[发明专利]一种基于物理的油水混合现象可视化仿真方法

说明书

本发明涉及一种基于物理的油水混合现象可视化仿真方法。方法包括：首先，基于粒子表示的流体仿真方法的粒子表示对不同种类的流体进行统一建模表示，将油和水两种液体从本质上抽象为不可融合的两种流体；然后，对所有模型中的粒子运用流体动力学方程进行求解；最后，应用基于点位置方法的约束条件对不可融合的流体进行约束，以控制油水两种液体的形变与运动，并通过修正边界条件保证仿真的数值稳定和正确性。本发明利用统一的粒子模型进行整体建模，用点位置信息约束不可融流体的形变与多相流的交互，从而降低了多相流耦合仿真的计算量，提高了计算效率。

技术领域

本发明涉及计算机动画的流体仿真技术领域，具体地说是一种基于物理的可视化不可融合多相流流体仿真方法，在本发明中特指油水混合现象的动力学仿真。

背景技术

近二十年来，物理仿真领域内越来越多的研究人员把目光投向了复杂流体现象的建模，其中，基于真实物理规则的流体仿真在计算机动画制作中被广泛的研究。一些关于多相流体交互仿真的方法相继被提出，包括多相流体的融合与分离仿真，不可融多相流的交互仿真，不同密度流体的分层现象等等。然后，由于多相流仿真相对于单相流体仿真更加复杂，计算量和计算复杂度都远大于单向流体仿真，因此在计算效率、算法稳定性上仍有很大的研究空间。

基于物理的多相流仿真方法根据求解域的不同，主要分为两类方法：基于网格思想的欧拉方法和基于粒子思想的拉格朗日方法。拉格朗日方法中的光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)十分出名，多用于流体的细节彰显和模拟小规模流体，由于流体细节的精细刻画、流体仿真的速度和流体仿真规模这三者具有不可调和的矛盾，在进行精细流体细节渲染的同时很难保证实现大规模流体仿真。流体隐式方法(Fluid Implicit Particles，FLIP)方法作为一种结合粒子和网格混合模型的基于物理真实的流体仿真方法，在可视化流体仿真领域也有着广泛的应用。FLIP方法利用粒子模拟流体的运动，同时，为了避免数值耗散，在网格上求解前后时间步长内粒子速度的该变量，既避免了粒子方法可能导致的数值耗散和不稳定，又通过粒子仿真流体保证了流体细节的精确仿真。离散格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)方法是基于欧拉思想的典型网格方法，具有良好的并行性，且边界条件容易处理，对于大场景、精度要求低、规则边界的流体仿真具有很好的适应性。

基于粒子的流体仿真方法可以方便的用粒子来仿真流体运动，在初始化流体粒子时，为不同种类的流体粒子设置不同的质量、密度等参数，在仿真过程中对所有粒子进行统一计算即可实现流体的运动学仿真。但是如果要模拟仿真不可融合的多项流体，单纯的粒子方法难以区分不同种类流体组份，无法实现不可融合的多相流体混合之后再分离过程的仿真。

形状匹配方法(Shape matching)多用在可变形物体的仿真中，用以规定一种描述可行变物体中各个点之间位置关系的约束条件。通过Shape matching首先预测一个可能的唯一信息，然后在当前位置和预测位置之间通过这种约束关系进行形变的匹配，进而模拟可变形物体在外力作用下的形变情况。本发明通过对Shape matching的修正和改进，将其用于不可融合的多相流体仿真中，用以约束不可融流体的形状和运动。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有基于离散粒子的方法难以直接仿真不可融合的多相流的问题，引进基于点位置信息方法中的形状匹配约束方法对不可融流体的运动和形状进行约束，解决了不可融合流体的动态交互问题，实现了基于粒子表示的流体仿真框架下的不可融合多相流体的仿真，具有较高的计算效率和较小的计算复杂度，满足了物理真实的不可融多相流体的可视化仿真需求。

本发明采用的技术方案为：一种基于物理的油水混合现象可视化仿真方法，包括以下四个步骤：

步骤(1)、初始化流体场景时，跟据多相流的种类，为每个流体粒子增加一项属性，这项属性标记粒子所属的流体种类，用以在仿真过程中区分不同种类的流体粒子；