非线性颗粒状物质与流体交互仿真方法

Compared to the traditional animation techniques, physical-based animation can provide much more realistic scenes and visual effects, which is widely used in many fields, such as movies, games and virtual reality, etc. However, there are still many difficulties in simulation of the coupling between granular materials and fluid for natural scenes, such as debris flow, landslide, and avalanche. The difficulties include the insufficiency of the cohesive force for granular materials under the influence of fluids, the representation of different kinds of materials, and the solving problems for multiple simulation objects under the unified framework. The project will focus on two aspects. On the first aspect, according to the theory of non-continuum mechanics, we construct the modelling of the granular materials and animate its movements directly by using an elastoplastic constitutive model. And we consider to establish the mechanical model like the cohesion and the friction based on different water saturation. On the other aspect, granular materials and fluid are animated under the unified framework. For the simulation of the large-scale scenes, we focus on the post processing and mixture rendering of different objects, and the efficiency optimization and the visual effect conformed by the physical reality.

物理仿真相对于传统动画模拟可以提供更加逼真的视觉效果，因而广泛应用于影视特效、游戏、虚拟现实等多个领域。然而，针对自然场景下广泛存在的如泥石流、山体滑坡、雪崩等颗粒状物质与流体的耦合现象的仿真还存在很多问题，如颗粒物质在流体作用下的内聚力表现不足、不同类物质的数据表示问题、利用统一的框架模拟多种类型的仿真对象的求解问题等。本课题重点研究如下内容：一方面，根据非连续介质力学理论对颗粒流建模，并利用弹塑性本构模型直接模拟非线性颗粒物质的运动；根据不同的水饱和度，建立颗粒状物质的内聚力、摩擦力等力学模型；另一方面，在统一的仿真框架下模拟颗粒物质及流体。针对大规模场景仿真问题，研究混合多种物质的仿真后处理和渲染问题，以及同时满足效率优化和符合物理真实的视觉效果的仿真方法。

颗粒状物质是自然界最常见的物质，不同的条件下具有类固体、类液体、类气体的特征。在实际的山体滑坡、泥石流、雪崩等大规模自然场景的仿真过程中，受限于复杂的力学模型、非连续介质颗粒物质建模、大规模偏微分方程求解等问题，利用统一的方式建模求解存在一定难度。本项目针对多态物质耦合的一系列问题，主要研究成果如下：.(1) 提出了简化的气泡表示和追踪方法，构建了流体内部气泡仿真方法，提升了流体细节真实感；在多相流体耦合方面，结合物质点法和相场模型，提出利用体能函数控制的多相流模拟方法，模拟了萃取、部分溶解等丰富效果，同时克服了粒子法扩散效率低的问题；.(2) 针对非线性颗粒状物质与流体的耦合问题，基于物质点法，构建体积分数计算的水饱合度模型，利用多重网格计算颗粒物质与流体的动量交换过程，形成流体与颗粒物质的统一表示、计算方法，该模型能够实现不同水饱合度作用下的颗粒流仿真效果；.(3) 在流固耦合模型中，提出引入移动最小二乘法对固体边界压强进行插值，提升了体积映射方法中压强及其梯度计算的准确度，从而提高了系统的稳定性；引入自适应广义插值和窄带固体方法，增强表面细节的同时，显著提升了计算性能；.(4) 在流固耦合交叉学科应用方面，为了模拟分子空腔口袋内部结构，设计了基于粒子法的分子空腔内部可视化方案，构建了生物分子空腔识别填充策略，提出了基于碰撞检测的层次计算模型。通过MSPocket和PocketPicker收集的典型数据集进行验证，所提出的方法在预测口袋准确率及位置方面，与现有的预测方法相比具有明显优势，且几乎支持生物分子内部的封闭空腔和各种尺度的外部开放空腔的识别和可视化。.复杂自然场景模拟中多态物质的表示和计算是近几年的热点问题。本项目的研究对于推进多介质混合真实感具有积极意义，相关成果可用于自然灾害演练、数字孪生、科普教育等领域，同时对于物理仿真在交叉学科的融合发展提供了依据。