[发明专利]一种基于光滑粒子流体动力学的空间自适应流体模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于光滑粒子流体动力学的空间自适应流体模拟方法，包括：将边界固体对象的三维模型转换为SDF模型；在模拟场景中导入流体粒子集，SDF模型及其梯度场；在单个模拟时间步长中，计算粒子的尺度函数值，同时应用尾流保护机制，延缓边界固体附近的精细粒子尺度函数值的衰减；计算粒子最佳尺度，由此对粒子进行分类，并依据粒子的类别调整粒子的尺度；对流体粒子进行动力学计算，同时处理流体粒子与边界固体的耦合，使用时间混合方案稳定数值场，更新粒子的物理属性以及边界固体的物理属性。本发明的方案在提升模拟效率的同时，可以更有效地细化流体与多个动态边界固体对象的耦合细节，并有效地捕捉流体表面以下的复杂动态行为。

技术领域

本发明涉及流体模拟技术领域，特别涉及一种基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)的空间自适应流体模拟方法。

背景技术

目前，在各领域的科研和工程工作中，流体模拟的研究和应用非常广泛，但由于硬件水平和模拟算法的局限性，以及流体模拟环境的扩大和复杂化，对流体模拟仍存在着提升精度、提高效率等方面的需求。传统的流体模拟通常采用统一分辨率的流体单元，但这往往会导致计算资源被浪费在较为稳定流体区域，而非流体行为更加丰富和复杂的区域。如何检测流体模拟中重要的区域，并进行多分辨率的自适应模拟，以节省计算资源，从而提高模拟效率和局部模拟精细度，是计算机图形学研究中的一个重要问题。

流体模拟通常可采用有网格法和无网格法两种，对于有网格的自适应方法，有八叉树、四面体Mesh网格法等较多方法进行实现。而对于无网格的SPH方法，较早的自适应方法只能在用户在场景中固定的细化区域上进行预定义的粒子细化模式，即根据给定的空间位置所处区域的细化要求，为该区域内的流体粒子选择特定的尺寸，如需进行粒子分辨率的转换，可立即使用不同分辨率的粒子对原始粒子进行替换，或使用时间混合方案，在一定时间内保留原始粒子的影响；或者使用多层级的分辨率方案，在需要更高分辨率的区域添加更高层级的单一分辨率粒子集，在分辨率转换的边界区域内生成新的细粒子，边界内的细粒子属性由粗粒子插值计算得到，直到它们深入高分辨率区域，而粒子的粗化通常只能依靠随机删除来保持一定限度的平衡。这些方法往往会导致质量损失或仅允许很有限的适应性。

对于在SPH方法中自适应地检测细化区域，过往的方法通常采用基于表面检测的细化策略，即检测更可能产生丰富流体现象的流体自由表面，通过水平集方法确定流体自由表面，仅在一定深度以上的表面进行流体粒子的细化。然而，流体的丰富行为不仅存在于流体的表面，同时边界固体对象在流体表面之下与流体发生的耦合同样会影响整体的模拟质量。因此基于表面的细化策略经常遇到干预机制不灵活的问题，导致在某些情况下计算效率低，且无法增强特定的动态区域的模拟精度。

发明内容

本发明提供了一种基于光滑粒子流体动力学的空间自适应流体模拟方法，以解决现有技术计算效率低，且无法增强特定动态区域的模拟精度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于光滑粒子流体动力学的空间自适应流体模拟方法，对模拟场景中关键区域的检测进行优化，能够捕捉空间中流固交互更丰富的区域，并在这些区域细化流体粒子的分辨率。所述方法包括以下步骤：

将流体模拟场景中的边界固体对象的三维模型转换为SDF(Signed DistanceField，有向距离场)模型，并得到所述SDF模型的梯度场；

在模拟场景中添加流体粒子集，并将SDF模型及其梯度场导入模拟场景中；

在单个模拟时间步长中，通过水平集方法估算流体粒子到固体表面的距离，并结合粒子处的SDF值，计算粒子的尺度函数值，同时应用尾流保护机制，延缓边界固体附近的精细粒子尺度函数值的衰减；