In this thesis, we present a particle-based method for simulating dynamic interaction between air and water. In conventional approaches to this problem, huge memory space was required to fully cover the simulation space with particles. In addition, it is hard to stably simulate motion of the air and water due to the drastic change of density at the air-water interface. The parts of the simulation space that are occupied by air are represented with volumes instead of air particles for reducing memory usage, and effectively deal with air pressure and instability at the interface for air-water interaction. We physically model air pressure exerted to the interface in order to simulate a glug-glug phenomenon and small scale dynamics of air bubbles. The instability at the interface is accelerated by introducing external forces onto particles around the interface, which are derived from the curvature of the interface. Finally, our model and the external forces are integrated with a well-known SPH simulation procedure. Through experiments, we show that our method can produce realistic simulation of air-water interaction with little memory overhead.
본 학위 논문에서, 우리는 물과 공기의 활발한 상호작용을 나타내기 위한 입자 기반의 시뮬레이션 방법을 제시한다. 이 문제에 대한 기존의 접근법에서는, 대기의 영향을 고려하기 위해서는 전체 시뮬레이션 공간을 입자로 채워 많은 메모리를 필요로 하였다. 추가적으로, 물과 공기의 경계에서 급격한 밀도 변화로 인해 물과 공기의 움직임을 안정적으로 시뮬레이션하기 어려웠다. 우리는 공기 입자 대신에 공기 영역을 부피로 나타내어 메모리 사용을 줄였으며, 공기 내부의 운동역학은 고려하지 않고 물과 공기의 경계에서 작용하는 공기압력과 불안정성만을 고려하여 서로 간의 상호작용을 효율적으로 다루었다. 우리는 glug-glug 현상과 공기방울과 같이 작은 규모의 움직임을 다루기 위해서 물과 공기의 경계에서 작용하는 공기압을 물리적으로 타당하게 계산하는 모델을 제시한다. 경계에서 불안정성을 가속시키는 힘은 경계 부근의 입자에 외력으로 작용하며, 이는 경계면의 곡률에 기반해서 구한다. 우리의 모델과 외력은 입자 기반으로 유체를 시뮬레이션 하는 방법 중에서 널리 알려진 SPH 시뮬레이션과 쉽게 통합된다. 실험을 통하여, 우리의 방법이 메모리 사용을 효율적으로 줄이면서도 물과 공기의 상호작용을 사실적으로 시뮬레이션 할 수 있음을 보인다.
