Accurate real time fluid dynamics using smoothed particle hydrodynamics and CUDA

This thesis concerns the generation of physically and visually realistic simulations of fluids, to be used in interactive virtual reality environments. The goals of real-time rendering and physically realistic simulation of fluids are not easy to achieve alone and providing both at once can be a great challenge, due to their contrasting nature. In order to achieve a good trade-off between performance and accuracy, we extend a Smoothed-Particle Hydrodynamics approach for fluid modeling. An extensive review of many of the techniques proposed in the years by several authors is also provided in this thesis, producing a comprehensive state-of-the-art view of the method. Our SPH model for the simulation of multiple fluids is implemented both as a serial program and as a parallel program, achieving real-time frame rates thanks to the power of modern day's Graphical Processing Units. We provide solutions to the classic SPH formulation's weaknesses by extending known solutions. In addition, new solutions for tensile instability, free surface flow spurious surface tension and boundary handling are proposed. The provided SPH model is validated by comparison with an analytical physically realistic model on a water jet test case. Our SPH implementation is fast, versatile and accurate and provides a realistic fluid behavior for many different situations.

Lo scopo di questa tesi è ottenere una simulazione fisicamente e visivamente realistica di fluidi da usare per ambienti interattivi di realtà virtuale. Gli obiettivi di visualizzazione in tempo reale e di simulazione realistica dei fluidi sono difficili da raggiungere e provvedere ad entrambi è una grande sfida per via della loro natura contrastante. Per ottenere un buon compromesso tra accuratezza e velocità di calcolo, estendiamo un approccio basato su Smoothed-Particle Hydrodynamics per la formulazione del modello dei fluidi. Molte delle tecniche proposte negli anni da diversi autori sono presentate in questa tesi, proponendo una visione comprensiva dello stato dell'arte del metodo SPH. Il nostro modello SPH per la simulazione di fluidi multipli è implementato attraverso un programma seriale ed uno parallelo, ottenendo grazie alla potenza delle schede grafiche moderne computazioni in tempo reale. Presentiamo soluzioni per affrontare le debolezze della formulazione SPH classica estendendo soluzioni conosciute. Nuove soluzioni per i problemi di tensile instability, tensione superficiale fittizia e modellazione delle frontiere del dominio fisico sono proposte. Il modello SPH è validato comparandone l'accuratezza con un modello analitico e fisicamente realistico attraverso l'analisi di un caso di test appropriato. La nostra implementazione SPH è veloce, versatile ed accurata e produce un comportamento realistico del fluido per molte situazioni differenti.