[發明專利]一種基于歐拉?拉格朗日耦合方法的流體仿真方法

有效

• 申請號: 201410508371.0
• 申請日: 2014-09-28
• 公開（公告）號: CN104268943B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 郝愛民;李帥;高陽
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;北京天人同達軟件科技有限公司
• 主分類號: G06T17/30
• 分類號: G06T17/30;G06T15/00
• 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,顧煒

技術領域

本發明涉及一種基于歐拉-拉格朗日耦合方法的流體仿真技術。

背景技術

目前，流體仿真朝著多學科，多角度，多平臺的方向飛速發展，但是礙于現有硬件水平的限制和仿真算法的局限性，對流體模型進行精確、迅速、逼真的還原還存在諸多困難。近年來，滿足工程和科研要求的真實流體仿真備受國內外學者和科研機構的關注。基于物理的真實感流體仿真研究對于從事流體相關的科研工作者和計算機圖形學的研究者來說無疑面臨著巨大的挑戰，也具有巨大的吸引力。

基于物理的流體仿真方法主要分為兩種：基于網格思想的歐拉方法和基于粒子思想的拉格朗日方法。拉格朗日方法中SPH方法多用于流體的細節彰顯和模擬小規模流體，由于流體細節的精細刻畫、流體仿真的速度和流體仿真規模這三者具有不可調和的矛盾，在進行精細流體細節渲染的同時很難保證實現大規模流體仿真。

LBM方法是基于歐拉思想的典型網格方法，具有天然的并行性，且邊界條件容易處理，適合于大尺度、低精度、規則邊界的流體仿真，如山洪地質災害、泥石流、大規模水面等。通過精細網格劃分或非規則網格劃分可以拓展LBM流體仿真范圍，但是由此帶來的穩定性損失和效率下降將使LBM失去其固有優勢。因此，與其他方法相結合，發揮LBM方法天然優勢的混合方法正逐漸引起越來越多學者的關注。

為了解決上述問題，本發明提出一種基于歐拉-拉格朗日耦合方法的流體仿真技術，以實現兼顧速度、規模和細節的流體仿真為目標，圍繞基于物理的流體仿真方法展開研究，首先用LBM方法進行大規模的流場建模，并利用PLSM方法提取和追蹤流體表面，然后在已有LBM仿真流體的基礎上，應用SPH方法刻畫流體諸如水花、泡沫的細節，通過設計耦合算法將SPH流體和LBM流體集成到同一場景中，實現了兼顧細節的大規模交互場景的實時逼真繪制。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服了現有的流體仿真方法的效率問題，提供了一種基于歐拉-拉格朗日耦合方法的流體仿真技術，解決了流體仿真規模與細節的矛盾，滿足了對流體運動過程進行實時模擬的需要。

本發明采用的技術方案為：一種基于歐拉-拉格朗日耦合方法的流體仿真方法，包括以下四個步驟：

步驟(1)、大規模流體的物理仿真：利用求解N-S方程的LBGK控制方程，采用DnQm多維離散網格模型，進行大規模流場建模，這是流體仿真的主體部分。

步驟(2)、流體自由表面追蹤：應用PLSM方法構建流體自由表面。輸出步驟(1)中得到的流體網格，用PLSM方法標記流體運動界面在LBM網格內部的位置，追蹤流體界面，以此作為流體的近似表面。

步驟(3)、流體細節仿真：通過SPH方法來對流體細節進行物理仿真，模擬流體運動過程中產生的諸如浪花、水珠等細節。

步驟(4)、集成仿真場景、進行算法耦合。把步驟(1)、(2)、(3)中LBM流體和SPH仿真的流體集成到同一個場景中，利用耦合算法進行LBM和SPH算法的參數傳遞，例如密度、速度、位置等。根據耦合算法控制流體仿真過程中SPH粒子的生成時機。

本發明的原理在于：

(1)通過LBM方法模擬大規模流體運動，利用空間網格對流體的運動狀態進行計算，以此發揮LBM方法適合模擬大規模、低精度流體的特點，并能在保證流體仿真規模的同時保證速度優勢。

(2)為了快速精確的追蹤流體的表面，本發明利用PLSM方法通過距離函數來近似代表流體液面的空間位置。該方法通過使用PLSM追蹤的流體表面在網格節點中的位置，然后分析PLSM方法進行液面追蹤時造成的耗散誤差，通過補償粒子的方法彌補流體液面處被錯誤平滑掉的流體信息。接著用快速行進算法得到流體液面，采用OpenGL對流體液面進行繪制，保持了邊界的銳度并且可以直接以此作為大規模流體表面的近似代表。這樣得到的流體表面，保持了良好的真實性，并具有非常高的效率。

(3)為了對流體進行逼真的細節刻畫，本發明提出了一種基于LBM和SPH的耦合流體仿真方法。該方法在LBM流體的基礎上，通過SPH方法模擬諸如浪花、泡沫等流體細節，并設計LBM-SPH的耦合算法控制細節生成位置和生成時機，達到良好的流體真實視覺表現。

本發明與現有技術相比的優點在于：

1、本發明提出的高效數據組織方式，流體仿真過程中的流體參數可在各個方法間無障礙的傳遞，保證了算法的魯棒性。

2、高效率的網格方法，本發明利用PLSM對流體液面進行追蹤，由于LBM和PLSM同屬網格方法，LBM的空間網格可以被PLSM方法重用，因此有效地減少了計算時間。