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1、基于GPU的非牛顿流体自由表面绘制方法ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用2007,43(18)19基于GPU的非牛顿流体自由表面绘制方法蒋杰,应龙,杨冰,吴玲达JIANGJie,YINGLong,YANGBing,WULing—da国防科学技术大学信息系统与管理学院,长沙410073SchoolofInformationSystemandManagement,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,ChinaE-一mail:kenstella@hotmail.e
2、omJIANGJie,YINGLong,YANGBing,eta1.Renderingalgorithmofnon一-NewtonianfluidfreesurfaceonGPU.ComputerEngineeringandApplications,2007,43(18):19-_-23.Abstract:Arenderingalgorithmofnon一-NewtonianfluidfreesurfaceontheGPUispresentedinthispaper..Firstly,physicalmodelofnon一-Newtonianfluidisanalyzed;t
3、hemodelisexpressedbyrationalmathematicfunctions.Secondly,onegoodvisualiza—tionmethodofnon—NewtonianfluiddynamicssimulationontheGPUispresented.Finally,theresultsofthetestprovethatthenewalgorithmcansimulatenon—NewtonianfreeSurfacewellinshorttime.ThenewalgorithmabsorbthestrongpointsofseveralmE
4、:thods.usetherationalmathematicfmnctions,realLizenon一-NewtonianfreesurfaceontheGPU,thesimulationeffeetisgoodandemeient.Keywords:computationalfluiddynamics;Navier-Stokesequation;non-Newtonianfluid;visualizationoffluid摘要:提出一种基于GPU的非牛顿流体自由表面绘制方法.首先,分析了非牛顿流体的物理模型,将流体的运动规律用合理的数学表达式进行描述:其次,针对非牛顿流
5、体的特点设计了合理的可视模型,提出了流体运动及自由表面的绘制方法,并且设计了相应的GPU实现算法:最后的实验证明了算法在合理的时间内能完全逼真的对非牛顿流体的自由表面进行真实的再现.算法充分吸收了以往方法的优点.采用了合理的数学模型.并利用GPU的运算特性实现了非牛顿流体自由表面的绘制,在绘制效果和效率上较以往算法都有较大改进.关键词:计算流体力学;纳维一斯托克斯方程;非牛顿流体;流体可视化文章编号:1002-一8331(2007)18一O019—05文献标识码:A中图分类号:TP391.91引言随着计算机计算能力的不断增强,尤其是GPU性能的迅速提高,使得基于物理的计算机动
6、画得到迅速发展.Alain['】基于Gerstner模型,采用拉格朗日粒子来模拟波浪参数表面,通过海底深度和坡度来来控制正弦函数波形.基于统计的FFT经验模型的方法可以很好地描述波幅较小的水平面.DorseylSbA~用粒子系统来模拟水滴运动以及水在固体表面的侵蚀效果.Y和Tonglm~lJ用metaball的概念来研究静态水滴效果,取得比较逼真的效果Fosted~采用三维NS方程来模拟流体运动,其中利用MAC(MarkerAndCells)求解流体,但由于采用显式格式,时间步长必须满足CFL条件(Courant—Friedrichs—Lewycondition)以使整个计算
7、收敛.Stam采用半拉格朗日法求解对流项,并结合隐式求解器.从而保证计算绝对稳定.Simont~$1J采用MPS(MovingParticleSemi-implicit)方法模拟多种类型的流动,该方法将NS方程转化为运动粒子相互作用的形式.上述方法没有严格区分牛顿流体和非牛顿流体,没有根据非牛顿流体的运动规律进行针对性的研究,往往把粘性系数介于水和固体之间的所有流体当作一类问题来研究.流体的模拟可以在单元的网格上执行,如果把单元的网格看作像素,就可以把可编程GPU优化为进行像素计算,GPU的并行性使它能
