随着计算机硬件的发展和互联网技术的普及，以及电影特效、电子游戏的飞速发展，大众对画面精美度以及对画面逼真度的不断追求，迫切需要提高计算机动画的模拟速度，自然景观的模拟就是其中很重要的一项模拟。近年来，自然景观的模拟成为计算机图形学的热点之一，其中火焰等气体的模拟吸引了众多图形学研究者的广泛关注。它们可以应用于电影特效、视频游戏和广告等行业，产生了巨大的社会和经济效益。随着计算机技术的不断进步和流体动力学的不断发展，火焰模拟技术也在不断的发展和进步之中。传统的基于粒子生成的火焰，大致能符合火焰的造型，一般情况下速度很快，但具有很大的随机性，粒子多的时候速度较慢。纹理技术方法生成的火焰，大致能符合火焰的造型，计算量较小，计算过程相对简单，基本能符合燃烧的场景，但存在人工绘制的痕迹。因此火焰模拟算法研究工作具有重要的现实意义。本文在概述了火焰渲染的各种研究方法以及近年来国内外在基于物理的火焰渲染领域研究趋势的基础上，采用一种基于物理模型的火焰实时渲染方法。本文的主要研究目标是提出并实现基于物理模型算法的改进，使得基于物理模型算法模拟速度更快，人机的交互性更强，生成的效果图更逼真，以推动火焰模拟技术快速向前发展。本文的研究工作主要包括以下三个方面：1.本文分析了火焰模拟技术的研究背景及意义，总结了现有各种火焰模拟算法，并提出现阶段火焰模拟算法的发展方向。研究并总结现有算法中基于粒子系统、纹理系统、物理模型的优缺点，为更进一步提高火焰模拟算法提供理论支持。2.本文详述了有限差分法、有限元法、有限容积法的定义，并比较了这三种数值解法的优缺点，决定应用有限差分法求解Navier-Stokes方程，应用Helmholtz-Hodge分解公式将偏微分方程分解，将偏微分方程分解成若干求解方便的子方程，然后再求解各子方程，采用半拉格朗日法求解平流项，利用粒子系统特点修改平流方程，利用隐式迭代方法进行求解扩散方程，可以以任意步长来进行火焰模拟，最后将各子方程求解的解集结合在一起而取得最终的方程解。3.本文首先介绍了GPGPU的概述，随之又介绍了CUDA的概述，在计算过程中由于计算机硬件GPU强大的并行计算能力，又由于子方程具有很高的计算密度，且子方程具有相同且彼此独立的运算步骤，所以很适合用GPU做并行计算来进行加速模拟。最后利用Jacobi迭代法求解线性方程组，利用光线投射算法对火焰进行渲染，并对光线投射算法进行并行计算，最后生成了逼真的火焰图像。实验结果表明：该方法实现简单，渲染速度快，显示的效果真实。