基于邻居粒子密度加权平均值的自适应SPH方法

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在图形学流体模拟领域中,SPH方法已经逐渐成为模拟流体的主流方法。SPH方法的基本思想是把流体计算空间离散成一个个粒子,通过核函数估算的方式对每一个粒子进行受力分析,在力的作用下移动粒子,从而形成流动的液体。其中,光滑长度的大小非常重要,很大程度上决定了核估算的精度。如果光滑长度太小,则支持域内没有充足的粒子,核估算会带来很多误差,严重降低计算的精度。如果光滑长度太大,则支持域内粒子数过多,削弱了粒子之间的特异性,造成了数值耗散,同样降低了计算精度。而在图形学流体模拟中,通常采用的是固定光滑长度的方法,这将会造成在流体的一些区域核估算精度不高。比如在流体表面处以及水花飞溅处,采用固定光滑长度会造成支持域内粒子过少,从而降低了计算的精度。为此,本文提出了一种针对光滑长度的自适应SPH方法,为每个粒子分配独特的光滑长度,每个粒子会根据自身周边粒子密度情况对光滑长度进行动态调整。本文的主要研究工作如下:(1)研究光滑长度与密度的关系,设计一种针对光滑长度的自适应SPH算法。通过研究发现,一个粒子的光滑长度的变化规则与其周边粒子的密度加权平均值有着对应关系。如果周边粒子的密度加权平均值较大,表示该粒子周边粒子比较密集,通过公式计算可以得出较小的光滑长度。反之,通过公式计算可以得出较大的光滑长度。(2)为解决邻居粒子不对称问题,以及提升邻居搜索效率,设计了一整套基于自适应光滑长度的邻居搜索方案。首先,使用自适应光滑长度算法会造成邻居粒子不对称,为此本文设计了新的邻居粒子判断标准,解决了该问题。其次,为了提升邻居搜索的效率,本文提出了基于最大光滑长度的邻居搜索算法,可以更好的实现高性能计算。(3)为解决受力不对称问题,设计了对称核函数算法。采用了自适应光滑长度算法之后,会出现粒子受力不对称的现象。因此,本文设计了对称核函数的算法,可方便应用于各种受力方程,同时满足了牛顿第三定律,提升了模拟的真实性。(4)通过编程,成功实现了本文的自适应SPH方法,并通过实验验证了该算法的有效性。首先通过C++编程,不断优化算法,成功实现了本文的自适应SPH方法。实验结果表明,本文的方法是可行的,可以自适应的调整每个粒子的光滑长度。同时,该自适应方法可以有效提升邻居粒子的均匀程度,能够获得均匀的密度场,提升了计算的精度。相比于常用的固定光滑长度算法,该自适应SPH方法在模拟质量上有较好的提升。并且,具有更高的模拟稳定性,在计算效率上有更进一步的提升。
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