● 摘要
作为计算机图形学中的热门研究领域，流体仿真一直广受学者的关注。随着研究的不断深入，单纯的流体仿真已经无法满足日益强烈的工业需求。近年来流固仿真开始成为新的焦点之一，并且被大量应用于虚拟手术、电脑游戏、数字电影制作等领域中。
流固交互仿真技术可大致划分为两个领域：基于粒子的仿真和基于网格的仿真，也存在将两者相结合的思想。拉格朗日法是经典的基于粒子的方法，粒子的自由天性让仿真能够捕捉到更多的流体运动细节。通过赋予粒子不同的物理属性，粒子法能够被拓展用于不同种类的固体仿真，包括物理状态变化。而网格法在处理状态变化仿真时存在难以攻克的缺陷，此外GPU技术的高速发展并展露其强大的并行计算能力，这也使得粒子法拥有更为广阔的前景。
本文的主要工作和取得的成果如下：
1. 使用了统一的基于粒子的流固交互仿真的标准框架，在物理仿真过程中不需要任何网格以及第三方物理引擎。通过使用物理力学对粒子集合进行约束，令用户能自主进行定制仿真场景。
2. 在仿真对象方面，设计了粒子模型下刚体、弹性体、塑性体以及柔性体的仿真，极大地拓宽了仿真领域。本文修改了经典的弹性体动力学，实现了GPU上的弹性体仿真。并在此基础上提出了新的柔性体仿真方法。
3. 在仿真效果方面，实现了粒子间的状态变化。对冰融化成水的过程进行了研究模拟，在他人工作的基础上提出了了基于粒子的热量传递模型。在熔化过程中加入了水滴的表面张力模型以实现更为真实的仿真细节。
4. 在交互机制方面，设计了动态耦合机制。修正了经典的流固交互方法，令其更简洁高效。同时将颗粒材料仿真模型引入固体耦合机制并加以修改，使得固体间的碰撞检测和碰撞处理更好地适应本系统的GPU加速平台，在提高了仿真速度的同时令碰撞效果更真实。