多相流灾害现象的多尺度建模与交互可视化研究

较之风花雪月的模拟，更为复杂的自然灾害现象的可视化仿真无疑具有更大的意义。传统方法要么采用宏观过程式模型，会过度简化而丢失诸多细节特征；要么是基于物理的方法，过于关注现象的微观机理，计算量大且不易动态交互。因此迫切需要发展一种面向可视化应用的多尺度建模方法。.本项目针对多相流类型灾害现象的多介质、多耦合、多互动、大尺度的特点，从微观动力学出发，研究其从微观到宏观的多尺度建模与交互可视化。主要从以下方面展开研究：首先构建现象的微观离散层次化模型，包括介质粒子的多分布表达、空间网格的自适应剖分、时空蔓延的灵活格点耦合；其次进行介质与环境的交互处理，包括层次分布函数反演的介质互动、启发式迭代的边界交互、光照散射跟踪计算的环境交互；此外发展大尺度可视化与快速绘制技术，包括考虑局部优化的预处理策略、面向显示的混合可视化和并行加速技术；最后实现几类典型多相流灾害现象的动态可视化。

较之风花雪月的模拟，涉及多种介质、多种相变、多态运动的流体灾害现象无疑更加复杂，其快速真实感仿真对于军事国防、航海驾驶、灾难预防、数字娱乐等都有着重大应用前景和深远的意义。传统方法要么采用宏观过程式模型，会过度简化而丢失诸多细节特征；要么是基于物理的方法，过于关注现象的微观机理，计算量大且不易动态交互。本项目针对多相流流体及灾害现象的特点，在多相流流体绘制、流固耦合与交互破裂仿真、流体灾害现象高效建模与快速绘制等方面进行了卓有成效的研究，提出了考虑相变的多相流流体模拟、基于无边界网格的自由表面流体快速绘制、基于视频的轻量化流体仿真、参与介质光照的交互计算、流固交互破裂的真实感模拟、保细节的大尺度流体模拟等新算法，实现了潮汐、洪水、泥石流、火山等灾害现象的高效建模与快速绘制。项目共发表学术论文25篇，其中国际SCI期刊论文9篇，EI检索论文13篇，培养毕业硕士研究生8名，相关关键技术研究成果大大丰富了基于物理的动态场景仿真的理论与技术，相关技术也有望应用于数字海洋开发、航海驾驶仿真、动画游戏展示、影视特效等行业领域。