基于物理方法的自然场景建模在计算机图形学领域是一个充满挑战的研究方向。结冰场景是自然场景不可或缺的重要组成部分,在数字娱乐和虚拟仿真等方面有着广泛的应用。作为一种复杂的自然材质,冰有着丰富的视觉细节特征,包括气泡、裂痕和体积膨胀。以图形学的表现方式对结冰过程的复杂特征进行人工建模是一个枯燥的工作。最近,研究者对包括冰柱、冰霜等特定的冰形态类型在基于物理方法的模拟上给与了很大的关注。对一定体积的冰的丰富视觉特征的描绘,包括其形成过程的物理模拟也得到了一定的研究。然而,现有的结冰模拟算法对于解决在流动状态下的水结冰现象的模拟仍是不足够的。在这种动态的结冰过程中,水的运动特性扮演了一个重要的角色。为了减少建模的代价和更有效地模拟多样的结冰现象,本论文提出了一个基于粒子方法的动态结冰物理模型。首先,我们以流体对水进行建模,构建一个基于粒子方法的动态结冰模拟框架。然后,在此基础上,改进热量扩散方程来准确求解温度变化问题。对于冰的非透明性质,根据粒子间的相对距离来模拟不透明气泡的均匀扩散过程。接着,我们采用了一个混合的固化方法来模拟结冰的稳定相变过程。最后,在基于粒子方法的模拟框架中,对于包含固液碰撞、摩擦、表面吸附和冰融化的多样结冰现象进行了有效模拟。结果表明,本文的方法对于模拟流水的动态结冰现象十分有效和稳定,同时,可以得到非常真实的视觉外观,令人信服的动画效果以及可控的结冰条件。本论文的主要贡献包括以下四个方面:(1)提出了一套基于粒子的动态结冰模拟方法。我们用粒子来表示水和冰,通过流体来对水的运动进行建模。流体的引入使得水的运动过程的表现更加灵活,并且在结冰结束时保持更丰富和自然的冰体形状。同时,结冰过程中的体积膨胀现象可以得到很好的表现。基于粒子的方法解除了空间的限制,因此,可以得到更真实的结冰过程动画。另外,基于粒子的流体模拟可以方便地实现固液交互的多样结冰现象。更重要的是,基于物理的结冰子过程可以很好地用粒子方法耦合,来共同构建一个合适、可扩展的结冰算法框架。(2)提出了一个准确合理的结冰过程物理模型,在基于粒子的框架中求解热量传递和气泡扩散过程。为了得到一个准确的热量传递过程,本文采用了一个改进的温度变化求解方程,该方程降低了求解复杂度,并考虑了冰和水的热学性质差异。不同的结冰速率、方向可以通过用户自定义的参数来控制。另外,非透明气泡的扩散考虑了粒子间的相对距离,可以到了一个接近真实的气泡分布状况。(3)提出了一个稳定的混合固化模型。本论文根据粒子的状态将结冰的相变过程分为两个阶段,在近似固体阶段使用基于粒子状态的黏度方法,在完全固体阶段利用基于位置方法的稳定性,采用形状匹配约束方法,使得相变过程更加简单、稳定和有效。(4)基于粒子方法的多样结冰现象的模拟。以统一的粒子模型对结冰场景中的固液碰撞、摩擦、表面吸附和冰融化现象进行有效地模拟,提高了结冰场景的多样性,并充分地验证了论文方法的有效性。