[發明專利]一種基于粒子聚類和拉格朗日方法的高壓消防水槍仿真方法

在審

• 申請號: 201911181115.4
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN110956005A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 郝愛民;高陽;鄭重;李帥
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/25;G06K9/62;G06T15/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

1.一種基于粒子聚類和拉格朗日方法的高壓消防水槍仿真方法，其特征在于，包括以下五個步驟：

步驟(1)、應用粒子聚類算法，根據粒子的速度域數值對粒子進行聚類，在粒子聚類算法收斂時構造兩個聚類的分組結果，并統計兩個聚類的分組結果中的速度分布，求得閾值，根據閾值將流體粒子分為高速流體粒子和普通流體粒子兩個集合，大于或等于速度閾值的為高速流體粒子，低于閾值的作為普通流體粒子；

步驟(2)、結合聚類算法所得到的分類結果，根據Courant–Friedrichs–Lewy條件計算得到兩種時間步長：主步驟時間步長和子步驟時間步長，每個主步驟包含若干個子步驟，普通流體粒子由于運動速度緩慢，粒子屬性變化量小，每個主步驟時間步長更新一次；高速粒子運動劇烈，為保證流體細節不丟失，每個子步驟時間步長更新一次，即假設每個主步驟中包含n個子步驟，則高速粒子沒更新n次時，普通流體粒子更新1次；

步驟(3)、通過SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法對粒子系統進行流體動力學計算：首先導入場景的靜態邊界模型，建立流體仿真所需的場景邊界，使用粒子生成導入的邊界模型的的表面結構，并使用流體的交互方式使固體對流體產生力的交互作用；然后確定初始粒子域的位置以及后續粒子的生成位置，求解Navier-Stocks(N-S)方程，通過離散的加權求和方式解算出粒子的各物理量；再以步驟(2)中的時間步長為積分量，對高速流體粒子和普通流體粒子分別進行更新，計算得到所有粒子在下一時刻的位置，更新粒子的速度和位置信息，生成新的粒子位置信息及結構，并更新相關的物理量；

步驟(4)、把高速流體粒子和普通流體粒子進行集成，利用耦合算法實現雙時間步長模型整合，計算并更新流體粒子的物理量，物理量包括密度、速度和位置；根據耦合算法實現流體仿真過程中高速流體粒子和普通流體粒子在同一仿真場景中的正確耦合；

步驟(5)、為實現真實感仿真效果，將仿真場景中的固體物體使用片面結構進行渲染呈現，而渲染的流體粒子細節直接用OpenGL繪制成粒子球在場景中進行表示，或使用Marching Cube算法生成片面加構，加以渲染呈現。

2.根據權利要求1所述的一種基于粒子聚類和拉格朗日方法的高壓消防水槍仿真方法，其特征在于：步驟(1)中，所述的粒子聚類算法采用k-means聚類算法，根據粒子速度值將粒子聚類成兩個分組，該過程使用流體的中間速度值作為聚類算法的輸入內容，并設定初始的平均值使其更快地實現算法的收斂，根據k-means聚類算法的原理，收斂的判斷條件表示為：

上式中，S_i表示所得到的第i個聚類的粒子集，v_j為第j個粒子x_j的速度值，為第i個粒子集內粒子的速度平均值。

3.根據權利要求1所述的一種基于粒子聚類和拉格朗日方法的高壓消防水槍仿真方法，其特征在于：步驟(2)中，所述主步驟時間步長和子步驟時間步長的計算，對于子步驟的時間步長大小的推導，使用所有粒子的最大速度值代入CFL收斂公式進行求解，而低速流體粒子組的最大速度則被用于代入到CFL公式中求解出主步驟的時間步長大小；所有流體粒子的最大速度用v_max,all表示，則子步驟時間步長Δt_mini表示為：

低速流體集合中的速度最大值為v_max,low，主步驟時間步長大Δt_major小表示為：

上述兩式中，參數a∈[0,0.5]，d為粒子半徑，同時設定閾值N_tres，若主步驟時間步長大小和子步驟時間步長大小的比例低于這一閾值，一個主步驟將會只包含一個標準的SPH模擬步驟；另外，為防止這一比例過大而導致模擬效果失真，設置一個最大的子步驟數量的上限N_max，一個主步驟內部所含有的子步驟的數量關系如下：

為保證算法穩定，設定N_tres的值不超過1.5。