SPH流体并行仿真的研究

bb20920d · 发表于 2022-4-29 12:19:47

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SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法是流体力学计算领域中应用比较广泛的方法，其基本思想是将整个流场的物质离散为一系列具有质量、速度和能量的粒子，通过核函数估值，可以计算流场中不同位置的粒子在不同时刻的各种动力学量。该方法避免了拉格朗日网格方法中的网格缠绕和扭曲题目，被广泛应用于大变形计算分析中。基于SPH方法的流体模拟是一种在航天工程、电影特效、游戏制作和医学应用等行业中发展很快的技术。实时应用程序中需要对流体进行快速的模拟，随着模拟场景越来越复杂，需要模拟大量的粒子以展现逼真的视觉效果，而SPH方法是计算密集型方法，CPU的计算能力远远达不到实时应用的需求，GPU的快速发展以及GPGPU的不断完善，为GPU的SPH并行加速提供了良好条件。本文的主要工作和取得的成果如下：1. 在SPH基础方法理论的研究方面，研究和实现了牛顿流体和非牛顿流体两大类流体的SPH算法仿真。在建立以NS方程为理论依据的流体模型的基础上，讨论了粒子相互作用、粘滞力、弹粘性力以及其他外力对流体的作用，针对两类流体仿真都使用SPH基于粒子的方法进行实现。2. 在SPH算法并行加速的研究方面，提出和实现了基于GPU的邻居粒子搜索方法和边界粒子碰撞处理算法。针对串行SPH程序中邻居粒子搜索占用大量运行时间和存储空间以及边界粒子检测困难的题目，给出优化加速算法。改进的邻域粒子方法通过缩小搜索范围、计算过程中不存储邻居粒子信息，充分利用GPU的并行计算资源，提高效率。快速边界粒子碰撞处理方法使用预计算距离场进行粒子与边界的碰撞检测，将检测时间复杂度降至O(n)。3. 在流体实时绘制方面，本文提出和实现了两种GPU渲染方法，分别为基于Optix的改进的光子映射方法和固定管线光栅化方法，通过实验比较与分析，光栅化方法是流体实时绘制的最佳选择。4. 最后在系统实现方面，研制了一套SPH并行流体仿真平台SPH_PFSP。实现了平台模型编辑、参数配置和流体交互等功能，将整个算法流程融入系统方便算法研究人员的使用。

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