一种混合流体相变动画生成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种混合流体相变动画生成方法及装置，包括：对混合流模型进行定义、及对混合流体流固耦合进行模拟，计算出粒子的新位置、体积分数、混合热扩散常数、以及混合熔点；根据计算出的粒子新位置、混合热扩散常数、混合熔点，进行温度扩散计算和粒子状态更新，通过粒子之间的温度差，采用热扩散方程计算粒子温度变化，然后根据混合熔点进行相变模拟；通过新位置计算出混合流固表面，新的体积分数计算出混合流固表面上的体积分数，并根据粒子更新后的状态区分流体表面和固体表面；将流体表面和固体表面的Mesh以文件的形式进行输出，用于动画帧的离线渲染。装置包括：流固耦合模拟模块、温度扩散和相变模块、混合流固表面计算模块、以及流固表面输出模块。

A Method and Device for Generating Mixed Fluid Phase Change Animation

The invention discloses a method and device for generating phase change animation of mixed fluid, which includes: defining the mixed fluid model, simulating the fluid-solid coupling of mixed fluid, calculating the new position, volume fraction, mixed thermal diffusion constant and mixed melting point of particles; calculating temperature diffusion according to the calculated new position of particles, mixed thermal diffusion constant and mixed melting point. The temperature change of particles is calculated by thermal diffusion equation through the temperature difference between particles, and then the phase transition is simulated according to the melting point of mixtures. The volume fraction of the surface of mixtures is calculated by the new position, and the volume fraction of the surface of mixtures is calculated by the new volume fraction. The fluid surface and solid surface are distinguished according to the updated state of particles. The Mesh of solid surface is output in the form of file for offline rendering of animation frames. The device includes: fluid-solid coupling simulation module, temperature diffusion and phase transformation module, mixed fluid-solid surface calculation module, and fluid-solid surface output module.

【技术实现步骤摘要】
一种混合流体相变动画生成方法及装置
本专利技术涉及计算机图形学中的物理仿真，包括基于物理的流体模拟、相变模拟和流固耦合模拟领域，涉及拉格朗日流体模拟方案中的SPH(光滑粒子动力学)方法，采用基于SPH的混合流体模拟方法与流体相变的结合，进行高精度混合流体相变模拟的研究。
技术介绍
在计算机图形学中的流体模拟领域，多种流体的混合模拟越来越受到关注。多种流体混合模拟主要分为可互溶流体和不可溶流体的模拟。不可溶流体模拟主要集中在不同流体液面的分离，不同流体互不混溶，流体液面清晰可见。而在可溶流体模拟中，各个流体之间没有明确的液面，流体互相混合。在流体模拟领域，基于拉格朗日的SPH流体模拟方法具有很好的流体细节表现效果，尤其适合模拟高细节表现的流体动画，最近几年，基于SPH方法的混合流模型被提出来，该方法采用体积分数(VolumeFraction)进行混合流体模型的构建。相变模拟方法同样是一个被广泛关注的领域，其主要用于模拟物质的融化和凝固等现象。相变，如水的凝固和冰块的融化等，是一个十分常见的物理现象。自然界中，每种物质都存在一个熔点，当温度升高时，物质会熔化，温度降低时，物质会凝固，相变模拟即是根据热传导方程进行熔化和凝固现象的模拟。在自然界中，溶液等混合物没有固定熔点，如酒精溶液的熔点介于水和酒精之间，与此类似，在水中加入盐会导致水的凝固点降低。所以，不同流体混合后，溶液的凝固点会发生改变，本专利技术根据此现象进行相关方程的改进，提出了一种精确的混合流体相变动画生成方法及装置。
技术实现思路
本专利技术提供了一种混合流体相变动画生成方法及装置，本专利技术通过计算不同流体互溶后的熔点、热扩散常数等参数，可以精确的模拟不同熔点和热扩散常数下的流体的温度扩散和相变过程，详见下文描述：一种混合流体相变动画生成方法，所述方法包括：对混合流模型进行定义、及对混合流体流固耦合进行模拟，进而计算出粒子的新位置、体积分数、混合热扩散常数、以及混合熔点；根据计算出的粒子的新位置、混合热扩散常数、混合熔点，进行温度扩散计算和粒子状态的更新，通过粒子之间的温度差，采用热扩散方程计算粒子的温度变化，然后根据混合熔点进行相变模拟；通过新位置计算出混合流固表面，通过新的体积分数计算出混合流固表面上的体积分数，并且根据粒子更新后的状态区分流体表面和固体表面；将流体表面和固体表面的Mesh以文件的形式进行输出，用于动画帧的离线渲染。所述混合热扩散常数具体为：其中，下标i代表粒子的编号，αk为流体k的体积分数，cmi和ck分别为混合热扩散常数和流体k的热扩散常数。所述混合熔点具体为：其中，Tmi和Tmk分别为混合熔点和流体k的熔点。所述热扩散方程具体为：其中，Ti为粒子i的温度，Tj为粒子j的温度，t为时间，ci为粒子i的混合热扩散常数，mj为粒子j的质量，pj为粒子j的密度，W为光滑核函数，▽2代表求解光滑核函数的拉普拉斯形式，xi为粒子i的位置，xj为粒子j的位置，h为光滑核半径。所述通过新位置计算出混合流固表面，通过新的体积分数计算出混合流固表面上的体积分数具体为：对于每一个位置x，都存在体积分数αkx，该体积分数的值由附近粒子的体积分数决定，当附近不存在粒子时，该值为零，计算方程如下：其中，αkj为相邻粒子j中流体k的体积分数；隐式表面计算完成后，根据MarchingCubes算法，计算等值面处的体积分数：其中，V为等值面的位置，P1和P2为网格单元的两个顶点位置，αkP1和αkP2为两个顶点所对应的体积分数值。一种混合流体相变动画生成装置，所述装置包括：流固耦合模拟模块，用于计算多流体混合模拟和流固耦合；温度扩散和相变模块，用于计算粒子之间的温度差，采用热扩散方程计算粒子的温度变化，然后根据混合熔点进行相变模拟；混合流固表面计算模块，用于计算流体和固体的隐式表面，并生成表面Mesh，将生成的表面体积分数信息，用于不同流体的渲染；流固表面输出模块，该模块可以将流体和固体的表面Mesh以文件的形式进行输出，用于动画帧的离线渲染。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术通过计算不同流体互溶后的熔点、热扩散常数等参数，使得混合流体模拟可以精确的模拟不同熔点和热扩散常数下的流体的温度扩散和相变过程，实现了混合流体模拟的相变操作；2、不同流体互溶后其熔点、热扩散常数等参数会发生变化，本方法可以精确的捕捉这种变化，并在模拟过程中表现出来；3、本专利技术还提出了一种生成混合流体自由表面的重构方法，该重构方法可以计算流体自由表面携带的体积分数信息，实现了对混合在一起的不同流体的液面进行重构；4、最后，本专利技术提供了一个混合流体相变动画生成装置，可用于混合流相变动画的生成，满足了实际应用中的多种需要。附图说明图1为一种混合流体相变动画生成方法的流程图；图2为流体动画帧的示意图；图3为一种混合流体相变动画生成装置的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。在本方法中，通过构建混合流体模型，使用体积分数表示不同流体间的混合互溶。在模拟过程中，每个流体粒子除了携带流体的属性，如压强、位置、密度等，还携带温度信息，粒子间的温度扩散通过方程进行计算，除流体粒子外，边界等固体同样进行温度扩散的计算。在本专利技术实施例中，密度分为粒子的计算密度ρ、单一流体的标准密度(RestDensity)ρk和粒子的混合标准密度ρm，标准密度ρk是流体的固有属性，如水的标准密度可设为1000.0kg/m3。在下文中，粒子的计算密度统称为密度，单一流体的标准密度统称为流体标准密度，粒子的混合标准密度统称为混合标准密度。在本方法中，每种流体都拥有一个固定的熔点，每个流体粒子均存储一个熔点信息，在进行流体混合模拟过程中，如果流体为可混溶的，则混合流体粒子的熔点等属性的数值会重新计算。模拟过程中，流体的状态会通过温度表示，当流体粒子的温度大于粒子熔点时，其表示为液体粒子，反之为固体粒子。如果流场中包含固体，则模拟过程中，还包括流固耦合的计算。在下文中，粒子的熔点均被称为混合熔点Tm，流体的熔点均被称为流体熔点Tmk，热扩散常数同样如此，分别为混合热扩散常数cm和流体热扩散常数ck。本方法可以在模拟结束后构造混合流体的液体自由表面和固体表面，构造的液体自由表面和固体表面包含了体积分数信息，该体积分数信息可用于区分不同的流体，不同的流体可以使用不同参数进行渲染。最后，重构的流体液面和固体表面将以Mesh(网格)的形式输出。实施例1为实现上述目的，本专利技术实施例提出了一种基于SPH的混合流体相变动画生成方法(即包括模拟部分与重构部分)，以此实现混合流体相变模拟及流体表面构造，参见图1，该生成方法包括以下步骤：101：对混合流模型进行定义、及对混合流体流固耦合进行模拟，其中，模拟过程包括：混合流模拟和刚体模拟两部分，进而计算出粒子的新位置、体积分数、混合热扩散常数、以及混合熔点等参数；具体实现时，当存在固体时，计算流体与固体间的相互作用力，进而更新固体的数据；固体不存在时，可以忽略刚体的计算部分。102：根据步骤101计算出的粒子的新位置、混合热扩散常数、混合熔点等参数，进行温度扩散计算和粒子状态的更新，通过粒子之间的温度差，采用热扩散方程计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合流体相变动画生成方法，其特征在于，所述方法包括：对混合流模型进行定义、及对混合流体流固耦合进行模拟，进而计算出粒子的新位置、体积分数、混合热扩散常数、以及混合熔点；根据计算出的粒子的新位置、混合热扩散常数、混合熔点，进行温度扩散计算和粒子状态的更新，通过粒子之间的温度差，采用热扩散方程计算粒子的温度变化，然后根据混合熔点进行相变模拟；通过新位置计算出混合流固表面，通过新的体积分数计算出混合流固表面上的体积分数，并且根据粒子更新后的状态区分流体表面和固体表面；将流体表面和固体表面的Mesh以文件的形式进行输出，用于动画帧的离线渲染。

【技术特征摘要】
1.一种混合流体相变动画生成方法，其特征在于，所述方法包括：对混合流模型进行定义、及对混合流体流固耦合进行模拟，进而计算出粒子的新位置、体积分数、混合热扩散常数、以及混合熔点；根据计算出的粒子的新位置、混合热扩散常数、混合熔点，进行温度扩散计算和粒子状态的更新，通过粒子之间的温度差，采用热扩散方程计算粒子的温度变化，然后根据混合熔点进行相变模拟；通过新位置计算出混合流固表面，通过新的体积分数计算出混合流固表面上的体积分数，并且根据粒子更新后的状态区分流体表面和固体表面；将流体表面和固体表面的Mesh以文件的形式进行输出，用于动画帧的离线渲染。2.根据权利要求1所述的一种混合流体相变动画生成方法，其特征在于，所述混合热扩散常数具体为：其中，下标i代表粒子的编号，αk为流体k的体积分数，cmi和ck分别为混合热扩散常数和流体k的热扩散常数。3.根据权利要求2所述的一种混合流体相变动画生成方法，其特征在于，所述混合熔点具体为：其中，Tmi和Tmk分别为混合熔点和流体k的熔点。4.根据权利要求1所述的一种混合流体相变动画生成方法，其特征在于，所述热扩散方程具体为：其中，Ti为粒子i的温度，Tj为粒子j的温度，t为时间，ci为粒子i的混合热扩散常数，mj为粒子j的质量，pj为粒子j的密度，W为光滑核函数，▽...

【专利技术属性】
技术研发人员：应翔，仇强，于健，徐天一，喻梅，王建荣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12