SPH演算法簡介(五) 表面張力的計算

2021-06-19 01:28:10 字數 762 閱讀 3611

2023年04月22日 

所謂表面張力,正如前面所講,就是由於流體「試圖減小表面積」而產生的力,這種力產生的效果非常有趣,它會使肥皂膜緊繃,使水滴變成球形,但在大部分sph應用場合中,和其他力相比,表面張力產生的效果其實是微乎其微的,所以常常忽律表面張力的計算。

如果要想計算表面張力,就要考慮它的特殊性質,首先只有位於流體表面的粒子才會受到表面張力的影響,所以第乙個問題就是如何找到那些處於「表面」的粒子。

首先構造這麼乙個標量場,在有流體粒子的位置都染上乙個「顏色值」1,其他位置的」顏色值」都是0,針對二維情況說明,這就好像構造了類似於乙個「高度圖」的標量場。

根據光滑核原理,流體內任意一點r所在位置的「顏色」值為

(5.1)

對這個標量場做哈密頓運算,回想一下我們以前提到的梯度的概念,所得到的梯度場∇cs可以給我們兩個資訊,第一,由於梯度反應的是標量場中「變化的程度」,所以只有在流體的邊界部分才會有比較大的梯度值,而內部的梯度值幾乎為0,根據這個特性可以用來判斷粒子是否處於表面,第二,梯度場的方向指向大值部分,也就是流體的內部,而這正是表面張力的方向。

而表面張力的大小,則跟流體表面的「曲率」有關,這個值可以根據顏色值的拉普拉辛運算元計算

(5.2)

(5.3)

其中σ被稱為表面張力係數,跟流體的材質有關,所使用的光滑核函式和計算密度時的一樣,都是poly6,在3d情形下,它的哈密頓形式和拉普拉辛形式分別是:

(5.4)

(5.5)

最後可以求出受表面張力影響,粒子產生的加速度部分

(5.6)

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