基于物理的不可壓縮流體模擬技術(shù)綜述①

吳德陽(yáng) 唐 勇 劉浩陽(yáng) 劉培藝 汪國(guó)平**

(*燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 秦皇島 066004)

(**北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 100871)

(***河北省計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004)

(****北京市虛擬仿真與可視化工程研究中心 北京 100871)

0 引 言

近年來(lái)，隨著數(shù)字信息、圖形技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的仿真技術(shù)，能夠模擬出與自然景象極其逼真的效果，使人如同身臨其境，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消防、油畫生成、游戲場(chǎng)景、影視特效等領(lǐng)域[1-3]。而流體模擬作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)研究分支，可以豐富虛擬場(chǎng)景，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感、沉浸感，因此對(duì)于流體仿真的研究具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)硬件的計(jì)算能力不斷提升，流體仿真的計(jì)算速度得到了很大改善，但對(duì)于實(shí)時(shí)仿真還存在很大的提升空間。通常，許多研究者通過(guò)犧牲部分仿真效果來(lái)滿足實(shí)時(shí)性的要求，但游戲、影視特效等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性和真實(shí)感兩者都具有很高的要求，因此，如何快速、真實(shí)地模擬不可壓縮流體仍是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

在單相的流體模擬中，求解不可壓縮性一直是流體模擬的研究熱點(diǎn)，雖然近年來(lái)隨著對(duì)流體模擬算法的不斷改進(jìn)，取得了一些新穎的研究成果[4,5]，但由于受表面張力[6]、邊界和空氣壓強(qiáng)等因素的影響，對(duì)于求解邊界處的不可壓縮性還存在一定的困難。而在真實(shí)感上，研究者為了達(dá)到更精細(xì)的效果，常常將網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化或增加粒子數(shù)，雖然細(xì)節(jié)效果更明顯，但與之帶來(lái)的后果是增加了算法的計(jì)算耗時(shí)。……