[发明专利]基于物理与非物理混合的复杂场景流固耦合高效模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于物理与非物理混合的复杂场景流固耦合高效模拟方法。其步骤为：1)不可压缩流体模拟，结合了欧拉方法和拉格朗日方法，提出了一种基于隐式粒子法的散度为零的光滑粒子流体动力学方法。2)流固耦合中的动力学问题求解，根据对象属性，将模拟对象的运动问题细分为三个子问题，分别使用不同方法对这三个子问题进行求解，实现一种多维度的分合计算框架。3)将断裂力学中的应变能密度概念和Voronoi空间分割相结合，实现了一种物理感知的破碎方法。本发明解决了在复杂流固耦合场景模拟中难以解决的模拟效率问题。对比以往流固耦合方法，本方法在相同系统资源下能够模拟细节更加丰富的流体场景，并且能够满足模拟流体冲击下固体发生破碎的需求。

技术领域

本发明涉及基于粒子的流体模拟和流固双向耦合模拟领域，尤其涉及一种基于物理与非物理混合的复杂场景流固耦合高效模拟方法。

背景技术

图形学领域，流固耦合方法的使用往往伴随着流体模拟。从计算对象上可以分为固体对流体单向耦合(one-way solid-to-fluid coupling)，流体对固体单向耦合(one-way fluid-to-solid coupling)以及双向耦合(two-way coupling)。在固体对流体单向耦合方法中，固体按照设定的状态运动，流体不会对固体的运动路径产生影响。相对应的，流体对固体单向耦合方法中，通过对接触面上流体压力和扭转力的积分确定流体对固体的运动影响。然而这两种方法只能简单地作为固体或流体的边界条件，无法真实地模拟固体与流体交互。而双向耦合方法由于交互过程在物理上十分复杂，不存在解析解，不同的方法之间存在各种差异，适用范围小。

下面先介绍已有的流固双边耦合模拟方法：

1)任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法

任意拉格朗日-欧拉方法结合了传统的拉格朗日和欧拉方法，允许边界网格或面片顶点的任意运动，从而有效跟踪物质边界的运动，在内部网格上，根据定义参数求解网格，在独立于物质实体同时使得网格不发生严重的畸变。

2)内嵌边界(Immersed Boundary)方法

IB方法，通过在固体点所在的位置计算质量力来模拟流体域固体在边界的交互。质量力产生的运动约束被用来维持接触面上速度和应力的连续性。

以上的方法都不能满足复杂流固耦合模拟的需求，其原因在于模拟复杂场景时，场景内包含了大量固体与流体。

发明内容

本发明的目的在于解决现有现有图形学领域流固耦合模拟受到计算效率限制仅局限在较小的场景规模，而且无法在耦合过程中模拟固体破碎等效果的问题，提出了一种基于物理与非物理混合的复杂场景下流固耦合高效模拟方法。

本发明具体采用的技术方案如下：

基于物理与非物理混合的复杂场景流固耦合高效模拟方法，包括以下步骤：

1)将流体离散成2种粒子：DFSPH粒子和FLIP粒子；开始时，通过插值邻域FLIP粒子上个时间片最终的速度得到当前时间片DFSPH粒子的初始速度；然后，通过散度为零的光滑粒子流体动力学(Divergence-free SPH，简称DFSPH)方法精确求解粘性不可压缩流体方程，得到当前时间片DFSPH粒子最终的速度和位置；最后，通过插值邻域DFSPH粒子最终的速度求解得到当前时间片FLIP粒子最终的速度和位置；该步骤可以通过FLIP粒子丰富DFSPH方法模拟的流体细节的同时确保了模拟的效率。

2)将刚体质量平均分配到刚体表面的刚体粒子集合上；将刚体粒子集合标记为特殊的SPH粒子(赋予与原集合中其他粒子不同的标记)加入到1)中的DFSPH粒子集合中；通过累加刚体粒子集合的受力和转矩矢量求解得到刚体在当前时间片最终的位置、速度和旋转；通过直行树方法更新流体粒子位置和速度，防止穿透刚体表面；