Large scale and interactive fluid simulation and rendering using the smoothed particle hydrodynamics technique on GPU

CNPqFluid simulation using meshless methods has increasingly become a robust way to solve mechanics problems that require dealing with large deformations and has become very popular in many applications such as naval engineering, mechanical engineering, movies, and games. One of the main methods is the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) which has the challenge of simulating fluid with different behaviors (multiphase, viscoelastic, viscoplastic, turbulent), and to render high visual quality results in real time. The main goals of this work are to investigate the following subjects: (a) the simulation of weakly compressible fluids using SPH for different behaviors, (b) the simulation of fluids in large scale and at interactive frame rates and (c) the rendering of fluids with balance between performance and visual quality. The implemented tool can simulate multiphase flow and viscoelastic fluids up to 1 million particles on GPU in interactive rates of 15 fps for 100k particles and 2 fps for 1M particles. Also, two rendering approaches were proposed: the first based on local illumination for multiphase fluids in real time and, to accomplish a more realistic result, an interactive solution based on Ray Tracing was proposed.Simulação de fluidos sem a presença de malha tem se tornado uma maneira robusta de solucionar problemas com grandes deformações e tem sido cada vez mais utilizada em aplicações nas áreas de engenharia naval, engenharia mecânica, indústria cinematográfica e jogos. Um dos principais métodos sem malha é o Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) no qual tem o desafio de simular fluidos com diferentes propriedades (multifásico, viscoelástico, viscoplástico, turbulentos) e também apresentar os resultados da simulação com alto realismo visual em tempo real. O objetivo desse trabalho é investigar os seguintes assuntos: (a) a simulação de fluidos fracamente compressíveis utilizando o método SPH para simular diversos comportamentos, (b) a simulação de fluidos em grande escala e em taxas computacionais interativas e (3) a renderização do fluido buscando o equilíbrio entre desempenho e qualidade visual. A ferramenta desenvolvida é capaz de simular fluidos viscoelásticos e fluxos multifásicos com até 1 milhão de partículas na GPU em taxas interativas de 15 fps para 100k partículas e 2 fps para 1M de partículas. E também, duas propostas de renderização foram desenvolvidas: a primeira baseada em iluminação local para fluidos multifásicos em tempo real e, para obtenção de resultados mais realistas, uma solução interativa baseada em Ray Tracing foi proposta