[发明专利]一种混合流体相变动画生成方法及装置

说明书

本发明公开了一种混合流体相变动画生成方法及装置，包括：对混合流模型进行定义、及对混合流体流固耦合进行模拟，计算出粒子的新位置、体积分数、混合热扩散常数、以及混合熔点；根据计算出的粒子新位置、混合热扩散常数、混合熔点，进行温度扩散计算和粒子状态更新，通过粒子之间的温度差，采用热扩散方程计算粒子温度变化，然后根据混合熔点进行相变模拟；通过新位置计算出混合流固表面，新的体积分数计算出混合流固表面上的体积分数，并根据粒子更新后的状态区分流体表面和固体表面；将流体表面和固体表面的Mesh以文件的形式进行输出，用于动画帧的离线渲染。装置包括：流固耦合模拟模块、温度扩散和相变模块、混合流固表面计算模块、以及流固表面输出模块。

技术领域

本发明涉及计算机图形学中的物理仿真，包括基于物理的流体模拟、相变模拟和流固耦合模拟领域，涉及拉格朗日流体模拟方案中的SPH(光滑粒子动力学)方法，采用基于SPH的混合流体模拟方法与流体相变的结合，进行高精度混合流体相变模拟的研究。

背景技术

在计算机图形学中的流体模拟领域，多种流体的混合模拟越来越受到关注。多种流体混合模拟主要分为可互溶流体和不可溶流体的模拟。不可溶流体模拟主要集中在不同流体液面的分离，不同流体互不混溶，流体液面清晰可见。而在可溶流体模拟中，各个流体之间没有明确的液面，流体互相混合。在流体模拟领域，基于拉格朗日的SPH流体模拟方法具有很好的流体细节表现效果，尤其适合模拟高细节表现的流体动画，最近几年，基于SPH方法的混合流模型被提出来，该方法采用体积分数(Volume Fraction)进行混合流体模型的构建。

相变模拟方法同样是一个被广泛关注的领域，其主要用于模拟物质的融化和凝固等现象。相变，如水的凝固和冰块的融化等，是一个十分常见的物理现象。自然界中，每种物质都存在一个熔点，当温度升高时，物质会熔化，温度降低时，物质会凝固，相变模拟即是根据热传导方程进行熔化和凝固现象的模拟。在自然界中，溶液等混合物没有固定熔点，如酒精溶液的熔点介于水和酒精之间，与此类似，在水中加入盐会导致水的凝固点降低。

所以，不同流体混合后，溶液的凝固点会发生改变，本发明根据此现象进行相关方程的改进，提出了一种精确的混合流体相变动画生成方法及装置。

发明内容

本发明提供了一种混合流体相变动画生成方法及装置，本发明通过计算不同流体互溶后的熔点、热扩散常数等参数，可以精确的模拟不同熔点和热扩散常数下的流体的温度扩散和相变过程，详见下文描述：

一种混合流体相变动画生成方法，所述方法包括：

对混合流模型进行定义、及对混合流体流固耦合进行模拟，进而计算出粒子的新位置、体积分数、混合热扩散常数、以及混合熔点；

根据计算出的粒子的新位置、混合热扩散常数、混合熔点，进行温度扩散计算和粒子状态的更新，通过粒子之间的温度差，采用热扩散方程计算粒子的温度变化，然后根据混合熔点进行相变模拟；

通过新位置计算出混合流固表面，通过新的体积分数计算出混合流固表面上的体积分数，并且根据粒子更新后的状态区分流体表面和固体表面；

将流体表面和固体表面的Mesh以文件的形式进行输出，用于动画帧的离线渲染。

所述混合热扩散常数具体为：

其中，下标i代表粒子的编号，α_k为流体k的体积分数，c_mi和c_k分别为混合热扩散常数和流体k的热扩散常数。

所述混合熔点具体为：

其中，T_mi和T_mk分别为混合熔点和流体k的熔点。

所述热扩散方程具体为：