【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算流体动力学领域，特别是指一种实时气液耦合仿真方法及装置。
技术介绍
1、在计算机图形学和物理仿真领域，流体动力学的实时仿真技术一直是一项艰巨的挑战。现实生活中的流体行为涉及到复杂的物理现象，如湍流、气泡生成和液体的自由表面运动等，这些现象对计算模型的要求很高。特别是气液耦合仿真技术，其在电影、游戏和工程仿真等多个行业中有广泛的应用，因此如何高效、真实地在计算机上模拟这些复杂的流体动力学现象是亟需解决的问题。
2、传统的流体仿真方法主要基于格子化的欧拉方法，它将流体空间划分成固定的格子，并在格子上求解流体动力学方程，如纳维-斯托克斯方程。这种方法的优点是理论基础坚实，能够较好地模拟流体的整体运动。然而，它在处理复杂边界条件和自由表面问题时存在困难，且计算成本高，难以实时运行。为了克服格子化方法的不足，研究者提出了基于粒子的拉格朗日方法，如光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,sph)方法。sph方法通过追踪流体中的一系列粒子来模拟流体流动，每个粒子携带流体的物理属性，如密度、压力和速度。这种方法易于处理复杂的自由表面和边界问题，并且具有较高的灵活性。然而，sph方法在处理不可压缩流体时往往需要较高的计算成本来保证流体的体积守恒。近年来，基于位置的动力学(position based dynamics,pbd)方法因其在处理不可压缩约束上的高效性而受到关注。pbd方法在流体仿真中的应用通过在每个时间步中调整粒子位置来满足密度约束，可以更容易地实现实时仿真。此外，
3、尽管上述方法各有优势，但是将气体和液体的相互作用(如气泡的形成和消散)以及气液共同作用下的流体行为(如水下的气泡上升和液体喷溅)有效地耦合在一起，仍然是一个技术挑战。这不仅要求对流体内部的相互作用有精确的模拟，还需要对流体与固体边界的相互作用进行细致的处理。此外，对于气体和液体的仿真来说，除了物理准确性，还要求有较高的视觉真实性。对于视觉特效产业，如何在有限的计算资源下，快速生成高质量的视觉效果，是衡量仿真技术是否成功的重要标准。
4、因此，开发一种高效、真实且能够在实时环境中运行的气液耦合仿真方法，成为该领域的研究热点和技术追求。新方法需要克服现有技术的限制，提高仿真的速度和质量，以满足工业界对实时、高质量流体动力学仿真的需求。
技术实现思路
1、为了解决如何针对水中气泡等多相流进行高效率和高真实性模拟的技术问题，本专利技术实施例提供了一种实时气液耦合仿真方法及装置。所述技术方案如下：
2、一方面，提供了一种实时气液耦合仿真方法，该方法由实时气液耦合仿真设备实现，该方法包括：
3、s1、获取待仿真的气液耦合系统。
4、s2、对气液耦合系统进行离散化处理，得到粒子；其中，粒子包括气体粒子、液体粒子以及边界粒子。
5、s3、根据液体粒子、边界粒子、纳维-斯托克斯方程以及基于位置的动力学方法，建立液体动力学模型。
6、s4、根据气体粒子，建立气体动力学模型，根据液体动力学模型以及气体动力学模型，得到实时气液耦合仿真结果。
7、可选地，气液耦合系统包括气体模型、液体模型以及固体边界三维模型。
8、s2中的对气液耦合系统进行离散化处理，得到粒子，包括：
9、s21、对气体模型进行拉格朗日粒子离散化处理，得到气体粒子。
10、s22、对液体模型进行拉格朗日粒子离散化处理，得到液体粒子。
11、s23、对固体边界三维模型进行拉格朗日粒子离散化处理，得到边界粒子。
12、s24、通过均匀网格划分离散化后的气液耦合系统，将粒子映射到网格空间，基于网格空间中的粒子数计算前缀和，利用前缀和定位网格空间内粒子的索引，根据粒子所在的网格重排粒子的位置，实现粒子查找。
13、可选地，s3中的根据液体粒子、边界粒子、纳维-斯托克斯方程以及基于位置的动力学方法，建立液体动力学模型，包括：
14、s31、估计液体粒子的粒子分布密度，对液体粒子的邻居粒子使用光滑核函数估计邻居粒子的粒子分布密度。
15、s32、建立液体粒子位置相关的密度约束，根据密度约束、液体粒子的静止密度和粒子分布密度，计算校正后的液体粒子的密度约束状态。
16、s33、基于离散时间步长和密度约束状态校正前后的液体粒子位置，计算液体粒子的速度，根据液体粒子的速度建模粘滞项和外力项，对液体粒子施加重力、粘性力耗散和液体-空气表面张力，进而建立液体动力学模型。
17、可选地，s32中的建立液体粒子位置相关的密度约束，根据密度约束、液体粒子的静止密度和粒子分布密度，计算校正后的液体粒子的密度约束状态，包括：
18、s321、基于不可压缩液体的密度不变性，通过牛顿法，建立液体粒子位置相关的密度约束。
19、s322、根据密度约束、液体粒子的静止密度和粒子分布密度，梯度计算液体粒子的校正尺度，根据校正尺度估计液体粒子的位置校正量，通过预设次数的迭代更新液体粒子的位置，得到校正后的液体粒子的密度约束状态。
20、可选地，s33中的根据液体粒子的速度建模粘滞项和外力项，施加重力、粘性力耗散和液体-空气表面张力，包括：
21、s331、根据液体粒子的速度，对纳维-斯托克斯方程中的粘滞项和外力项进行建模，基于液体粒子间的速度差异和液体粒子的粘性系数，计算液体粒子的粘性力耗散。
22、s332、对液体粒子施加重力加速度。
23、s333、通过计算颜色场梯度，估计自由表面处的液体粒子曲率，基于液体粒子曲率，估计自由表面处的液体粒子的亥姆霍兹自由能，将亥姆霍兹自由能的梯度作为液体-空气表面张力。
24、可选地，s4中的根据气体粒子，建立气体动力学模型，包括：
25、s41、使用光滑核函数估计气体粒子周围的液体粒子的粒子分布密度，根据气体粒子的上、下液体粒子的粒子分布密度差，构建气体粒子的上浮力。
26、s42、基于气体粒子和液体粒子的边界处的颜色场梯度，计算气体-液体表面张力；计算气体粒子之间的内聚力，根据内聚力对气体-液体表面张力进行加强。
27、s43、对气体粒子和边界粒子之间增加附着力。
28、s44、根据气体粒子和液体粒子的速度差和曳力系数，计算气液粒子之间的曳力。
29、s45、建立气体粒子的动态增删机制。
30、可选地，s45中的建立气体粒子的动态增删机制，包括：
31、s451、计算液体粒子与周围液体粒子间的速度差异，获取速度差异大于预设速度阈值、且颜色场梯度大于预设颜色场梯度阈值的液体粒子，对获取的液体粒子产生气体粒子。
32、s452、获取每个离本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种实时气液耦合仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气液耦合系统包括气体模型、液体模型以及固体边界三维模型；
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的根据所述液体粒子、边界粒子、纳维-斯托克斯方程以及基于位置的动力学方法，建立液体动力学模型，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S32中的建立液体粒子位置相关的密度约束，根据所述密度约束、液体粒子的静止密度和粒子分布密度，计算校正后的液体粒子的密度约束状态，包括：
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S33中的根据所述液体粒子的速度建模粘滞项和外力项，施加重力、粘性力耗散和液体-空气表面张力，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4中的根据所述气体粒子，建立气体动力学模型，包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S45中的建立气体粒子的动态增删机制，包括：
8.一种实时气液耦合仿真装置，其特征在于，所述装置包括：
10.一种计算机可读取存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质中存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行如权利要求1至7任一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种实时气液耦合仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气液耦合系统包括气体模型、液体模型以及固体边界三维模型；
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述s3中的根据所述液体粒子、边界粒子、纳维-斯托克斯方程以及基于位置的动力学方法，建立液体动力学模型，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述s32中的建立液体粒子位置相关的密度约束，根据所述密度约束、液体粒子的静止密度和粒子分布密度，计算校正后的液体粒子的密度约束状态，包括：
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述s33中的根据所述液体...
【专利技术属性】
技术研发人员：王笑琨，王千伟，班晓娟，徐衍睿，张雅斓，郭宇，李若兰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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