[发明专利]一种用湍流方程丰富火焰模拟细节的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用湍流方程丰富火焰模拟细节的方法，属于虚拟现实科学技术领域。

背景技术

火焰是自然界的基本元素之一，与人类的生存和生活有着密切的联系，在虚拟世界中对火焰进行真实重现，可以帮助人类增强认知，把握规律，改善人类行为，更好地按照规律办事。火焰的真实感模拟,在消防训练、军事仿真、影视特效、虚拟现实等领域有着重要的科学价值和经济效益，同时也是计算机图形学中最具有挑战性的研究方向之一。

燃烧是一种快速的带化学反应的流体动力学过程，受众多的因素影响。几乎所有的燃烧过程都伴随着流动过程，而燃烧所产生的火焰与这种流动相互作用，进而对火焰的结构、稳定性产生影响。通常，根据火焰的形态、稳定性，可将其分为两类：层流火焰和湍流火焰。根据流体力学的相关理论，当雷诺数较小的时候，黏性力对流场的作用大于惯性力，导致流速因受黏滞力的影响而衰减，流体流动趋于稳定状态，形成层流，层流火焰是最简单的一种火焰，火焰锋面光滑稳定；而当雷诺数较大时，惯性力对流场的作用超过黏性力，流体运动趋于不稳定，流速的微小变化容易发展和增强，形成紊乱、不规则的流场，成为湍流，湍流火焰结构复杂，其锋面出现许多褶皱和小漩涡。在实际生活中，由于燃烧环境的不稳定，所产生的火焰多数都具有湍流现象，所以对于湍流火焰的模拟可以获得更为逼真的、实际的效果，尤其是可以在影视、动画中产生更为生动的特效提供帮助。

传统的基于物理的火焰模拟方法是使用Navier-Stokes方程，通过求解Navier-Stokes方程得到火焰的密度场和温度场，再对求解所得的数据场进行渲染得到火焰面片。火焰作为一种低粘度的特殊流体，在实际的燃烧过程中是会呈现出丰富的细节特征的，然而由于求解方程过程中存在数值耗散的问题，火焰的许多细节特征丢失，造成所模拟的火焰真实感较差。本发明引入流体力学中的湍流方程，对火焰燃烧过程中的湍流进行建模，使得火焰呈现出湍流细节，增强真实感。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前火焰模拟中湍流细节丢失、真实感不强的现状，提出了一种湍流细节增强的火焰模拟方法，对三维火焰的湍流运动进行建模模拟，使得火焰的三维模拟效果更加逼真。

本发明提出一种模拟火焰湍流方法，包括以下步骤：

（1）、基于CUDA加速的Navier-Stokes方程求解，采用的是基于网格的欧拉法，对Navier-Stokes方程进行离散，并利用CUDA加速对离散后的方程进行数值求解，得到火焰的速度场、密度场和温度场，从而获取火焰的主体形态轮廓；

（2）、基于标准k-e湍流方程，使用粒子方法简化标准k-e湍流方程，然后使用第（1）步求得的速度驱动粒子运动，并利用CUDA加速求解简化后的方程，到粒子的湍动能和能量耗散率；

（2.1）利用求解Navier-Stokes方程得到的速度场计算应变量；

（2.2）由应变量计算能量产生项；

（2.3）将能量产生项带入粒子简化后的标准k-e湍流方程求解得到湍动能和能量耗散率；

（3）、由窄带随机纹理场生成随机速度场；

（3.1）创建一张由随机噪声点组成的随机纹理场R；

（3.2）对这张随机纹理场向下采样，得到尺寸减半的纹理场R↓；

（3.3）再将纹理场R↓向上采样，得到原尺寸大小的纹理场R↓↑；

（3.4）将原始纹理场R减去经过采样处理的纹理场R↓↑，得到具有窄带性质的随机纹理场；

（3.5）由随机纹理场R↓↑生成速度场；

（4）由随机速度场和湍动能合成具有高频特征的扰动速度场；

（4.1）在第（2）步得到的速度场中进行多频段采样，得到粒子所在位置处的速度；

（4.2）与第（1）步中的湍动能合成粒子的扰动速度；

（4.3）利用该速度高斯衰减地扰动粒子邻域内的网格节点处的速度，然后驱动密度场和温度场运动；

（5）对粒子进行分组，从前往后分别绘制每一组粒子，并利用CUDA和OpenGL的缓冲区映射，加速渲染，得到具有湍流细节的火焰面片；

（5.1）以视点和光源的半角方向为基准，将空间划分为垂直于该半角方向的均匀间隔的切片，然后将相邻切片之间的粒子分为一组；

（5.2）对于每一组粒子，分别以视点方向和光源方向进行绘制，然后从前往后将绘制结果进行混合，得到最终的火焰面片。

本发明的有益效果是：