[發明專利]一種基于粒子的粘液類效果模擬方法

在審

• 申請號: 202011203522.3
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112307668A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 張繁;黎美玲;劉鑫鋮;王章野
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種基于粒子的粘液類效果模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)將粘性流體離散成三種粒子：DFSPH粒子、APIC粒子、AGPs粒子，其中AGPs粒子是具有虛假質量的空氣鬼力粒子；

開始時，通過累積求和APIC粒子的質量和APIC粒子與DFSPH粒子相互關聯的weights得到DFSPH粒子的質量；然后根據動量守恒定律，由APIC粒子的動量及上一步求出的DFSPH粒子的質量得出DFSPH粒子的速度；APIC粒子下一時間步長的速度由其當前時間步長速度和時間步長計算求得；DFSPH粒子的下一時間步長的速度由APIC粒子下一時間步長的速度及APIC粒子與DFSPH粒子相互關聯的weights計算求出；DFSPH粒子的下一時間步長的位置由當前時間步長所在位置和DFSPH粒子的下一時間步長的速度及時間步長計算得出；APIC粒子下一時間步長的位置由DFSPH粒子的下一時間步長的位置及APIC粒子與DFSPH粒子相互關聯的weights累積求和求得；

2)將ISPH方法應用到粘性流體的模擬過程中,得到一個真實的且自由表面壓力分布均勻的粘性流體的粘性運動效果；

3)引入隱式半拉格朗日框架到粘性流體的模擬過程中，在該框架下的半拉格朗日算法保證模擬過程的穩定性的基礎上，增大時間步長，迭代地執行步驟1)和2)。

2.根據權利要求1所述的一種基于粒子的粘液類效果模擬方法，其特征在于所述的步驟1)具體為：

將粘性流體離散成DFSPH粒子、APIC粒子、AGPs粒子三種粒子后，依次執行步驟1.1)至步驟1.9)：

1.1)在當前時間步長n,初始化APIC粒子的質量和速度

1.2)對每個DFSPH粒子ID，搜素粒子ID所處位置半徑為h內所有APIC粒子，h表示光滑核函數的光滑長度；

1.3)根據步驟1.2)搜索得到的APIC粒子，通過累積求和APIC粒子的質量和APIC粒子與DFSPH粒子相互關聯的weights得到DFSPH粒子ID的質量

其中，為APIC粒子與DFSPH粒子相互關聯的weights；

1.4)根據動量守恒定律，由APIC粒子的動量及步驟1.3)求出的DFSPH粒子ID的質量得出DFSPH粒子ID當前時間步長的速度

1.5)在步驟1.4)的到的DFSPH粒子ID當前時間步長速度的基礎上經過一個時間步長Δt的演變得到DFSPH粒子ID下一時間步長的速度:

1.6)通過DFSPH粒子ID下一時間步長的速度與DFSPH粒子和APIC粒子相互關聯的weights累積求和得到APIC粒子下一時間步長的速度:

1.7)通過DFSPH粒子ID當前時間步長的位置與DFSPH粒子ID下一時間步長速度及一個時間步長Δt計算得到DFSPH粒子ID下一時間步長的位置

1.8)通過步驟1.7)得到的DFSPH粒子ID下一時間步長的位置與DFSPH粒子和APIC粒子相互關聯的weights累積求和得到APIC粒子下一時間步長的位置

1.9)在模擬的粘性流體自由表面邊界處創建三層AGPs粒子。

3.根據權利要求1所述的基于粒子的粘液類效果模擬方法，其特征在于，所述的步驟2)具體為：

2.1)采用ISPH方法，通過將粘性流體離散成一系列的點集，每個點集中的單個粒子的運動通過求解其核函數由其相鄰粒子的運行插值計算得出；

2.2)選定一個核函數，核函數光滑后的離散形式為：

其中，x_a、x_b分別表示目標粒子及目標粒子的臨近粒子的坐標向量，m_b表示臨近粒子的質量，h表示光滑核函數W(|x_a-x_b|,h)的光滑長度，是一個常量，同時用于表示相鄰粒子之間相互作用的距離范圍的閾值；

將該核函數作用于粘性流體離散后的每個點集中的DFSPH粒子和APIC粒子，得到一個真實的粘性流體的整體運動過程；

2.3)在采用ISPH方法作用于粘性流體運動的模擬過程中，通過對粘性流體離散后的DFSPH粒子和APIC粒子求解壓力泊松方程，得到一個壓力分布均勻的粘性流體的自由表面。

4.根據權利要求1所述的基于粒子的粘液類效果模擬方法，其特征在于，所述的步驟3)具體為：

3.1)對粘性流體離散后的DFSPH粒子和APIC粒子采用半拉格朗日算法，該算法通過對當前粒子的速度場進行后向跟蹤，最終的物理量場值是通過其所在網格點做插值計算得到，不會出現超出原量場的最大值和最小值的情況，且不會受限于Δtμ的大小，因而是無條件穩定的；

3.2)將粘性流體離散后的AGPs粒子的速度始終簡化為與目標自由表面粒子的速度相等；

3.3)增大時間步長Δt，迭代地執行步驟1)和2)，即增大的時間步長分別作用于粘性流體離散后的DFSPH粒子、APIC粒子和AGPs粒子的運動過程中，提高粘性流體實現粘性運動的模擬效率。