在计算机图形学中,真实的再现烟雾等自然现象一直是最具有挑战性研究方向之一。传统的粒子系统和纹理映射等方法模拟出烟雾真实感较差,无法满足高真实性要求。随着流体力学领域中对流体物理特性的研究日益成熟,基于物理的方法得到了广泛的应用,它从烟雾的内在物理特性出发,建立精确的物理模型,模拟出高精确度的烟雾动画。本文采用基于物理的方法进行烟雾模拟,并针对烟雾模拟的实时性和真实性要求进行研究。首先,在提高实时性方面,采用非粘性不可压缩Navier-Stokes方程组建立烟雾物理模型,利用有限差分法结合GPU加速技术求解烟雾物理方程,将求解区域离散化,并对烟雾基本物理方程进行简化,减少计算量。同时,应用MacCormack方法求解对流项,减少传统方法的求解步骤,提高计算速度并保证求解过程的无条件稳定性。其次,在提高真实性方面,引入风场的作用,使烟雾的形态和运动更加逼真自然。采用优化的卡门谱建立风场的互谱密度矩阵,引入特征正交分解(POD)技术求解矩阵,并利用快速傅立叶变换(FFT)技术求出脉动风在频域空间的速度场,将脉动风场以外力的形式加入到描述烟雾运动的物理方程中,实现风场与烟雾的交互作用。再次,将烟雾的重力、热浮力和漩涡约束力加入到影响烟雾运动的特征因素集中,改善烟雾的运动细节,增强运动的真实性。此外,考虑烟雾的密度和温度随速度场的变化,以准确的计算烟雾的重力和热浮力。最后,利用VC++语言和开放性图形接口OpenGL设计烟雾的实时仿真系统,对改进后的烟雾模拟算法进行验证,实验证明:利用本文的算法可以实时的生成在脉动风环境下逼真自然的烟雾。