基于物理的实时流体仿真是计算机图形学的重要研究方向之一,目前已经被广泛应用于计算机动画游戏、电影特效、工业仿真、军事仿真以及科普教育等多个领域。随着人们对流体动画需求的不断提高,如何生成逼真的动画效果以及如何快速仿真等问题成为当前学术界重要的研究方向。本文从解决逼真度和实时性仿真问题出发,重点研究了增强流体动画多细节和快速仿真的方法,设计了基于粒子与网格混合方法的多细节流体实时仿真方法。为了实现多细节的流体实时仿真,本文在LBM-VOF方法的基础上展开讨论和研究,从细节保护和细节增强两个方面实现多细节的流体仿真,并且通过GPU加速流体解算和流体渲染。通过实验对比,本文方法在细节保护、细节增强以及实时仿真及渲染三个方面取得了突破。具体研究内容及创新点归纳如下:1.提出了一种具有二阶精度的气体网格分布函数重构方法。该方法主要解决LBM-VOF方法中存在气体网格分布函数重构方法精度低的问题,其核心思想是首先通过Chapman-Enskog方法将分布函数展开,将分布函数分为平衡态分布函数和非平衡态分布函数两部分,再根据BGK模型相关理论近似的求解平衡态分布函数和非平衡态分布函数。由于该方法是通过BGK模型相关理论来计算的,所以该方法具有和BGK模型一致的二阶精度。实验结果表明,该方法的重构精度高于LBM-VOF方法中的重构方法,也一定程度提高了自由表面追踪的精度,从而实现流体表面的细节保护。2.提出了一种基于粒子-网格耦合的细节增强方法。该方法主要解决LBMVOF方法中存在异常界面网格的问题,其中核心思想是通过粒子代替异常界面网格进行演化,充分发挥网格方法求解速度场精确的优势和粒子方法善于表现流体表面细节的优势,并通过本文的双向耦合模型将粒子和网格两者有机的结合在一起。实验结果表明,该方法能够在保证流体系统物理守恒的前提下解决异常界面网格,并在一定程度上丰富流体的表面细节,从而实现细节增强的目的。3.设计了基于GPU的实时流体仿真和渲染方法。该方法主要解决大规模流体仿真带来的流体解算压力和流体渲染瓶颈,本文结合流体算法特性设计了一系列的高性能流体解算算法,同时针对流体渲染改进了基于GPU的屏幕空间渲染方法,使该渲染方法与本文方法能够较好的契合。实验结果表明,本文设计的基于GPU的实时流体仿真和渲染方法能够有效的加速算法和提高渲染效果,从而实现实时的流体仿真和渲染。