燃烧和爆炸
201 燃烧和爆炸制作流程
不论是在真实自然界中，还是在计算机中，燃烧都是一个非常复杂的过程，即便是在CFD领域，迄今为止仍然存在很多未解决的问题。而在计算机图形学，计算机动画领域，燃烧通常使用简化的控制方程，在这里我们简单的介绍一下整个燃烧的过程。
首先，燃烧的产生需要往流场中添加燃料，和温度一样，燃料可以通过发射器直接发射储至燃料（fuel 场）中，在发射器也同时发射了温度的情况下，当某一点的温度，超过了该点燃料的着火点时（Ignition Temperature），燃料就会被点燃开始进行燃烧反应。
在燃烧反应的过程中，燃料首先会不断减少变成燃烧状态（burn 场），但 burn 场并不是最终渲染的火焰，而是火焰产生的发射源。其值高的地方，表示燃料正在被积极消耗，火焰生成也较为强烈。burn场在经过一系列复杂的计算之后，会形成最终的火焰（heat 或 flame 场）
- 流程图待补充
在这个过程中，燃烧会持续释放出大量的热量，提高温度场的温度，从而也会气体体积的增加，以及浮力和翻滚动力的获取，最终出现火焰和烟雾膨胀并上升的现象。
在对燃烧有了基本概念的了解之后，我们就可以系统的看一下燃烧控制面板上的各个参数。
| 名称 | 默认参数 | 说明 |
|---|---|---|
| Ignition Temperature 着火点 | 0.1 | 当温度场的温度大于这个数值的时候，燃料被点燃开始进行燃烧反应并不断被消耗 |
| Burn Rate 燃烧速率 | 0.9 | 这里也可以说成“燃料消耗速率”，是燃料在被点燃后，转换成 burn 场的百分比，1.0表示所有的燃料都会转换到 burn 燃烧状态。 |
| Fuel Inefficiency 燃料效率低 | 0.1 | 不能进行有效燃烧燃料的百分比。 |
| Temperature Output 温度输出 | 0.25 | 控制燃料燃烧后，对温度的贡献强弱，并最终影响到浮力大小和翻滚动力。在真实物理世界中，不同的燃料燃烧后所释放的热量是不一样的，比如每公斤的煤在完全燃烧后所释放的热量，会远远小于同样质量的甲烷所释放的热量（甲烷（天然气）: 约为 55.5 MJ/kg，煤: 一般在 24到 35 MJ/kg 之间） |
| Gas Release 气体释放 | 15 | 燃烧的本质是一个剧烈的化学反应过程，在这个过程中，燃料与氧气反应生成二氧化碳或水蒸气等产物，这些化学反应的产物大多是以气体形态存在（从固体或液体转变为气体），所以在燃烧的过程中会导致体积产生剧烈膨胀，Gas Release 气体释放这个参数，控制了燃料燃烧后所导致的体积膨胀的长度，该参数在制作爆炸效果的时候，通常需要设置到较高的数值。 算法层面 Gas Release 直接修改压力求解所输入的 divergence 散度信息 |
Parameter Map
- 近期更新
Collision
- 近期更新
202 Explosion 爆炸
爆炸在流体计算领域是一种常见的仿真需求，它的整个计算过程和燃烧反应差别不大，Catalyst FX 也提供了相应的计算features，用于模拟燃料燃烧后产生的爆炸效果
物理意义
关于爆炸，最容易联想到的是世界大战时期，战场上最常用的TNT炸药，也就是聚能装药爆炸，在学术上可以把它归类为化学爆炸。新闻中出现的煤气罐爆炸，也属于化学爆炸的一种。但是在详细说化学爆炸之前，我们还是总体了解一下爆炸的种类。爆炸可以分为三种：
- 物理爆炸
- 核爆炸
- 化学爆炸
物理爆炸： 大致可分为三类：(i)压力容器的爆炸；(ii)火山的喷发；(iii)两种温差极大的液体快速混合。举例来说，家里高压锅爆炸就属于物理爆炸，在此过程中没 有化学反应的发生，只有压力的快速释放。
核爆炸： 包括核裂变、核聚变，其能量来自原子核的链式反应。简单来说，核爆炸释放的能量可以分为三类：(i)粒子的动能；(ii)气体的内能；(iii)热能。热能主要以热辐射形式表现，动能和内能大约占核爆炸能量的一半，并最终形成空气中的冲击波。
化学爆炸： 主要表现为化学反应的进行和化学能的释放，在计算机图形学中进行的爆炸效果模拟，会用到化学爆炸中的一些概念，如：着火点（ Ignition Temperature），燃料 （Fuel）等，但是和真正的基于化学反应过程实现的燃烧爆炸模拟相比，不能说不太类似，只能说是毫不相干。
核心参数
爆炸最核心的控制，就是对散度目标函数，或者说是对散度场（Divergence Field）的设置，通过设置 不同的散度（Divergence）数值，来实现各种爆破效果的调节，以下，我们先不考虑复杂的湍流细节，只考虑最重要的几个爆炸相关的参数
| 名称 | 功能 | 效果注解 |
|---|---|---|
| 燃料密度发射率Emit Fuel | 燃料会通过点燃，转换成燃烧（Burn），火焰（Heat），和温度（Temperature），并且这三者均会对散度有所贡献 | 发射器提供的燃料（Fuel）密度越高，爆炸越剧烈，想象一下30吨的TNT炸药爆炸，和30吨的大伊万（5000万吨TNT）爆炸有啥区别 |
| 燃烧冷却时间 Combustion CoolingDown Time | 该参数控制火焰（Heat）的冷却时间，单位是秒，即：N 秒之后，火焰将完全消失 | 默认参数下，Heat场 （或 brun场）是一个潜在的烟雾发射源，当Heat场的数值降低接近0 的时候，则被认为是燃烧不充分区域，这部分区域会产生浓烟。 同时，Heat场对会温度场进行贡献，Heat存在的时间越久，则温度持续的时间越久，烟雾受到的浮力则越久 |
| 气体释放 GasRelease | 控制燃料燃烧的反应过程，对散度场（Divergence Field）的贡献系数 | 整个燃烧反应，对散场（Divergence Field）度贡献的一个全局系数,该参数越大，燃料在燃烧的过程中就膨胀的越剧烈。 |
所以，如果要实现一个爆炸，最直接的方法，就是调整发射器的燃料（Fuel）发射强度和 GasRelease参数随时间的变换,以下我们step by step的演示以下
化学爆炸 301 Basic Explosion With Houdini
创建发射器 Source
如图（上）所示：在SOP Network中创建一套标准Pyro发射器，Catalyst FX 节点可以读取Houdini Pyro Source 节点已经创建好的Field，作为自己的发射源使用。这里我们直接将一个Houdini自带的甜甜圈转换成体积，对其设置合理的Noise密度分布，并将其作为爆炸发射器使用
接下来，我们可以创建 SOP 下的 CatalystSolver节点，将Solver节点第一个Input 连接至当前编辑好的发射器作为输入
燃料发射强度设置
我们在创建好的Catalyst Solver节点的 Sourcing 面板中依次勾选 Fuel，Temperature 和Velocity 的 Enable 开关。启动发射器的燃料，温度和速度的发射，在这里速度可以设置为正Y（0，1，0） 方向上一个比较大的数值，使得爆炸有较高的向上的初始速度
比较关键的是燃料参数的整体缩放系数，如图所示，我们对燃料参数进行一个key 帧处理，将燃料的初始发射密度设置成5，在经过24帧左右的时间之后，燃料发射器的整体发射强度，降低至0.2，创造出解算第一秒流场中产生爆炸和膨胀的条件
- 增加适当的湍流效果，最终得到 如图所示的爆炸模拟结果（精度： 220 * 480 * 220 帧数： 120 frames ，解算用时： 1 min with MTT S90 ）
- 为了得到更明显的爆炸效果，我们修改fuel的发射曲线，发射强度由最开的 5 ~ 0.2，修改成 10 ~ 0.2，得到图（右）的效果
小节：通过控制发射器的燃料发射密度，是最直接的制作爆炸的方法，更详细的有关于 Catalyst FX 制作爆炸的调参细节，可以参考手册后续的 Parameter Map章节，该章节会对每一种效果使用不同的参数有详细的对比和注解
物理爆炸 302 Ground Explosion With Houdini
Divergence Control
除了控制燃料发射密度的方式制作爆炸，我们也可以直接控制发射器直接对散度场进行填充，配合 Houdini 的粒子系统作为Catalyst Solver的发射器输入源，用于制作更复杂的爆炸效果
相比直接控制燃料发射密度的工作流程相比，通过直接控制散度 Divergence的方式，不会产生额外的燃烧反应温度，换句话说，散度控制（Divergence Control）和先前章节提到的爆炸分类中的物理爆炸，这分类有些类似，即整个爆炸的过程中没有任何化学能的转换，也没有复杂的燃烧温度输出反应。
- 待更新
多发射器爆炸案例
如图（上）：我们直接使用 Pyro Burst Source 节点创建一个粒子爆炸效果，并添加 Volume Rasterize Attributes 将粒子转成 VDB 体积。这部分发射器的制作流程和使用 Houdini Pyro FX 制作爆炸效果的流程完全一致。
如图（上）：制作多个爆炸点依次爆炸的效果。使用 TimeShift 节点，创建2号，3号爆炸点，让爆炸时间点在时间上错开，每个 TimeShift 节点将爆炸时间错开 3 帧时间差，再使用 Transform 节点偏移爆炸点位置，让爆炸在不同的地方产生。
这里制作好的原始 1 号爆炸点发 射器数据可以直接链接到 Catalyst Solver 节点 1 号 input 上，并在Catalyst Solver 节点的 Sourcing 面板上设置相关的发射参数。但是 emitter2 和 emitter3 节点处的发射器数据，如果我们需要对发射强度，发射方式进行单独控制，就需要在 Catalyst Solver 节点内部的 DOP 层级创建Catalyst FX发射器节点进行单独控制。
如图（上）：创建多个 AxField Source 节点，设置 SourcingGeoPath 参数路径为先前制作好的 2号，3号发射器位置。并单独设置不同的发射强度。这里为了让中心区域的爆炸效果更加剧烈，我们设置中间位置爆炸发射器的燃料发射强度（Scale）为 4倍，温度发射强度为 1.5 倍。然后点击时间轴上的 Play 案例播放计算结果。
如图（上）：可以看到在 Catalyst Solver 节点内部创建的 AxField Source 发射器正确的读取到了在 SOP 层级中使用 TimeShift + Transform 节点制作的多发射器信息。从 Frame 3 到 Frame 20 阶段可以清楚的看到整个爆炸呈有节奏顺序的产生。
创建 Catalyst 湍流节点
在对流体效果从整体往局部一层层添加细节控制的过程中，难免有额外的湍流效果添加需求，和创建多发射器节点一样，在 Catalyst Solver 内部的 DOP 层级中，也可以创建额外的，除解算器面板上默认提供的湍流类型节点。
如图（上）：在默认的 Catalyst Solver 节点内部，存在2个 Ouput 节点，一个是先前使用的发射器 Output 节点接口用于链接额外的发射器节点资源，还有一个是名为 Force 的节点类型接口，用于链接额外的湍流节点资源，这里我们在现有效果的基础上，添加一层更细致的 DisTurb 湍流（AxField_UltraTurb 节点），和一层更对流体大形态进行轻微干预的 CurNoise（AxField_CurlNoise 节点）。
如图（上）：来看最终结果，3个效果对比，画左:为原始模拟效果，没有添加任何湍流控制，画中: 为添加解算器面板自带的 DisTurb 湍流控制，湍流强度为 5，尺寸为 1 （米），画右: 为在 解算器自带的 DisTurb 效果的基础上额外再添加一层强度 为 25，尺寸为 0.3（米）的更细粒度高频湍流，在不影响流体大形态的基础上，为流体表面添加更多的扰乱细节。
节点可视化 Node Visualization
每一个在 Catalyst Solver 节点内部添加的湍流计算节点，都可以进行可视化看到当前节点的作用强度效果。（在每一个湍流节点的 Visualization 面板上进行设置）
如图（上）：当开启 Catalyst Solver 节点内部添加的湍流节点的 Visualization 功能后，Visualization 数据会从 Catalyst Solver 节点的第二个输出端口导出。可以添加 Transform + Merge 节点将计算结果合并在一起观看。每一层湍流控制的 Visualization 数据上，都有原始节点路径信息，在添加多个湍流控制节点的时候，便于区分每一份可视化信息的节点目标来源。
缓存发射器
爆炸总结：
化学爆炸：会模拟燃料的热反应过程，产生热量，影响流体所受到的浮力大小，释放的热量也会影响气体体积的膨胀，燃料燃烧后，会产生浓烟
物理爆炸：只产生纯粹的体积膨胀，不产生温度和热量，不贡献浮力
