基于光滑粒子流体动力学方法的交互式水流加热仿真

王江坤，何坤金*，曹红飞，王金强，张 燕

（1.河海大学物联网工程学院，江苏常州213022； 2.河海大学企业管理学院，江苏常州213022）

（∗通信作者电子邮箱kjinhe@163.com）

0 引言

随着虚拟现实技术的发展，人们的消费方式产生了相应的变化，多数消费者不愿通过线下门店直接了解产品，而是希望通过虚拟场景还原产品的工作过程，从而到达对产品的多方面了解。选购太阳能热水器时同样如此，用户希望通过自己设定环境温度、加热温度、注水量等参数模拟热水器的工作过程，以仿真得到的数据直观地了解热水器的信息。热水器仿真的核心即为模拟内部的水流以及水流的加热过程。通过计算机仿真模拟水流并对水流加热过程进行分析，能够有效把握水流加热状态的合理性，从而模拟水流的热运动，真实还原热水器的工作原理，使用户通过交互控制少量系统定义的参数、修改加热条件，实现可交互的水流加热仿真。

近年来，计算机流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）领域发展迅速，Myuller等［1］将光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法［2-3］引入计算机图形学领域模拟流体，奠定了SPH方法流体模拟的基础，但模拟的流体有较为明显的压缩性；为改善流体的压缩性，Becker等［4］提出了弱可压缩的 SPH（Weakly Compressible SPH，WCSPH）方法，模拟出更为真实的流体效果，该方法被用于模拟海啸［5］、溃坝［6］、液滴碰撞［7］等场景；Grenier等［8］和Tartakovsky等［9］为模拟多种性质流体共存现象，在粒子间添加不同形式的排斥力，分别建立了气-液两相流与液-液两相流模型；Xiong等［10］利用两相流模型处理水加热过程水蒸气和液体两相粒子，模拟流体表面的沸腾现象；……