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基于物理模型的真实感流体实时仿真技术

作　者: 武斌博
导　师: 张田文
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: Navier-Stokes 流体仿真计算流体动力学
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

耐维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程是早在18世纪就已经发展完善起来的一套对流体行为进行精确建模的偏微分方程组,描述了流体内部速度和压力的变化及其相互关系。本文以此为基础,通过对该方程组的离散化求解,实现对流体的真实感实时仿真。这种基于物理模型的仿真能够更加真实的反映流体的细节信息,并且可以方便的实现一些复杂场景的仿真,如流体与固体的实时交互、两相流、火焰效果、气泡效果、爆炸效果、天气效果等。本文第二章首先从数学角度对N-S方程进行了介绍和分析,为了加深理解,还简要的介绍了其相关的推导。在此基础上进一步分析了如何离散化的处理N-S方程,引入了网格的方法,介绍了有限差分的运算。接下来重点分析了如何求解N-S方程,为之后的具体实现打下基础。这里简单介绍了如何用特征线法求解偏微分方程,并以Helmholtz-Hodge分解定理为基础,将复杂的偏微分方程分解为多个易于求解的步骤,并分析了逆向处理与隐式积分的方法。第三章系统而全面的介绍了N-S方程的求解流程,给出了详细的算法说明。对于扩散项,本文参考了偏微分方程求解与数值计算方面相关的书籍,深入探讨了各种不同解决方案的数学原理。对于移流项,作为方程最复杂的部分,我们对前向、逆向移流算法以及BFECC法都进行了分析和讨论。最后还对数值耗散问题进行了深入研究和实际处理。本文介绍的求解流程不同于一般的稳定流体解决方案,除了对速度项外,对压力项、温度项、密度项都进行了扩散和移流的处理,而在最后的压力映射步骤也做了改变。对移流的项处理更结合了前向、逆向移流算法。同时本文定义了大量的可控制变量,可以在对比模式下进行显示以观察不同参数对应的不同效果,便于分析和处理。第四章从障碍物的数据结构,到不同类型的障碍物的定义和实现方法,再到实际仿真时所要处理的问题,都进行了自己的分析和处理。其中在做碰撞检测时引入了Cohen-Sutherland算法,以此为基础进行了深入而有趣的讨论。这里的实现还有很多不足,需要我们进一步学习和钻研。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 流体力学的背景知识  9
  1.2 流体仿真的研究意义  9-11
  1.3 国内外研究现状  11-14
  1.4 一些优秀的仿真结果  14-16
  1.5 本文内容安排  16-17
第2章 N-S方程的介绍、分析与求解方案研究  17-29
  2.1 N-S方程的数学形式  17-19
  2.2 N-S方程的推导与分析  19-22
    2.2.1 动量守恒方程的简单推导  19-20
    2.2.2 欧拉法与拉格朗日法  20-22
    2.2.3 连续性方程的简要分析  22
  2.3 网格与方程的离散化处理  22-25
    2.3.1 并置网格与交错网格  22-24
    2.3.2 N-S方程的有限差分运算  24-25
  2.4 方程的分解与求解步骤分析  25-28
    2.4.1 Helmholtz - Hodge 分解定理  25-26
    2.4.2 逆向处理与隐式积分  26-27
    2.4.3 特征线法（Method of Characteristics, MOC）的简要论述  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章 N-S方程求解的具体系统实现  29-54
  3.1 外力作用  30
  3.2 扩散项求解  30-35
    3.2.1 Jacobi方法求解  31-32
    3.2.2 Gauss-Seidel 方法求解  32-34
    3.2.3 SOR 方法求解  34-35
    3.2.4 扩散方程的其它求解方法  35
  3.3 水平移流项求解  35-41
    3.3.1 双线性插值  35-37
    3.3.2 前向移流算法  37-38
    3.3.3 逆向移流算法  38-41
  3.4 压力映射项计算  41-42
  3.5 数值耗散问题  42-49
    3.5.1 BFECC算法  44-46
    3.5.2 漩涡抑制方法  46-49
  3.6 N-S方程求解总流程  49-52
  3.7 本章小结  52-54
第4章障碍物分析设计与实现  54-64
  4.1 障碍物的数据结构分析  54-55
  4.2 障碍物的类型分析  55-56
  4.3 顶点类型的分组标识  56-59
    4.3.1 障碍物边界值更新  58-59
    4.3.2 修改扩散函数  59
  4.4 碰撞检测及处理  59-63
    4.4.1 编码裁剪算法（Cohen-Sutherland）算法  59-61
    4.4.2 通过角度范围进行碰撞检测处理  61-63
    4.4.3 镜像反射障碍物附近流体的速度  63
  4.5 本章小结  63-64
第5章系统总框架与仿真效果显示  64-73
  5.1 仿真环境及仿真速度  64
  5.2 系统结构  64-65
  5.3 仿真结果  65-72
  5.4 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献  75-81
攻读硕士学位期间所发表的论文  81-83
致谢  83

基于物理模型的真实感流体实时仿真技术

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