一、系统开发的背景

”光滑粒子流体动力学（英语：smoothed-particle hydrodynamics, SPH）是一种用于模拟连续介质动力学的计算方法，如固体力学和流体流动。 它由Gingold和Monaghan（1977）和Lucy（1977）提出，最初用于天体物理问题。 此方法已被用于许多研究领域，包括天体物理学，弹道学，火山学和海洋学。它是一种无网格的拉格朗日方法（即坐标系与流体一起移动），并且方法的分辨率可以容易地相对于诸如密度的变量进行调整。光滑粒子流体动力学方法将连续流体分成一组称为粒子的离散元素。这些粒子具有空间距离（称为”光滑长度”，通常由h表示），携带了其所在位置的流体的性质，如质量、密度、速度、能量等。

二、国内外在该方向的研究现状及分析

国内外研究人员提出了很多嵌入到流体仿真 框架中的表面张力计算方法。早期 Morris[10]提出从 连续表面力模型出发模拟表面张力。后续 M#252;ller[11] 在此工作基础上提出基于颜色场方法进行表面张 力求解。他们提出的表面张力模型侧重于最小化表 面曲率，为每一个粒子计算法向量，以此确定力的 方向，而力的大小取决于粒子位置处曲率大小，而且对于流体内部的粒子，其法向量方向为任意的。 强洪夫等[12]在 Morris 提出的表面张力 SPH 方法基 础上，通过引入边界核函数插值方法对边界法向和 曲率的计算进行修正，得到表面张力修正方程组，以实现稳定的 SPH 表面张力计算。近些年，Yu 等 人[13]提出在流体粒子表面重建网格，然后用网格顶 点的曲率应用于其邻域流体粒子的表面张力计算， 证明在表面网格稠密的情况下可准确计算流体表 面张力。吴恩华[14]等人根据流体密度场提出一种基 于平均曲率的表面张力模型，能够有效地模拟水滴 的表面张力现象。Yang 等人[15]通过体积保持的平滑网格方式对流体表面张力进行计算，实现稳定流体 模拟，特别是具有较强表面张力的场景仿真。这些工作的流体表面张力效果基本都依赖于准确的流 体边界检测以及精确的表面法向量计算，同时曲率 的计算涉及二次求导，这对粒子的分布情况要求比 较高。 为避免对表面曲率及表面法向量的依赖，研究人员提出了通过邻域粒子间的相互作用力定义新 的表面张力模型[3][16]。该方法可避免错误的法向量 以及曲率计算，但是仅仅用粒子间作用力不能保证表面积最小化，无法实现准确表面张力计算。Clavet 等人[17]提出一种改进的 SPH 模型对表面张力进行 仿真，并提出一种基于距离的引力作用，获得较好的视觉效果。刘栋等人[18]提出基于 SPH 的粒子间 相互作用力模型以计算表面张力，获得了与基于连续表面力模型的 SPH 方法类似的表面张力效果。近 年来，He 等人[19]提出最小化表面能量的表面张力 模型，获得较好的视觉效果。Akinci 等人[4]提出一 种基于 SPH 流体的通用表面张力模型，该模型通过 结合内聚力项和最小化表面积项模拟表面张力。 Wang 等人[20]在 Akinci 方法基础上提出基于 IISPH 的流体表面张力和吸附力方法，能够较好地模拟流 体的表面微观特性，改善了数值稳定性和提高了计算效率。Yang 等人[21]提出一种可实时模拟不同界面 处交互作用的成对力 SPH 模型，该模型可在一次仿 真中同时处理多种类型的交互作用，并且缓解了自 由表面的粒子聚集现象。

三、研究目标

该课题的目标是完成一个基于SPH方法的流体解算器,通过输入不同的参数模拟不同性质的流体在不同情况下的物理性质.通过引入并行计算的方式对粒子的渲染加速并且在光线追踪器的框架下获得更好的渲染效果.

四、研究意义

表述，此时只有借助 真实世界物理规律得以实现。流体仿真作为计算机 图形学和虚拟现实的研究热点之一，在动画、游戏 及电影特效等领域具有重要应用。由于流体仿真的 复杂性，基于物理的流体仿真是最具挑战性的研究 问题之一。目前流体仿真有多种方法，其中 SPH （Smoothed Particle Hydrodynamics，光滑粒子流体 动力学）方法是近年来应用最广泛的无网格法.

五、开发技术介绍

1. 光线追踪（Ray tracing）是三维计算机图形学中的特殊渲染算法，跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线，通过这样一项技术生成编排好的场景的数学模型显现出来。这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果，但是这种方法有更好的光学效果，例如对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，所以当追求高品质的效果时经常使用这种方法。