,SPH方法无法实现精确的表面张力计算,无法获得逼真的流体仿真效果.SPH表面计算中的数值不稳定问题,引起的表面张力不真实、自由表面处粒子聚集、细节断裂等现象,严重影响流体自由表面处仿真的视觉效果.为解决该问题,提出一种面向SPH流体的快速逼真流体表面张力仿真方法.首先快速精确找到流体表面粒子,精准计算其表面粒子法向量,其次通过构建水平集网格用于边界处密度修正以更加准确地处理边界处的计算,最后提出近表面粒子间作用力模型以计算流体表面张力.实验结果表明该方法能实现逼真的流体表面张力仿真效果.

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【部分图文】：

图１流体粒子表面检测结果表１表面粒子检测用时对比３．２．２水平集网格构建

图２本文方法计算模式

内部为正，在流体外部为负，在自由表面处为０（因为ｄＮＦＮ＝０）．４快速表面张力计算与密度修正自由表面的存在意味着ＳＰＨ插值精度应当保持到接近流体域边界处．当实现ＳＰＨ插值计算，如压力梯度、速度散度时，接近流体表面处被以与流体内部同样的方式所处理．然而表面处的计算常常被人们所忽视，....

图３近表面粒子４．１近表面粒子间作用力模型

平集网格，以区分流体内外区域的网格顶点．本文通过ＳＰＨ密度求和方式得到流体密度，所以对于拥有非完整核半径的流体粒子，由于邻域粒子的缺失，其计算所得密度将偏小．通过前述构建的水平集网格，可对粒子密度进行修正，详见４．３节．实际情况下，不是所有的粒子密度计算都是错误的，只有靠近表面的....

图４Ｌｅｎｎａｒｄ－Ｊｏｎｅｓ模型近似图

）之间的流体粒子所示．所以，密度修正只需对近表面粒子操作，以减少密度修正计算量，提高计算效率．为了实现快速、有效的表面张力，本文提出了一种近表面粒子间作用力，详见４．１节．为了更好地模拟流体的表面微观特性，还需加入近表面最小化表面积项保证流体表面积最小化，详见４．２节．最后，通过....

本文编号：4048257