816 research outputs found

    A Unified Particle System Framework for Multi-Phase, Multi-Material Visual Simulations

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    We introduce a unified particle framework which integrates the phase-field method with multi-material simulation to allow modeling of both liquids and solids, as well as phase transitions between them. A simple elasto-plastic model is used to capture the behavior of various kinds of solids, including deformable bodies, granular materials, and cohesive soils. States of matter or phases, particularly liquids and solids, are modeled using the non-conservative Allen-Cahn equation. In contrast, materials---made of different substances---are advected by the conservative Cahn-Hilliard equation. The distributions of phases and materials are represented by a phase variable and a concentration variable, respectively, allowing us to represent commonly observed fluid-solid interactions. Our multi-phase, multi-material system is governed by a unified Helmholtz free energy density. This framework provides the first method in computer graphics capable of modeling a continuous interface between phases. It is versatile and can be readily used in many scenarios that are challenging to simulate. Examples are provided to demonstrate the capabilities and effectiveness of this approach

    Multiphase SPH simulation for interactive fluids and solids

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    This work extends existing multiphase-fluid SPH frameworks to cover solid phases, including deformable bodies and granular materials. In our extended multiphase SPH framework, the distribution and shapes of all phases, both fluids and solids, are uniformly represented by their volume fraction functions. The dynamics of the multiphase system is governed by conservation of mass and momentum within different phases. The behavior of individual phases and the interactions between them are represented by corresponding constitutive laws, which are functions of the volume fraction fields and the velocity fields. Our generalized multiphase SPH framework does not require separate equations for specific phases or tedious interface tracking. As the distribution, shape and motion of each phase is represented and resolved in the same way, the proposed approach is robust, efficient and easy to implement. Various simulation results are presented to demonstrate the capabilities of our new multiphase SPH framework, including deformable bodies, granular materials, interaction between multiple fluids and deformable solids, flow in porous media, and dissolution of deformable solids

    Verification and Validation of Numerical Modelling Approaches Pertinent to Stomach Modelling

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    The digestive system is vital to the human body. Over many decades, scientists have been investigating the food breakdown mechanisms inside the stomach through in vivo human and animal studies and in vitro experiments. Due to recent improvements in computing speed and algorithm development, computational modelling has become a viable option to investigate in-body processes. Such in silico models are more easily controlled to investigate individual variables, do not require invasive physical experiments, and can provide valuable insights into the local physics of gastric flow. There is a huge potential for numerical approaches in stomach modelling as they can provide a comprehensive understanding of the complex flow and chemistry in the stomach. However, to make sure the numerical methods are accurate and reliable, rigorous verification and validation are essential as part of model development. A significant focus of this thesis was on verifying and validating the numerical modelling approaches pertinent to stomach modellin

    Fast Multiple-Fluid Simulation Using Helmholtz Free Energy

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    Multiple-fluid interaction is an interesting and common visual phenomenon we often observe. In this paper, we present an energybased Lagrangian method that expands the capability of existing multiple-fluid methods to handle various phenomena, such as extraction, partial dissolution, etc. Based on our user-adjusted Helmholtz free energy functions, the simulated fluid evolves from high-energy states to low-energy states, allowing flexible capture of various mixing and unmixing processes. We also extend the original Cahn-Hilliard equation to be better able to simulate complex fluid-fluid interaction and rich visual phenomena such as motionrelated mixing and position based pattern. Our approach is easily integrated with existing state-of-the-art smooth particle hydrodynamic (SPH) solvers and can be further implemented on top of the position based dynamics (PBD) method, improving the stability and incompressibility of the fluid during Lagrangian simulation under large time steps. Performance analysis shows that our method is at least 4 times faster than the state-of-the-art multiple-fluid method. Examples are provided to demonstrate the new capability and effectiveness of our approach

    A moving least square reproducing kernel particle method for unified multiphase continuum simulation

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    In physically based-based animation, pure particle methods are popular due to their simple data structure, easy implementation, and convenient parallelization. As a pure particle-based method and using Galerkin discretization, the Moving Least Square Reproducing Kernel Method (MLSRK) was developed in engineering computation as a general numerical tool for solving PDEs. The basic idea of Moving Least Square (MLS) has also been used in computer graphics to estimate deformation gradient for deformable solids. Based on these previous studies, we propose a multiphase MLSRK framework that animates complex and coupled fluids and solids in a unified manner. Specifically, we use the Cauchy momentum equation and phase field model to uniformly capture the momentum balance and phase evolution/interaction in a multiphase system, and systematically formulate the MLSRK discretization to support general multiphase constitutive models. A series of animation examples are presented to demonstrate the performance of our new multiphase MLSRK framework, including hyperelastic, elastoplastic, viscous, fracturing and multiphase coupling behaviours etc

    Flow and transport in saturated and unsaturated fractured porous media: Development of particle-based modeling approaches

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    Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von partikelbasierenden Strömungs- und Transportmodellen zur Charakterisierung von kleinskaligen Strömungsprozessen in gesättigten und ungesättigten Poren- und Kluftsystemen. Aufgrund der unzureichenden Prozessbeschreibung von ungesättigter Strömung in Doppelkontinuummodellen mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern werden innovative Methoden präsentiert um die zugrunde liegenden hochdynamischen Strömungs- und Transportprozesse zu erfassen. Die Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten geklüfteten Aquiferen bildet immer noch ein höchst anspruchsvolles Aufgabenfeld aufgrund von skalenübergreifenden Diskontinuitäten, welche oftmals die Definition eines globalen repräsentativen Einheitsvolumens nicht zulassen. Des Weiteren können die hydraulischen Eigenschaften und potentiellen Parameterräume von geklüfteten Aquiferen oftmals nur durch integrale Ansätze, wie z.B. Pump- und Slugtests, Zeitreihenanalysen von Quellschüttungen und Tracertests ermittelt werden. Doppelkontinuummodelle bieten hierfür einen ausgewogenen Ansatz hinsichtlich der erforderlichen Felddaten und der resultierenden prädiktiven Modellqualität. Der erste Teil dieser Arbeit evaluiert den Doppelkontinuumansatz, welcher die Simulation von Strömung mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern in zwei, durch einen linearen Austauschterm gekoppelten, Kontinua ermöglicht. Ganglinien von Karstquellen weisen eine charakteristischen steilen Abfall nach Niederschlagsereignissen auf, der durch das Modell erfolgreich reproduziert werden kann. Das Röhrensystem bildet die hydraulische Brücke zur Karstquelle und nimmt potentialabhängige Wassermengen des geklüfteten Matrixsystems auf. Um die Simulation von schneller Grundwasserinfiltration durch das Röhrenkontinuum innerhalb der ungesättigten Zone zu vermeiden wurde die entsprechende Randbedingung an die untere Grenze des Kontinuums gesetzt. Ein genereller Nachteil des Doppelkontinuumsansatz ist die potentielle Mehrdeutigkeit von Modellergebnissen. Der duale Parameterraum in Kombination mit schwierig zu ermittelnden Parametern, führt zur Existenz von mehr als einem kalibrierten Modell, wie durch mehrdimensionale Sensitivitätsanalysen aufgezeigt wird.  Insbesondere in Karstaquiferen bilden Diskontinuitäten, wie z.B. Lösungsdolinen, Klüfte und Störungssysteme, bevorzugte hydraulische Elemente für schnelle vertikale Grundwasserneubildungsprozesse, die oftmals nicht durch volumeneffektive Modellansätze erfasst werden können. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von zwei Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Modellen um ein adäquates numerisches Werkzeug zur partikelbasierenden Simulation von kleinskaligen Strömungen mit freien Oberflächen und Transportprozessen bereitzustellen. SPH Modelle ermöglichen eine Eulersche Beschreibung eines Strömungsfelds auf Basis der Navier-Stokes Gleichung und Partikelbewegung mittels klassischer Newtonscher Mechanik. Der gitterlose Modellansatz ermöglicht flexible Simulationen von hochdynamischen Phasengrenzen in ungesättigten Klüften und Porenräumen. Das erste SPH Modell wird eingesetzt um durch Oberflächenspannung dominierte Tropfen- und Filmströmungen auf glatten und rauhen Kluftoberflächen zu simulieren. Charakteristische dimensionslose Kennzahlen werden über einen weiten Bereich von Benetzungswinkeln und Reynoldszahlen bestimmt. Modellergebnisse weisen einen hervorragende Übereinstimmung mit dimensionslosen Skalierungsfunktionen auf und kritische Kontaktwinkel folgen der zu erwartenden Entnetzungsdynamik. Die Entstehung von adsorbierten Filmen auf trockenen Oberflächen wird für einen breiten Parameterraum bestimmt. Des Weiteren wird der Einfluss von befeuchteten Oberflächen auf die Geschwindigkeitszunahme von Tropfenströmung aufgezeigt und so die Bedeutung der Koexistenz verschiedener Strömungsmodi gezeigt. Der Effekt von Oberflächenrauhigkeit auf Tropfenströmung wird für verschiedene Rauhigkeiten ermittelt und eine deutliche Geschwindigkeitsabnahme demonstriert. Um die makroskopische Kontinuumsbeschreibung der Navier-Stokes Gleichung und atomistische Effekte eines klassischen Partikelsystems der statistischen Mechanik zu kombinieren wurde ein zweites mesoskopisches SPH Modell entwickelt. Diese neue Diskretisation der vollständig gekoppelten Landau-Lifshitz-Navier-Stokes und Advektions- Diffusionsgleichung ermöglicht die Simulation von Strömung und Transport bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationsdynamiken, welche sich korrekt der Systemskala anpassen. Die Verbindung von klassischer Fickscher Diffusion und thermodynamischen Fluktuationen wird hierbei durch einen effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben. Numerische Experimente zeigen die Präzision des Modells. Grenzflächen zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Konzentration weisen eine korrekte Wellenzahldivergenz entsprechend aktuellen Laborergebnissen auf

    Pumping of Concrete: Understanding a Common Placement Method with Lots of Challenges

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    Several million cubic meters of concrete are pumped daily, as this technique permits fast concrete placement. Fundamental research has been performed and practical guidelines have been developed to increase the knowledge of concrete behavior in pipes. However, the pumping process and concrete behavior are not fully understood. This paper gives an overview of the current knowledge of concrete pumping. At first, the known physics governing the flow of concrete in pipes are introduced. A series of experimental techniques characterizing concrete flow behavior near a smooth wall to predict pressure-flow rate relationships are discussed, followed by recent developments in the use of numerical simulations of concrete behavior in pipes. The influence of the pumping process on concrete rheology and air-void system is reviewed, and the first developments in active rheology control for concrete pumping are introduced. The last section of this paper gives an overview of open research questions and challenges
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