[發明專利]一種基于粒子模型的凝結現象仿真方法

有效

• 申請號: 201611128834.6
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106650064B
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 王長波;張泰滺;施佳俊
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種基于粒子模型的凝結現象仿真方法，該方法包括:1)對氣體在固體表面凝結的現象離散建模，考慮露點溫度以及濕度擴散模型中相對濕度屬性對于凝結現象細節的影響；2）提出固液耦合的邊界密度校正算法，彌補了邊界處光滑粒子流體動力學模型粒子缺失的問題，同時在不降低時間步長的情況下防止粒子滲透；3）使用粒子系統對空氣進行離散建模,可更直觀地表現仿真過程，易于調整和設計。應用本發明能夠便捷地調整空氣的流動、熱傳導屬性等，解決了現有空氣熱交換現象仿真效果不直觀和細節不足的問題，具有一定的實用價值。

技術領域

本發明屬于物理仿真領域，具體地說是一種基于粒子模型的凝結現象的仿真方法，其涉及到流體動力學、GPU并行、空氣擴散與熱交換理論以及計算機圖形學等。

背景技術

空氣的熱交換現象在虛擬現實、醫學、制造行業等領域都處在十分重要的地位。仿真學中經典的建模方法有網格法和粒子法兩種。在三維中，網格法將物體分成塊狀，根據塊與塊之間的力交互以及自身的形變物理規律來離散化，對較小形變以及細節不敏感的場景仿真有較大的優勢。然而網格法難以描述局部細節，無法精確計算出用來描述細節的物理量。與之相對，粒子法是對材質進行采樣得到一個點集合，直接在點集合上計算力的交互，直觀而且容易理解，對于細節上的表述十分清晰。在凝結現象中，網格化的氣體無法具體計算出凝結液滴位置點的坐標，只能指出大概的凝結區域，在精度上不足以描述凝結現象。

光滑粒子流體動力學(SPH)是一種流體模擬算法，基本思想是將流體場離散成粒子系統進行計算，在計算單個粒子的屬性時，根據屬性連續的假設，對鄰居粒子的同一屬性根據距離進行插值計算。插值計算中的權重函數稱之為核函數，常見的核函數有Poly6函數和Spiky函數。SPH方法能夠直觀地把物理規律施加到粒子系統，還可以用在游戲的實時的交互軟件中。

基于物理的固液耦合邊界處理中經典方法有：Monaghan等人提出的虛擬力法、Libersky等人提出鏡像粒子法、Schechter等人提出的Ghost粒子法等等。這些方法旨在防止不同物體粒子之間的滲透問題，生成的仿真現象不夠逼真。

發明內容

本發明的目的在于克服現有空氣熱交換仿真不直觀，不注重細節的問題，提供了一種基于粒子模型的凝結現象的仿真方法，該方法使用光滑粒子流體動力學對凝結現象進行仿真，保留了細節，構建了氣體在固體表面凝結現象的離散模型。

本發明的目的是這樣實現的：

1、一種基于粒子模型的凝結現象的仿真方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

a)基于光滑粒子流體動力學(SPH)模型模擬流體的運動，具體包括：

i)區分邊界粒子

對所有粒子增加額外的屬性，對氣體粒子賦值為0，其他粒子賦值為1，構成標量場；對每個粒子計算該標量場的梯度，梯度不為零的固體粒子歸到邊界粒子；

ii)各粒子的密度計算

每個粒子的密度通過周圍相同類型粒子的密度插值得到；在插值計算邊界上氣體粒子的密度時，引入密度校正算法：在插值計算過程中，把邊界粒子的密度加入到插值計算中，其中邊界粒子密度根據采樣的疏密性，設定成氣體密度的常數倍；

iii)各粒子的加速度計算

根據粒子密度，通過運動控制Navier-Stokes方程計算粒子的加速度：

其中u為流體速度，t為時間，ρ為粒子密度，p為壓強，μ為黏性系數，是一階微分算子，是二階微分算子，f^ext為外力；方程等號右邊依次為壓力項，黏性力項和外力項；

在外力項中加入大氣壓帶來的液滴阻力；計算液滴覆蓋在固體表面的面積，配合外部大氣壓強和固體的摩擦系數，計算出由于液滴內外氣壓差而產生的液滴阻力：