在这个科技腾飞的时代,基于计算机的现实世界模拟技术对解决实际的工程以及科学问题有了越来越重要的角色。随着全球环境的变化,关于水的破坏性事件在自然界中时有发生,如溃坝事件、城市内涝事件、山洪泥石流事件等。为了避免这类事件对公众产生生命及财产的危害,相关从业人员渴求一种可以对水体运动进行预报预测预演的系统。水体运动模拟的核心则为水体运动模型的研究,虽然几十年来,学者们在相关领域已经取得丰硕的成果,但本文结合现有的研究成果,从不同的角度对水体运动模型的提出了想法与设计,为相关领域献计献策。本论文对水体运动的建模、空间参数的自适应修正进行了理论性研究,进一步在基于Direct Compute的GPGPU技术下对两者进行了算法与技术实现研究,最终通过实验对这三大部分的理论性及技术性进行了实验验证。主要的工作内容如下:1、阐述了论文选题的背景与意义,总结了水体运动模拟模型的国内外研究现状,提出本文对于水体运动模型及空间系数自适应修正、GPGPU并行算法的研究方案。2、提出并研究了新的水体运动模拟模型——短生命周期的水体长方体粒子模型。通过对基于格网方法及粒子方法的核心思想学习,结合两者对水体运动模拟的优点进行水体长方体粒子模型的理论研究:以粒子来描述水体在一个计算周期的运动,这样可便利的将连续与不连续的水体运动事件用统一运动模型进行描述;在一个计算周期后,粒子将运动属性更新至属性格网,粒子生命周期结束。为了用较少的粒子达到对整个计算域的模拟要求,论文利用浅水方程纵向积分的思想对水体粒子也进行纵向积分,以降维的思想去减少水体运动模拟的数据量。主要内容包括粒子属性如何转换集成到属性格网、粒子运动方程的推导、粒子运动一致性的建模等内容。3、提出并研究了水体运动模型的空间参数自适应修正模型。通过对当前学者们在水体运动模型空间参数的研究总结,发现很少有关于水体运动模型空间参数自应修正的研究。在水体运动模拟中,大量的科研实践都从地形地表覆盖的类型出发,通过推导空间参数的计算公式进行计算,这一类工作可以有效的对预演做评估,但基于这种方法获得的参数在模拟系统中,往往还要进一步进行重新调整以达到模拟效果与真实值的吻合。因此本文直接从模拟系统这一角度出发,通过系统对参数的自适应调整使模拟达到与水体真实运动结果相一致的结果,不仅提高了模拟系统与目标模拟区匹配调整的效率,而且也提供了通过模拟反演来获取空间系数在空间的分布情况的方法。本部分的主要内容包括自适应控制理论的基础思想提炼、空间参数自适应修正的迭代公式以及基于水体运动特征的自适应修正逻辑的研究。4、对水体长方体粒子模型及自适应修正模型进行了基于Direct Compute的GPGPU并行算法设计。为了使水体长方体模型及修正系统可以根据地形数据、水体初始状态数据等初始化数据直接对模拟区域进行实时的水体运动模拟,整个模拟需要高效的计算,因此需要利用GPGPU并行计算进行合理的设计以使每个计算周期的时长满足计算结果实时显示的要求。为了提高计算的效率,首先要了解模型中计算所费时的地方:速度计算、CFL条件计算、控制点成本距离空间计算等。在速度计算中,如果将速度计算与属性集成合并一起,将出现较多重复计算,不利于效率的提升。因此本文将速度计算与属性集成分成两步计算,通过将速度结果存储在系统内存中这样的以空间换时间的做法提高了计算结果利用的重复率,从而提高计算的效率。对于CFL条件计算,本文研究了利用共享内存以及UAV资源对其进行归约求最值的方法来进行GPGPU并行算法设计;控制点成本距离空间的计算过程是一个累积过程,有前后逻辑,因此在GPU并行计算难以达到实时的要求,然而它在计算过程中是一个静态变量,因此可以利用预计算的方法避免实时计算时对它的计算付出。通过以上等内容的数据组织及算法设计,最终达到对水体运动模型的实时模拟。5、验证实验的设计与结果分析。主要包括对论文提出的短生命周期的水体长方体粒子模型的模拟正确性验证、空间系数自适应修正模型的验证、GPGPU并行设计的效率对比实验等。