一种烟雾实时模拟的新方法

《一种烟雾实时模拟的新方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、万方数据802008，44(18)co，r妒Ⅱ抛r西画船eri昭∽dA朋舷m协邶计算机工程与应用一种烟雾实时模拟的新方法丁万宁，顾耀林DINGWan—ning，GUYao—lin江南大学信息工程学院，江苏无锡214122sch00lofInfo咖aLionEn舀neering，JiangnanUniVe腭ity，Wu)【i，Jiangsu214122，Chi眦E—mail：dingwanning@163．comD矾GWan—IIing。GUY帅一哳．NewnaI一恤眦simllIaⅡ衄methodof锄oke．ComputerEn咖eeri呜a硼Ap曲姐住

2、。眦，2∞8．44(18)：舳一82．AhIt瑚ct：In出ispaPer，amuhisc8lenuidmodelb船edonNavie卜Stokesispmposed，andtheoperatorspliningmethodisem—ployedtosplitthemodelintoadvectiontenn，diffusionte咖，extemalforcete册andpmjectionte肌．Everystepisstable，sothewholepmcessisalsostable．Andatthesametime，“vorticityconfin

3、ement”isusedtoenhancethereaI—timesimulation．Compamdwiththetraditionaltechnique，thismethodcanbetakenforreaIisticanimation粕dreal—timesimuIationforsmokeintwo—dimen—tionalspace．Keywords：multiscalenuid啪deling；Navie卜Stokesequ撕on；vorticitycon矗neI肥nt；staggered西d摘要：介绍了一种基于流体力学方程的多尺度流体模型，通过

4、Helmholtz—Hodge算子将模型分解为对流、扩散、外力、投影等项分别进行求解，每一步都稳定，因而整个求解也就稳定。同时利用“涡流限制”的技术提高模拟的真实性。与传统方法相比．该方法能实时高效地模拟具有真实感的二维烟雾效果。关键词：多尺度流体模型；纳维一斯托克斯方程；涡流限制；交错网格DoI：lO．3778巧．issn．1002—8331．2008．18．025文章编号：1002—833l(2008)18—0080—03文献标识码：A中图分类号：7I粥91．4l在计算机图形学(cG)的算法研究中，自然景观的模拟成为计算机幽形学的热点之一，在图形学领域

5、中，人们一直尝试利用计算机再现周围的自然景物。然而自然景物看起来简单，实际却是极其复杂。但是．烟雾等气态流体的动态模拟由于其广泛的应用前景还是吸引r众多图形学研究者的关注。烟雾模拟不仅广泛地应用在电脑游戏、影视特技、动画、广告、科学计算可视化等各种领域中，而且政府部fJ也想把烟雾运用到军事模拟和训练中。这些因素使得这-课题的研究成为目前的一个研究热点，也成为一个当前和未来计算机图形学发展的一个重点方向。然而，烟雾的流体特性使得对其进行真实的模拟具有较大的难度。计算机模拟流体的困难t要体现在如何建立真实感的流体模型、流体方程求解算法的复杂度以及速度、密度、温

6、度等多种矢量场和标量场的综合可视化方面。在计算流体力学(cFD)领域，强调对问题本身的精确求解，然后给出一个合理的分析；在汁算机图形学(cc)领域。强调的是视觉上的真实感以及模拟实时性：这就要求在模拟气态烟雾时不能只注重其中一个方面，而是把两者有机结合起来。由于图形学强调的是视觉的真实感，在解流体力学方程时通过简化方程，可以降低求解复杂度，快速求解，以便进行实时模拟。1相关工作从20世纪80年代至今，人们一直在不断地寻求新的方法来对烟雾进行实时模拟。早期的烟雾模拟算法

7、I。呔多建立在粒子系统的基础上，通常需要生成大量的粒子来模拟烟雾浓度，导致了计算量过大，

8、需要很长的模拟时间。此外结果的真实感也不强。后来，当流体力学领域中对流体的物理特性的研究算法比较成熟的时候。采用流体运动的力学模型即N—s方程组，用方程组来描述烟雾的运动。KaijyaI，首次利用该方程组对烟雾运动进行建模，并在二维动画模拟上取得了一些成果。后来Foste一4-sI对三维空间的烟和气流进行了模拟，并生成栩栩如生的漩涡状烟雾运动效果。但他们在求解流体力学方程组时采用了一种显式的方法，只有时间步长足够小的时候才能保证运算稳定性，从而也导致运算速度很慢，影响模拟实时性。stam”

9、在模拟-三维流体运动时。引入了一种无条件稳定的方法来近似求解流体物

10、理方程。但该方法会带来大量的数值耗散，从而导致一些典型的小尺度漩涡