基于CUDA的流体与复杂形状固体交互的实时模拟

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1、声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名：乙≯l牛年；月≯4，日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：b脚年弓月缃硕士学位论

2、文基于CUDA的流体与复杂形状固体交互的实时模拟摘要＼㈣Y25㈣2㈣193眦6眦流体运动是自然界中普遍存在的一个现象，对该现象的实时模拟在计算机辅助设计领域有着迫切的需求。为了给国家粉体中心混合设备的研发设计提供辅助支持，需要开发一个能与复杂形状固体交互的流体实时模拟框架。但是由于流体运动的高复杂性，实时的模拟计算一直是该领域的研究重点及难点。因此，本文对流体的实时模拟进行了深入研究，主要研究内容概括如下：首先，深入研究了基于物理的流体模拟方法SPH(SmoothedParticleHydrodynamic．光滑粒子流体动力学)方法，分析了串行SPH算法及其数据依

3、赖和时间复杂度。其次，研究了高性能并行计算架构CUDA，并在CUDA架构上实现了并行化的SPH算法，实现了流体粒子的实时运动计算。在最影响SPH并行化实现性能的邻域粒子搜索环节，利用最新的Kepler架构GPU的特性，使用Z．order排列增强数据访问局部性改进了已有的并行邻域粒子搜索算法。再次，将与流体交互的复杂形状固体体素化为三角形网格，提出了一种基于层次包围盒的两阶段碰撞检测算法，使粒子与三角形网格碰撞检测的时间复杂度及计算量大幅降低，实现了流体与具有复杂形状的固体的实时交互。最后，使用OGRE图像引擎对仿真场景实现可视化，对固体和流体粒子采用不同的渲染技术

4、，其中由于流体粒子的数量很大，如何高效地渲染大规模粒子是一大难点。通过在OGRE中将粒子位置及颜色数据绑定GPU顶点缓存，使用CG硬件着色语言编写顶点和片段着色器，直接在GPU上将粒子渲染成屏幕上的像素，从而实现大规模粒子的高速渲染。关键词：CUDA，流体模拟，实时，光滑粒子流体动力学，Z-order，碰撞检测，OGREAbstract硕士学位论文Fluidmotionisacommonphenomenoninnature．Inthefieldofcomputer-aideddesign，real-timefluidsimulationisdesperatelyn

5、eeded．TosupportancillarydeviceresearchanddevelopmentforNationalSpecialSuperfinePowderEngineeringResearchCenter，a3DfluidsimulationframeworkiSneeded，whichcanbeusedtosimulatethemotionoflarge-scalefluidinteractingwithcomplexgeometricalrigidbodies．However,duotothehightcomplexityoffluidmoti

6、on，real．timefliudsimulationiSmostconcernedinthefield．So，thisP印erstudiesreal．timefliudsimulation，andthemaincontentsaresummarizedasfollows．Firstly,studyingSmoothedParticleHydrodynamic(SPH)approach，amodelbasedonphysics．Andwe’11analysisthedatadependenceandtimecomplexityoftheserialSPHalgor

7、ithm．Secondly,studyinghigh—performanceparallelcomputingarchitecture(CUDA)，andimplementingaparallelSPHalgorithmbasedonCUDA．ThesearchingprocessofneighborhoodparticlesgreatlyaffecttheperformanceofparallelSPHalgorithm．SowetakeadvantagesofthenewfeaturesofKeplerArchitectureGPU，useZ-ordertoo

8、ptimi