中尺度流體與固體耦合動(dòng)畫模擬研究.pdf

1、在虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)得到了越來越多的重視和發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫模擬技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心之一，也得到了長足的發(fā)展。而在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫眾多的模擬對象中，流體以其特有的高隨機(jī)性和高自由度，使得對流體的模擬占據(jù)了很重要的位置。中尺度流體主要指的是比泡沫、氣泡等流體現(xiàn)象要大，但比海洋、河流這種無限大的流體范圍要小的流體尺度。因此，中尺度流體的模擬具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
　　流固耦合的類型主要分為三種：單向的固體

2、到液體的耦合，單向液體到固體的耦合，固體液體之間的雙向耦合。現(xiàn)在大部分的流固耦合問題，在進(jìn)行固體模擬時(shí)，往往采用的是拉格朗日坐標(biāo)系，而在進(jìn)行流體模擬時(shí)，往往采用的是歐拉坐標(biāo)系。模擬坐標(biāo)系選取的不同，帶來了流固雙向耦合模擬的較大的失真。而求解流固耦合問題常用的整體求解方法和交替求解方法都存在著各自的缺陷。此外，在流固耦合過程中，對流體細(xì)節(jié)的模擬，如氣泡、泡沫、湍流等也是常常被忽略的一個(gè)方面。本文的目的在于解決真實(shí)感流體及流固耦合的模擬，包

3、括了流體建模、求解流固耦合算法，流固耦合細(xì)節(jié)模擬等方面。
　　本文首先對描述流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的納維-斯托克斯方程組進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析和推導(dǎo)，并對流體模擬的方法：歐拉法和拉格朗日法進(jìn)行了分析對比，并且分析了結(jié)合了歐拉法和拉格朗日法優(yōu)點(diǎn)ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法。然后，本文分析了流固耦合問題的發(fā)展以及流固耦合問題的基本特征，在對目前通用的求解流固耦合的方法：整體求解法和時(shí)間步交替法進(jìn)行了分析

4、之后，提出了同步法來解決雙向流固耦合問題。
　　在落實(shí)到具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本文使用了基于SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)算法的多重解析度流體模型，并引入了物理/幾何采樣因子，獲得了真實(shí)感較強(qiáng)的流體模擬效果。此外，為了減小多重解析度流體帶來的誤差，結(jié)合了隨機(jī)采樣與區(qū)域限制。在流固耦合問題上，通過對流固耦合邊界條件的準(zhǔn)確建模，運(yùn)用了同步求解固體和流體模擬方程的方法，獲得了比較真實(shí)準(zhǔn)確的模擬效果。并且，