一种利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法及系统技术方案

一种表面流流体运动的实时模拟方法，通过使用浅水波方程，对其中的不同项的计算提出创新性的计算方法，获得系统性，高效率，能够处理非可忽略速度流体的表面流流体解决方案。其中，本方法首次提出了基于特征的粘滞模型与可处理表面溶解的表面多组分流体运动模型。本方法对于浅水波方程中移流、表面张力、与3D模拟器结合等问题的处理方式相比前人的方法也更加高效。本方法可以完全并行在GPU上，获得实时的模拟速度。本发明专利技术具有较强的实用性，能够为表面流流体的模拟提供完整全面的高效解决方案。

A real time simulation method and system for obtaining fluid flow in surface flow using shallow water wave equation

A real-time simulation method of fluid motion of surface flow, through the use of shallow water wave equations, a calculation method is proposed for calculating different innovative items among the system, high efficiency, able to deal with non negligible surface velocity of the fluid flow fluid solution. In this method, a viscosity model based on characteristics and a model of surface multi component fluid movement are proposed for the first time. The method for the shallow water equations in advection, surface tension, and combined with the 3D simulator processing problems compared to the previous methods are more efficient. This method can be fully parallelized on GPU to obtain real-time simulation speed. The invention has strong practicability and can provide a complete and comprehensive efficient solution for the simulation of the surface flow fluid.

【技术实现步骤摘要】
一种利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法及系统
本专利技术涉及计算机图形学流体模拟与渲染
，尤其涉及一种流体模拟方法与系统。
技术介绍
流体现象对于真实世界的视觉感受而言非常重要。计算机图形学领域为了重现丰富多彩的流体现象，开发了多种多样的流体模拟器。在之前的工作中，大多数的关注重点在于如何在较少障碍物的三维空间中模拟流体。而生活中最常见的流体，如空气，水等具有较为透明的特征，其多样化的运动现象在固体表面边界附近时才在视觉上更加明显。这即是一类表面流流体问题的研究对象：即对于任意的三维模型，研究一薄层流体在模型表面的运动。图形学中存在一些研究流体在二维几何流型中运动的工作，如Z.Fan等人2005年发表“Adaptedunstructuredlbmforflowsimulationoncurvedsurfaces”,S.Auer等人2012年发表“Real-timeFluideffectsonsurfacesusingtheclosestpointmethod”,分别使用LBM方法和最近点方法将二维平面的零厚度流体模拟扩展到二维流型中，获得类似三维流体模拟的投影效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法，其特征在于该方法包括：第1:利用一种基于特征的粘滞力模型，对几何模型进行预计算处理；包括对几何模型进行平滑化并计算平滑化三角网格的外法向，在平滑化三角网格的格点上计算控制面积，粘滞力张量矩阵与局部切平面坐标系间仿射变换矩阵；第2：在模拟开始时载入预计算的数据；对于可形变模型表面上的模拟，在每个时间步开始时重新计算平滑化三角网格的外法向，仿射变换矩阵与粘滞力张量矩阵；第3:使用单组分浅水波方程计算单组分的表面流流体运动，或使用多组分浅水波方程计算多组分的表面流流体运动；第4:选择性包括与3D模拟器进行交互；对于包含交互的情况，在第1步中的预计算...

【技术特征摘要】
1.一种利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法，其特征在于该方法包括：第1:利用一种基于特征的粘滞力模型，对几何模型进行预计算处理；包括对几何模型进行平滑化并计算平滑化三角网格的外法向，在平滑化三角网格的格点上计算控制面积，粘滞力张量矩阵与局部切平面坐标系间仿射变换矩阵；第2：在模拟开始时载入预计算的数据；对于可形变模型表面上的模拟，在每个时间步开始时重新计算平滑化三角网格的外法向，仿射变换矩阵与粘滞力张量矩阵；第3:使用单组分浅水波方程计算单组分的表面流流体运动，或使用多组分浅水波方程计算多组分的表面流流体运动；第4:选择性包括与3D模拟器进行交互；对于包含交互的情况，在第1步中的预计算时根据模型生成粒子3D模拟器中的粒子边界；同时将3D模拟器进行一个时间步的计算，并在时间步的最后，计算浅水波方程中三角网格上的模拟器以及粒子3D模拟器间的物理量交互。2.根据权利要求1所述的利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法，其特征在于第1步所述预计算进一步包括：第1.1、将原几何模型平滑化；第1.2、对每个平滑化网格顶点，计算邻域内的一个半平整化模型(SOM)；所述SOM的计算方法包括：第1.2.1、对每个所考虑的平滑模型上的格点v，将其周围邻域内的点沿该考虑格点的法向投影至切平面；第1.2.2、v沿其法向对应一个原模型上的点vp,对于任意原模型上的点vp',同样能够沿同一方向获得平滑模型上的投影对应点v’；第1.2.3、v，v’,vp,vp'一定能够构成一个平面，与v的切平面交于一直线，vv’与该直线的夹角为θ，则将vp'以vp为中心在该平面内旋转θ角度；第1.2.4、对所有v附近的vp'作上述三步，获得v邻域内的一个“半平整化模型”(SOM)；第1.3、在SOM上计算每个三角形的形状运算符S(ShapeOperator)；第1.4、利用第1.3步中的计算结果获得每个平滑网格顶点切平面内的平均粗糙程度最大的方向和与其垂直的方向，以及两个方向上的粗糙系数；第1.5、利用第1.4步结果获得粘滞力张量矩阵，粘滞力张量矩阵与速度矢量的矩阵乘积结果即为表面流流体运动中所受的模型产生的粘滞力。3.根据权利要求2所述的利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法，其特征在于，所述的可形变模型表面上的模拟及重新计算方法进一步包括：在可形变模型表面上的模拟中，在平滑时调整平滑网格顶点的位置，使得原网格的顶点总在平滑网格顶点沿其法向方向的直线上；之后，通过移动平滑网格顶点的位置或编辑底面高度控制原模型的形变。4.根据权利要求1所述的利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法，其特征在于第3步所述的计算单组分的表面流流体运动的方法包括：第3.1、在每个平滑网格点上存储表面流流体的速度场与深度场；第3.2、在每个时间步开始时采用半拉格朗日法对速度场与深度场进行移流计算；第3.3、计算流体所受粘滞力；第3.4、计算流体所受表面张力压强；第3.5、在网格上计算速度的散度与流体压强的梯度；第3.6、根据浅水波方程获得速度场与深度场的变化率。5.根据权利要求4所述的利用浅水波方程获得表面流流体运动的实时模拟方法，其特征在于，对于固...

【专利技术属性】
技术研发人员：任博，胡事民，袁泰凌，李晨锋，徐昆，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12