[發明專利]一種用湍流方程豐富火焰模擬細節的方法

有效

• 申請號: 201310612150.3
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN103839287A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 周忠;高宏昌;伍朝輝;吳威
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06T15/10
• 分類號: G06T15/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種用湍流方程豐富火焰模擬細節的方法，屬于虛擬現實科學技術領域。

背景技術

火焰是自然界的基本元素之一，與人類的生存和生活有著密切的聯系，在虛擬世界中對火焰進行真實重現，可以幫助人類增強認知，把握規律，改善人類行為，更好地按照規律辦事。火焰的真實感模擬,在消防訓練、軍事仿真、影視特效、虛擬現實等領域有著重要的科學價值和經濟效益，同時也是計算機圖形學中最具有挑戰性的研究方向之一。

燃燒是一種快速的帶化學反應的流體動力學過程，受眾多的因素影響。幾乎所有的燃燒過程都伴隨著流動過程，而燃燒所產生的火焰與這種流動相互作用，進而對火焰的結構、穩定性產生影響。通常，根據火焰的形態、穩定性，可將其分為兩類：層流火焰和湍流火焰。根據流體力學的相關理論，當雷諾數較小的時候，黏性力對流場的作用大于慣性力，導致流速因受黏滯力的影響而衰減，流體流動趨于穩定狀態，形成層流，層流火焰是最簡單的一種火焰，火焰鋒面光滑穩定；而當雷諾數較大時，慣性力對流場的作用超過黏性力，流體運動趨于不穩定，流速的微小變化容易發展和增強，形成紊亂、不規則的流場，成為湍流，湍流火焰結構復雜，其鋒面出現許多褶皺和小漩渦。在實際生活中，由于燃燒環境的不穩定，所產生的火焰多數都具有湍流現象，所以對于湍流火焰的模擬可以獲得更為逼真的、實際的效果，尤其是可以在影視、動畫中產生更為生動的特效提供幫助。

傳統的基于物理的火焰模擬方法是使用Navier-Stokes方程，通過求解Navier-Stokes方程得到火焰的密度場和溫度場，再對求解所得的數據場進行渲染得到火焰面片。火焰作為一種低粘度的特殊流體，在實際的燃燒過程中是會呈現出豐富的細節特征的，然而由于求解方程過程中存在數值耗散的問題，火焰的許多細節特征丟失，造成所模擬的火焰真實感較差。本發明引入流體力學中的湍流方程，對火焰燃燒過程中的湍流進行建模，使得火焰呈現出湍流細節，增強真實感。

發明內容

本發明解決的技術問題是：針對目前火焰模擬中湍流細節丟失、真實感不強的現狀，提出了一種湍流細節增強的火焰模擬方法，對三維火焰的湍流運動進行建模模擬，使得火焰的三維模擬效果更加逼真。

本發明提出一種模擬火焰湍流方法，包括以下步驟：

（1）、基于CUDA加速的Navier-Stokes方程求解，采用的是基于網格的歐拉法，對Navier-Stokes方程進行離散，并利用CUDA加速對離散后的方程進行數值求解，得到火焰的速度場、密度場和溫度場，從而獲取火焰的主體形態輪廓；

（2）、基于標準k-e湍流方程，使用粒子方法簡化標準k-e湍流方程，然后使用第（1）步求得的速度驅動粒子運動，并利用CUDA加速求解簡化后的方程，到粒子的湍動能和能量耗散率；

（2.1）利用求解Navier-Stokes方程得到的速度場計算應變量；

（2.2）由應變量計算能量產生項；

（2.3）將能量產生項帶入粒子簡化后的標準k-e湍流方程求解得到湍動能和能量耗散率；

（3）、由窄帶隨機紋理場生成隨機速度場；

（3.1）創建一張由隨機噪聲點組成的隨機紋理場R；

（3.2）對這張隨機紋理場向下采樣，得到尺寸減半的紋理場R↓；

（3.3）再將紋理場R↓向上采樣，得到原尺寸大小的紋理場R↓↑；

（3.4）將原始紋理場R減去經過采樣處理的紋理場R↓↑，得到具有窄帶性質的隨機紋理場；

（3.5）由隨機紋理場R↓↑生成速度場；

（4）由隨機速度場和湍動能合成具有高頻特征的擾動速度場；

（4.1）在第（2）步得到的速度場中進行多頻段采樣，得到粒子所在位置處的速度；

（4.2）與第（1）步中的湍動能合成粒子的擾動速度；

（4.3）利用該速度高斯衰減地擾動粒子鄰域內的網格節點處的速度，然后驅動密度場和溫度場運動；

（5）對粒子進行分組，從前往后分別繪制每一組粒子，并利用CUDA和OpenGL的緩沖區映射，加速渲染，得到具有湍流細節的火焰面片；

（5.1）以視點和光源的半角方向為基準，將空間劃分為垂直于該半角方向的均勻間隔的切片，然后將相鄰切片之間的粒子分為一組；

（5.2）對于每一組粒子，分別以視點方向和光源方向進行繪制，然后從前往后將繪制結果進行混合，得到最終的火焰面片。

本發明的有益效果是：