KR20120072132A - Apparatus for single-phase particle simulation of trapped air bubbles in liquid flow - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체와 공기 방울 또는 공기 방울간의 양방향 상호작용을 이용하여 액체 내에서 형성된 공기 방울의 움직임과 이에 의한 액체 흐름 변화 등을 시뮬레이션하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a single phase particle simulation apparatus for expressing air bubbles in a liquid, and more particularly, the motion of an air bubble formed in a liquid using the bidirectional interaction between the liquid and the air bubble, or a liquid It relates to a technique for simulating flow changes and the like.
일반적으로 액체 내부에 형성된 공기 방울 시뮬레이션을 위해선 액체와 공기를 동시에 시뮬레이션하는 다중 위상 시뮬레이션(multi-phase simulation) 기법이 사용되어 왔다. In general, multi-phase simulation techniques have been used for simulating air bubbles formed inside a liquid.
그 중에서, 콜라그로시(A. Colagrossi)등은 질량밀도(mass density) 차이가 매우 큰 두 유체간의 안정적인 상호작용이 가능한 발전된 다중 위상 SPH 기법을 통해 물 속의 공기 방울 움직임을 시뮬레이션하였다. Among them, A. Colagrossi et al. Simulated air bubble movement in water using an advanced multi-phase SPH technique that enables stable interaction between two fluids with very large mass density differences.
이때 사용된 질량 밀도 비는 실제와 같은 1:1000 비율로 기존의 SPH 기법은 1:10 이상이면 시뮬레이션의 안정성에 문제점이 있었다. At this time, the ratio of mass density used was 1: 1000 ratio, and the existing SPH technique had a problem in the stability of the simulation if it was 1:10 or more.
또한, 뮐러(M. Mueller)등은 시뮬레이션의 효율성 증대를 위하여 공기에 해당되는 모든 공간을 파티클로 채우지 않고 물과 닿는 경계 면에만 공기 파티클을 위치시켜 공기 방울을 시뮬레이션하는 약한 의미의 다중 위상 시뮬레이션 방법을 제안하였다. In addition, M. Mueller et al., Is a weak multi-phase simulation method that simulates air bubbles by placing air particles only at the interface with water, instead of filling the air space with particles to increase the efficiency of the simulation. Suggested.
공기 파티클의 생성위치, 공기 파티클이 형성하는 레이어의 두께 등은 파티클 밀도 함수 등을 이용하여 결정하고 있다. 기존의 SPH 기법을 이용하여 밀도 비에 한계가 있어 인위적으로 부력을 추가하였다.The generation position of the air particles, the thickness of the layer formed by the air particles, and the like are determined using a particle density function or the like. The existing SPH method is used to artificially add buoyancy due to the limited density ratio.
또한, 홍정모 등은 고정된 그리드 기반의 시뮬레이터에서 다중 위상 시뮬레이션을 통해 다양한 공기 방울의 움직임을 시뮬레이션하였다. In addition, Hong et al. Simulated the movement of various air bubbles through multi-phase simulation in a fixed grid-based simulator.
나아가, 파티클 방법의 장점을 그리드 기반 시뮬레이터에 적용하여 그리드 해상도로 처리 할 수 없는 매우 작은 크기의 공기 방울을 SPH 파티클로 처리하고 비교적 큰 크기의 공기 방울은 그리드 공기로 표현하고 이들의 상호작용을 통해 매우 사실적인 시뮬레이션을 실현하였다.Furthermore, we apply the advantages of the particle method to grid-based simulators to process very small air bubbles that cannot be processed at grid resolution with SPH particles, and to express relatively large air bubbles as grid air and through their interactions. A very realistic simulation is realized.
또한, 그린우드(S. Greenwood) 등은 그리드 기반의 물 시뮬레이터를 기반으로 구모양의 공기 방울과 이들의 상호작용을 통해 공기 방울을 시뮬레이션하였다.In addition, S. Greenwood et al. Simulated air bubbles through their interaction with sphere-shaped air bubbles based on grid-based water simulators.
공기 방울의 생성 위치와 크기는 Flood Fill Algorithm을 이용하여 물에 의해 둘러싸인 빈 그리드셀을 찾아 결정되며 생성된 공기 방울은 물로부터만 영향을 받고 물의 움직임에 영향을 주지 못하는 일방향 상호작용을 하게 된다.The location and size of the bubble formation are determined by using the Flood Fill Algorithm to find an empty grid cell surrounded by water, and the generated bubble is only affected by the water and has a one-way interaction that does not affect the movement of the water.
물 혹은 액체 내에서 생성된 공기 방울을 정확히 시뮬레이션하기 위해서는 다중 위상 시뮬레이션이 필수적이지만 현실적으로 많은 어려움이 따른다. Multi-phase simulation is essential to accurately simulate air bubbles generated in water or liquids, but there are many practical challenges.
먼저 단일상 시뮬레이션에 비해 기술적 난이도가 높아 구현하기가 어렵다는 것이고 공기 전체를 시뮬레이션할 경우 사용 메모리 증가와 속도 저하로 이어진다.First of all, it is difficult to implement due to technical difficulty compared to single phase simulation, and the simulation of the entire air leads to increased memory used and reduced speed.
특히 물과 공기와 같이 질량 밀도 차가 매우 큰 경우 시뮬레이션의 안정성 확보에 많은 어려움이 있었다. In particular, when the difference in mass density such as water and air is very large, it is difficult to secure the stability of the simulation.
이런 현실적인 문제로 인해 실제 CG 제작현장에서 다중 위상 시뮬레이션을 이용하는 경우는 찾아보기 힘들다.Because of this realistic problem, it is hard to find a case where multi-phase simulation is used in actual CG production site.
좀 더 현실적인 방법으로 상기한 뮐러의 시도를 생각할 수 있겠으나 공기 방울이 파티클의 사이즈에 비해 큰 경우 공기 방울의 중앙이 비게 되어 공기 방울이 비 정상적으로 함몰하거나 물에 떠 있는 공기 방울을 시뮬레이션하기가 어렵다는 문제점이 있었다. You can think of Müller's attempt in a more realistic way, but if the air bubbles are larger than the particle size, the center of the air bubbles becomes empty, making it difficult to sink the air bubbles abnormally or to simulate air bubbles floating in the water. there was.
또한, 그린우드의 방법도 현실적인 대안이 될 수 있으나 물이 공기 방울에만 영향을 미치는 일방향 상호작용의 한계로 인해 공기 방울에 의해 생기는 물의 흐름의 변화를 시뮬레이션할 수 없는 문제점이 있었다.
In addition, Greenwood's method may be a realistic alternative, but due to the limitation of one-way interaction in which water affects only the air bubble, there is a problem that the change of water flow caused by the air bubble cannot be simulated.
본 발명의 목적은, 단일 위상 시뮬레이션으로 보편적인 SPH 파티클 시뮬레이터에서 기존의 구조 변화없이 공기방울의 처리를 간단히 구현할 수 있도록 하는 것이다. It is an object of the present invention to simplify the processing of air bubbles without changing the structure of conventional SPH particle simulator in a single phase simulation.
또한, 본 발명은 액체와 공기 방울 또는 공기방울간의 양방향 상호작용으로 공기 방울의 사실적인 움직임과 아울러 이에 의한 액체 흐름 변화 등을 시뮬레이션할 수 있어 결과물의 사실성을 높이는 것이다.
In addition, the present invention can simulate the realistic movement of the air bubbles and the liquid flow change by the two-way interaction between the liquid and the air bubbles or air bubbles to increase the realism of the result.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치는, 시뮬레이션 공간의 그리드화를 통해 공기 포켓에 속하는 셀을 선정하고, 상기 공기 포켓에 속하는 공기방울의 생성위치와 크기를 결정하여 상기 공기방울을 강성체로 모델링하는 공기방울 생성모듈과; 상기 공기방울과 액체 또는 공기방울간의 음의 값을 허용한 확장된 반발계수를 이용한 충돌기반 경계력에 근거하여 양방향 상호작용을 계산하는 공기방울 상호작용 계산모듈과; 상기 공기방울이 기설정된 삭제조건을 만족시키면, 상기 공기방울을 삭제하는 공기방울 삭제모듈;을 포함한다.In order to achieve the above object, a single phase particle simulation apparatus for expressing air bubbles in a liquid according to an embodiment of the present invention selects a cell belonging to an air pocket through gridization of a simulation space, and belongs to the air pocket. An air bubble generation module configured to model the air bubbles as a rigid body by determining a location and size of air bubbles; An air bubble interaction calculation module for calculating a bidirectional interaction based on a collision-based boundary force using an extended repulsion coefficient that allows negative values between the air bubble and liquid or air bubbles; And an air bubble deleting module for deleting the air bubbles when the air bubbles satisfy a preset deletion condition.
또한, 공기방울 생성모듈은, 삼차원 구 모양의 액체 밀도의 1/10을 갖는 가벼운 강성체인 것을 특징으로 한다.In addition, the air bubble generation module is characterized in that the light rigid body having a tenth of the three-dimensional sphere-shaped liquid density.
또한, 공기방울 상호작용 계산모듈은, 상기 양방향 상호작용 계산시 충돌기반 경계력을 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the bubble interaction calculation module is characterized in that for using the collision-based boundary force when calculating the two-way interaction.
또한, 공기방울 상호작용 계산모듈은, 상기 공기방울과 액체의 상호작용 시 질량 밀도의 차이가 생길 경우, 충돌하는 파티클의 개수로 나누어 상기 충돌기반 경계력을 보정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the bubble interaction calculation module is characterized in that the collision-based boundary force is corrected by dividing by the number of colliding particles when a difference in mass density occurs when the bubble and liquid interact.
또한, 공기방울 상호작용 계산모듈은, 상기 공기방울간의 충돌기반 경계력 적용 시, 음의 값을 허용하는 확장된 반발계수를 이용하여 상기 공기방울간의 중첩을 허용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the bubble interaction calculation module, when applying the collision-based boundary force between the bubbles, it characterized in that the overlap between the bubbles by using an extended rebound coefficient that allows a negative value.
또한, 상기 공기방울 삭제모듈은, 상기 설정된 조건은 상기 공기방울의 생존 시간이 기 설정된 최대 생존 시간을 넘는 조건, 상기 공기방울이 액체 표면에 떠 있는 시간이 기 설정된 최대 시간을 넘는 조건, 상기 공기방울간 서로 많이 겹쳐 있는 조건, 상기 공기방울에 액체가 부딪히며 특정 정도 이상의 충격력을 전달하는 조건, 상기 공기방울의 젖음 정도가 특정 값 이하인 조건 중 적어도 어느 하나 이상에 해당 될 경우 상기 공기방울이 삭제되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the air bubble erasing module, the set condition is a condition in which the survival time of the air bubble exceeds a preset maximum survival time, a condition that the time the air bubbles float on the surface of the liquid exceeds a predetermined maximum time, the air bubble The air bubbles are deleted if at least one or more of the conditions overlapping each other, the condition that the liquid hits the air bubbles and delivers the impact force of a certain degree or more, the condition that the degree of wetness of the air bubbles is below a certain value. It is done.
본 발명은, 단일 위상 시뮬레이션으로 SPH 파티클 시뮬레이터에서 기존의 구조 변화없이 공기방울의 처리를 간단히 구현할 수 있는 효과가 있다. The present invention has the effect that it is possible to simply implement the treatment of air bubbles in the SPH particle simulator without changing the existing structure in a single phase simulation.
또한, 본 발명은 액체와 공기 방울 또는 공기방울간의 양방향 상호작용으로 공기 방울의 사실적인 움직임과 아울러 이에 의한 액체 흐름 변화 등을 시뮬레이션할 수 있어 결과물의 사실성을 높일 수 있는 효과가 있다.
In addition, the present invention can simulate the realistic movement of the air bubbles and the liquid flow change by the two-way interaction between the liquid and the air bubbles or air bubbles, there is an effect that can increase the realism of the result.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치의 블럭도.
도 2는 도 1에 따른 공기방울 처리부에 대한 상세 블럭도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공기 포켓에서 공기방울의 생성과정을 설명하는 도면.1 is a block diagram of a single phase particle simulation apparatus for representing air bubbles inside a liquid according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a detailed block diagram of the air bubble processing unit according to FIG.
3 is a view for explaining the process of generating air bubbles in the air pocket according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. . In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다.
Hereinafter, a single phase particle simulation apparatus for expressing air bubbles in a liquid according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 이하의 설명에서 사용되는 용어를 설명하기로 한다.First, to help understand the present invention, terms used in the following description will be described.
- 단일 위상 유체 시뮬레이션(single phase fluid simulation) : 한가지 종류의 유체 만을 시뮬레이션 방법. 예로 물 시뮬레이션의 경우 공기의 움직임과 공기와 물의 상호작용 시뮬레이션은 하지 않고 물의 움직임 만을 시뮬레이션하는 방법이다. Single phase fluid simulation: A method of simulating only one type of fluid. For example, in the case of water simulation, it is a method of simulating only water movement without simulating air movement and air-water interaction.
- 다중 위상 유체 시뮬레이션(multi-phase fluid simulation) : 여러 종류의 유체를 동시에 시뮬레이션하는 방법이다. Multi-phase fluid simulation: Simultaneous simulation of several types of fluids.
예를 들면, 물과 공기를 같이 시뮬레이션하면 물의 격렬한 흐름에 갇힌 공기 방울을 움직임을 시뮬레이션할 수 있다(단일 위상 시뮬레이션인 경우, 갇힌 공기 방울을 즉시 함몰되어 없어 지게 된다). For example, simulating water and air together can simulate the movement of air bubbles trapped in a turbulent flow of water (in a single-phase simulation, the trapped air bubbles will immediately sink and disappear).
또한, 단일 위상 시뮬레이션에서 비해 계산량이 증가하고 물과 공기의 같이 질량 밀도가 큰 경우 여러 가지 안정성 문제를 해결해야 한다.In addition, many computational problems have to be solved when the amount of computation is increased and the mass density of water and air is higher than in single phase simulation.
- 공기 포켓(air pocket) : 물과 같은 액체의 격렬한 움직임에 액체 내부에 포획된 공기 주머니이다.Air pocket: An air pocket trapped inside a liquid due to violent movement of the liquid such as water.
- SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) : 파티클을 이용한 유체 시뮬레이션 기법으로 유체 방정식을 움직이는 파티클 위에서 푸는 라그란지안(Lagrangian) 방식이다.Smooth Particle Hydrodynamics (SPH): A fluid simulation technique using particles, which is a Lagrangian method that solves fluid equations on moving particles.
- 그리드 유체 시뮬레이션(grid-based fluid simulation) : 그리드를 이용한 유체 시뮬레이션 기법으로 고정된 그리드에서 유체 방정식을 푸는 오일러리안(Eulerian) 방식이다.
Grid-based fluid simulation: Grid-based fluid simulation is an Eulerian method for solving fluid equations on a fixed grid.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치의 블럭도이다.1 is a block diagram of a single phase particle simulation apparatus for expressing air bubbles in a liquid according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치는 보편적인 SPH 파티클 시뮬레이터에서 기존의 구조변화 없이 간단히 구현할 수 있다.Referring to FIG. 1, a single phase particle simulation apparatus for expressing air bubbles in a liquid of the present invention may be simply implemented without changing the structure in a conventional SPH particle simulator.
즉, 도 1에서 공기방울 처리부(140)를 구비하지 않을 때, 보편적인 SPH 파티클 시뮬레이터 구조가 된다.That is, when the air
액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치(100)는 네이버 서칭 모듈(Neighbor searching)(110), 파티클 상호작용 계산모듈(120), 파티클 업데이트 모듈(130), 공기방울 처리부(140)를 포함한다.The single phase
네이버 서칭(Neighbor searching) 모듈(110)은 cell-linked list 방법으로 주변 파티클 정보를 계산하는 모듈이다. The
네이버 서칭(Neighbor searching) 모듈(110)은 이를 위해 적당한 격자크기를 설정하여 시뮬레이션 공간을 격자화하고 파티클 위치 정보를 이용하여 파티클과 파티클이 위치한 셀(cell)을 대응시킨다. The neighbor searching
네이버 서칭(Neighbor searching) 모듈(110)은 이 과정을 통해 격자를 구성하는 각각의 셀은 자신의 셀에 속한 모든 파티클의 정보를 갖게 된다. The
그러면 공기방울 생성모듈(141)은 공기 포켓에 속하는 셀을 선정하여, 공기 포켓에 속하는 공기방울의 생성위치와 크기를 결정하기 위해 공기방울을 생성한다.The air
즉, 공기방울의 생성위치와 크기의 결정을 위해서는 시뮬레이션 공간의 격자화 혹은 그리드화가 필요하다. That is, in order to determine the location and size of the bubble generation, it is necessary to gridize or grid the simulation space.
먼저, 액체 파티클의 위치를 통해 그리드에 속해 있는 모든 그리드 셀을 액체 셀(liquid cell)과 공기 셀(air cell)로 구분한다. First, all grid cells belonging to the grid are classified into liquid cells and air cells through the position of the liquid particles.
이때, 액체가 차지하고 있는 볼륨은 전체 그리드의 일부 공간이므로 액체 볼륨에 속하지 않는 공기 셀을 찾을 수 있고, 그린우드의 방법과 비슷하게 플러드 필 알고리즘(Flood Fill Algorithm)을 적용하면 이 셀과 연결된 공기 셀들을 찾을 수 있다. 이 공기 셀들은 액체를 둘러싸는 외부 대기가 되는데 이런 공기 셀을 대기 셀(atmosphere cell)로 다시 이름 붙인다. At this time, since the volume occupied by the liquid is a part of the entire grid, it is possible to find an air cell that does not belong to the liquid volume, and similar to Greenwood's method, when the Flood Fill Algorithm is applied, the air cells connected to the cell You can find it. These air cells become the outer atmosphere that surrounds the liquid, renaming these air cells as atmospheric cells.
여기서 플러드 필 알고리즘이란, 다차원 배열에서 지정된 위치와 연결된 부분을 결정하는 알고리즘이다. In this case, the flood fill algorithm is an algorithm for determining a portion of the multidimensional array connected to a specified position.
이 과정을 거치고 난 후에도 공기 셀로 남아 있는 셀은 액체에 의해 둘러싸인 공기 포켓(trapped air pocket)으로 판단할 수 있다. After this process, the cells remaining as air cells may be determined as trapped air pockets surrounded by liquid.
보통 하나 이상의 공기 포켓을 얻게 되는데 본 발명에서는 이중 임의로 하나의 공기 포켓을 선택하여 포켓 내부에 공기 방울을 생성한다. Usually one or more air pockets are obtained in which the present invention randomly selects one air pocket to create air bubbles inside the pocket.
공기 포켓에 속하는 셀을 선정하여 그 셀을 중심으로 공기 포켓에 속하는 가장 큰 삼차원 구를 계산하여 공기방울의 위치와 크기를 결정한다. The cell belonging to the air pocket is selected and the position and size of the air bubble are determined by calculating the largest three-dimensional sphere belonging to the air pocket.
파티클 상호작용 계산모듈(120)은 생성된 공기방울과 액체 혹은 다른 공기방울간의 양방향 상호작용을 확장된 반발계수를 이용하여 충돌 기반 경계력(collision based boundary force)을 확장 적용하여 계산한다. The particle
파티클 업데이트(Particle update) 모듈(130)은 파티클 상호작용 계산모듈(120)에서 계산된 공기방울에 작용하는 경계력을 바탕으로 공기방울의 위치와 속도를 업데이트 한다.The
공기방울 처리부(140)는 유체 시뮬레이션에서 유체 내부에 생성되는 공기 방울 처리기술에 속하며, 공기 방울을 가벼운 강성체로 모델링하고, 액체와 공기방울 또는 공기방울간의 양방향 상호작용으로 공기방울의 움직임 및 이에 의한 액체 흐름 변화를 시뮬레이션한다.The air
공기방울은 가벼운 구(sphere) 모양의 강성체로 모델링하며, 공기방울과 액체 혹은 공기방울간의 충돌기반 경계력에 근거한 상호작용의 확장으로 표현한다. Bubbles are modeled as lightweight sphere-shaped rigid bodies, expressed as an extension of interaction based on collision-based boundary forces between bubbles and liquids or bubbles.
공기방울의 생성 위치와 크기는 앞의 그린우드(Greenwood)에서와 같이 액체에 의해 둘러싸인 영역을 찾아 결정한다.
The location and size of the bubble formation is determined by finding the area surrounded by the liquid, as in Greenwood earlier.
도 2는 도 1에 따른 공기방울 처리부에 대한 상세 블럭도이다.FIG. 2 is a detailed block diagram of the air bubble treatment unit of FIG. 1.
공기방울 처리부(140)는 공기방울 생성모듈(141), 공기방울 상호작용 계산모듈(142), 공기방울 삭제모듈(143)을 포함한다.The air
공기방울 처리부(140)는 보편적인 SPH 파티클 시뮬레이터에서 기존의 구조변화 없이, 공기방울을 가벼운 강성체로 모델링하고, 액체와 공기방울 또는 공기방울간의 양방향 상호작용을 실행한다.The air
공기방울 생성모듈(141)은 시뮬레이션 공간의 그리드화를 통해 공기 포켓에 속하는 셀을 선정하여, 공기 포켓에 속하는 공기방울의 생성위치와 크기를 결정하여 공기방울을 가벼운 강성체로 모델링한다.The
공기방울 생성모듈(141)의 기본이 되는 것은 시뮬레이션 공간의 그리드화를 통한 각각의 셀의 구분이다. The basis of the
이 그리드화는 기존 시뮬레이터에 존재하는 네이버 서칭(neighbor searching) 그리드를 이용하면 별도의 그리드 및 계산 필요 없이 쉽게 구성이 가능하다. This gridization can be easily configured without the need for a separate grid and calculation by using a neighbor searching grid existing in the existing simulator.
물론, 네이버 서칭 그리드와 다른 격자화를 구성할 수 있으나 추가 계산과 상당량의 메모리 소요가 발생할 수 있다. Of course, you can configure a different grid than the Naver Search Grid, but additional computations and significant memory requirements can occur.
공기방울 생성모듈(141)이 실행되는 위치는 기존 시뮬레이터를 기준으로 네이버 서칭 모듈(110)과 파티클 상호작용 계산모듈(120) 사이이다.The position where the air
공기방울은 다음과 같이 모델링 된다.Air bubbles are modeled as follows.
먼저, 공기 방울을 가벼운 삼차원 구 모양의 강성체로 표현한다.First, the air bubble is expressed as a light three-dimensional sphere-shaped rigid body.
또한, 강성체는 물 밀도의 1/10으로 설정한다. 실제 공기 밀도(물의 1/1000)를 사용할 필요가 없으며 시뮬레이션이 안정성이 보장되는 최소 밀도를 선정하면된다.In addition, a rigid body is set to 1/10 of water density. There is no need to use the actual air density (1/000 000 of water), and the simulation selects the minimum density that ensures stability.
또한, 공기방울과 물의 밀도 차이에 의해 충돌기반 경계력으로부터 공기방울에 자연스러운 부력이 작용하게 된다. In addition, due to the difference between the density of air bubbles and water, the natural buoyancy acts on the air bubbles from the collision-based boundary force.
이 경우, 특정 크기의 공기방울 상승 속도가 실제보다 느리게 시뮬레이션 될 수 있으나 시각적으로 그 차이를 발견하기는 힘들다. In this case, the rate of bubble rise of a certain size can be simulated slower than it actually is, but it is hard to see the difference visually.
또한, 공기방울의 상승 속도는 시뮬레이션에서 기 선정한 최대 파티클 속도 이하가 되도록 조정한다.In addition, the rising speed of air bubbles is adjusted to be below the maximum particle speed selected in the simulation.
또한, 공기방울의 상호작용은 확장된 충돌 기반 경계력(collision based boundary force)를 적용하여 안정적인 상호작용을 수행할 수 있다.In addition, the interaction of air bubbles may perform stable interactions by applying an extended collision based boundary force.
공기방울 상호작용 계산모듈(142)은 공기방울과 액체 또는 다른 공기방울간의 충돌기반 경계력을 기반으로 상호작용을 계산한다.The bubble
즉, 공기방울간의 상호작용은 파티클 상호작용 계산모듈(120) 내부에 위치한 공기방울 상호작용 계산모듈(142)에서 공기방울과 액체 또는 공기방울간의 상호작용의 특수한 형태로 처리된다.That is, the interaction between the bubbles is processed in a special form of the interaction between the bubbles and liquid or air bubbles in the air bubble
다시 말해, 공기방울이 강성체로 모델링되어 강성체와 액체 또는 강성체간의 상호작용의 특수한 형태로 처리되는 것이다.In other words, air bubbles are modeled as rigid bodies and treated as special forms of interaction between rigid bodies and liquids or rigid bodies.
공기방울과 액체 간의 상호작용은 기본적으로 공기방울과 액체의 상호작용과 같이 처리한다. The interaction between bubbles and liquids is basically treated like the interaction of bubbles and liquids.
그러나 질량 밀도의 차이가 많이 생길 경우 즉, 물에 비해 매우 가벼운 공기방울이 상호작용할 경우 기존의 충돌 기반 경계력이 비정상적으로 커질 수 있으므로 충돌하는 파티클의 개수로 나누어 경계력을 알맞게 보정한다.However, when there are many differences in mass density, that is, when very light bubbles interact with water, the existing collision-based boundary force may be abnormally large, so the boundary force is properly corrected by dividing by the number of colliding particles.
또한, 공기방울과 액체간의 상호작용을 거치면, 각각의 공기방울이 액체와 어느 정도 맞닿아 있는지 계산할 수 있다. In addition, through the interaction between the bubble and the liquid, it is possible to calculate how much each bubble is in contact with the liquid.
구체적으로 액체와 맞닿아 있는 공기방울의 표면적을 공기방울 전체 표면적으로 나눈 값을 젖음 정도(wet fraction)으로 정의할 수 있다.Specifically, the value obtained by dividing the surface area of the bubbles in contact with the liquid by the total surface area of the bubbles may be defined as a wet fraction.
공기방울간의 상호작용은 음의 값을 허용한 확장된 반발계수(coefficient of restitution)을 사용하여 충돌기반 경계력을 확장한다. The interaction between the bubbles expands the collision-based boundary force by using an extended coefficient of restitution that allows negative values.
보통의 충돌에서는 0 이상의 반발계수 값을 사용하여 서로간의 침투를 방지한다. In normal collisions, a repulsive coefficient value of zero or more is used to prevent penetration.
반발계수의 값을 -1 에서 0 사이로 하면, 약한 반발력이 작용하여 공기방울간의 중첩을 허용할 수 있다. If the value of the rebound coefficient is between -1 and 0, a weak repulsive force can be applied to allow overlap between the bubbles.
서로 근접한 공기방울은, 주위 액체의 압력에 의해 서로 가까워 지게 되는데 확장된 반발계수가 이 접근 정도를 조정하는 역할을 하게 된다. Air bubbles in close proximity to each other are brought closer to each other by the pressure of the surrounding liquid, and the extended repulsion coefficient plays a role in adjusting this approach.
반발계수의 값이 -1 이면 반발력이 전혀 작용하지 않아 공기방울이 서로 완전히 겹쳐질 수도 있다. If the value of repulsion coefficient is -1, the repulsive force is not applied at all, and the bubbles may overlap completely.
공기방울 삭제모듈(143)은 공기방울이 기설정된 삭제조건을 만족시키면, 공기방울을 삭제한다.The
이때, 공기방울 삭제모듈(143)은 파티클 상호작용 계산모듈(120)이 끝나고 파티클 업데이트 모듈(130)이 이루어지기 전에 실행된다.At this time, the bubble delete
공기방울의 삭제조건은 다음과 같다.The conditions for the deletion of air bubbles are as follows.
1. 공기방울의 생존 시간이 기 설정된 최대 생존 시간을 넘어설 경우,1.If the survival time of the bubble exceeds the preset maximum survival time,
2. 공기방울이 액체의 표면에 떠 있는 시간이 기 설정된 최대 시간을 넘어설 경우,2. If the time the air bubbles float on the surface of the liquid exceeds the preset maximum time,
3. 공기방울간 서로 너무 많이 겹쳐 있을 경우,3. If too many air bubbles overlap each other,
4. 공기방울에 액체가 부딪히며 특정 정도 이상의 충격력을 전달할 경우,4. When a liquid hits a bubble and delivers a certain amount of impact,
5. 공기방울의 젖음 정도가 특정 값 이하일 경우 중 적어도 하나 이상의 삭제조건에 성립되면 공기방울을 삭제한다.
5. If the degree of wetting of the bubbles is below a certain value, at least one of the following conditions is deleted:
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공기 포켓에서 공기방울의 생성과정을 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining the process of generating air bubbles in the air pocket according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, (10)은 그리드(grid), (20)은 액체, (30)은 공기 포켓, (40)은 공기방울이다.Referring to FIG. 3,
공기 포켓(30)의 모양으로부터 공기방울(40)의 중심과 반지름을 계산한다. The center and radius of the
본 발명에서는 한 번의 타임스텝에서 하나의 공기방울(40)만 생성되는데 여러 번의 타임 스텝을 거치면 공기 포켓(30)을 채우는 복수개의 공기방울(40)들을 만들 수 있다.In the present invention, only one
따라서, 물과 같은 액체 시뮬레이션에서 액체(20)의 격렬한 흐름에 의해 액체(20) 내부에 생성되는 공기방울(40)을 효율적으로 시뮬레이션을 할 수 있다.Therefore, in the liquid simulation such as water, it is possible to efficiently simulate the air bubbles 40 generated inside the liquid 20 by the intense flow of the liquid 20.
따라서, 액체 시뮬레이션의 사실성을 증대시켜 유체 특수 효과 연출 등에 효과적으로 사용될 수 있다.
Therefore, it can be effectively used for producing fluid special effects by increasing the realism of the liquid simulation.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
Although a preferred embodiment according to the present invention has been described above, it can be modified in various forms, and those skilled in the art can make various modifications and modifications without departing from the claims of the present invention. It is understood that it may be practiced.
10: 그리드
20: 액체
30: 공기 포켓
40: 공기방울
100: 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치
110: 네이버 서칭 모듈
120: 파티클 상호작용 계산 모듈
130: 파티클 업데이트 모듈
140: 공기방울 처리부
141: 공기방울 생성 모듈
142: 공기방울 상호작용 계산 모듈
143: 공기방울 삭제 모듈10: grid
20: liquid
30: air pocket
40: air bubble
100: single phase particle simulation device for air bubbles in liquids
110: NAVER Search Module
120: Particle Interaction Calculation Module
130: particle update module
140: air bubble treatment unit
141: bubble generation module
142: Bubble interaction calculation module
143: bubble erasing module
Claims (1)
상기 공기방울과 액체 또는 공기방울간의 음의 값을 허용한 확장된 반발계수를 이용한 충돌기반 경계력에 근거하여 양방향 상호작용을 계산하는 공기방울 상호작용 계산모듈;
상기 공기방울이 기설정된 삭제조건을 만족시키면, 상기 공기방울을 삭제하는 공기방울 삭제모듈;을 포함하는 액체 내부의 공기방울 표현을 위한 단일 위상 파티클 시뮬레이션 장치.
Selecting cells belonging to the air pocket through gridization of the simulation space, and determining the location and size of the air bubbles belonging to the air pocket, modeling the air bubble as a light rigid body having 1/10 of the liquid density. Generation module;
An air bubble interaction calculation module for calculating a bidirectional interaction based on a collision-based boundary force using an extended repulsion coefficient that allows negative values between the air bubble and liquid or air bubbles;
And an air bubble deleting module for deleting the air bubbles when the air bubbles satisfy a predetermined erasing condition.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100133944A KR20120072132A (en) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | Apparatus for single-phase particle simulation of trapped air bubbles in liquid flow |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020100133944A KR20120072132A (en) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | Apparatus for single-phase particle simulation of trapped air bubbles in liquid flow |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120072132A true KR20120072132A (en) | 2012-07-03 |
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ID=46706937
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| KR1020100133944A KR20120072132A (en) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | Apparatus for single-phase particle simulation of trapped air bubbles in liquid flow |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120072132A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10572609B2 (en) | 2014-11-13 | 2020-02-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and apparatus to model objects including particles |
| KR102088514B1 (en) * | 2018-10-10 | 2020-03-12 | 국방과학연구소 | Apparatus and method for detecting shape of bubbles in liquid-gas mixed flow |
-
2010
- 2010-12-23 KR KR1020100133944A patent/KR20120072132A/en not_active Application Discontinuation
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| KR102088514B1 (en) * | 2018-10-10 | 2020-03-12 | 국방과학연구소 | Apparatus and method for detecting shape of bubbles in liquid-gas mixed flow |
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