GPU在基于SPH方法的混合流模拟中的应用

摘要

流体现象在我们的日常生活中扮演着重要的角色，是我们周围环境的一个重要组成部分，对其进行真实感的模拟，是影视、游戏、计算机仿真等行业非常迫切的需要。此类研究早期，主要通过构造的方法对一些简单的流体现象进行仿真，近年来随着图形硬件性能的提高以及人们对图形真实感的追求，该领域学者开始陆续提出基于物理的流体仿真算法，从而可以用计算机生成更多逼真多样的流体效果。由于流体的丰富特性，这些算法并不能通用于各种流体现象，随着应用背景的不同以及仿真环境的改变，这些算法被不断的改进和完善。
　　 流体中复杂而又有趣的现象主要源自于交互过程，然而在计算机图形学界对流体与静态或动态固体交互较多研究的同时，却忽略了如空气与水或水与油等不同类型流体之间的交互，而这种混合流体之间的交互却是研究很多重要流体现象的基础。
　　 本文在总结现有混合流仿真研究方法的基础上，采用一种新颖的基于SPH的方法对混合流交互现象进行模拟。SPH方法在流体模拟方面有着许多其它仿真方法所无法比拟的优点，但这种方法时间复杂度较高，很难保证模拟效果的实时性。本文所采用方法的新颖之处在于实验中利用了可编程GPU对模拟过程加速，通过结合GPU编程框架与SPH方法，显著提高了模拟速度。实验结果表明，在相同粒子数情况下，采用GPU加速的模拟方法的平均帧率是传统方法的10倍以上。同时本文还引入流体运动固有的表面张力和混合流体之间的界面张力，较逼真的模拟出不相溶液体之间的交互情况，从而使得实验效果在达到实时性的同时，也能很好地满足真实感的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 问题提出

1.2 研究背景

1.3 研究意义

1.4 本文的结构

第二章SPH仿真原理及GPU编程概述

2.1 SPH仿真原理

2.2 GPU编程概述

2.3 本章小结

第三章基于GPU的混合流仿真

3.1 Navier-Stokes方程

3.2 粒子梯度压强场

3.3 计算粒子粘滞力

3.4 光滑核函数

3.5 混合流建模

3.6 外力计算

3.7 SPH在GPU上实现

3.8 本章小结

第四章实验分析报告

4.1 实验编程

4.2 实验演示

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢