[發(fā)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

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911181115.4
• 申請(qǐng)日: 2019-11-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110956005A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郝愛(ài)民;高陽(yáng);鄭重;李帥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/28
• 分類號(hào): G06F30/28;G06F30/25;G06K9/62;G06T15/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

本發(fā)明涉及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，以實(shí)現(xiàn)高效且逼真的高速流體仿真為目的，并使其能用于具體的消防仿真場(chǎng)景。本發(fā)明使用拉格朗日法求解N?S方程進(jìn)行流體仿真的核心思想，在SPH流體仿真基礎(chǔ)上，圍繞流體粒子的速度域聚類結(jié)果展開(kāi)研究。首先利用k?means聚類算法根據(jù)粒子的速度進(jìn)行聚類，得到高速流體粒子與慢速流體粒子分組，然后利用雙尺度時(shí)間步長(zhǎng)框架分別對(duì)高速流體粒子和慢速流體粒子進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并通過(guò)設(shè)計(jì)耦合算法整合高速流體粒子與普通流體粒子，實(shí)現(xiàn)逼真、快速、兼顧細(xì)節(jié)的大規(guī)模流體仿真，并使其能夠在消防場(chǎng)景中得到相應(yīng)的運(yùn)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及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，屬于基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的流體動(dòng)畫(huà)仿真領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，流體仿真是一個(gè)跨學(xué)科、跨平臺(tái)的研究方向及工程領(lǐng)域，但是受限于現(xiàn)有硬件水平的計(jì)算能力的限制和人們對(duì)物理世界的不完全了解所導(dǎo)致的仿真算法的局限性，對(duì)流體模型進(jìn)行實(shí)時(shí)高效、逼真且穩(wěn)定的仿真模擬還存在諸多困難。近年來(lái)，滿足工程和科研要求的真實(shí)流體仿真?zhèn)涫車?guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。基于物理的真實(shí)感流體仿真研究對(duì)于從事流體相關(guān)的科研工作者和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究者來(lái)說(shuō)無(wú)疑面臨著巨大的挑戰(zhàn)，也具有巨大的吸引力，其在工程實(shí)踐領(lǐng)域也具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

基于物理的流體仿真方法主要分為三種：基于網(wǎng)格思想的歐拉方法和基于粒子思想的拉格朗日方法以及兩類思想結(jié)合的混合方法。拉格朗日方法中的SPH方法因?yàn)槠湄S富的粒子細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力及良好的整體場(chǎng)景表現(xiàn)能力而常被應(yīng)用于流體仿真的工程實(shí)踐當(dāng)中。受限于當(dāng)前計(jì)算能力的限制，對(duì)于流體細(xì)節(jié)的精細(xì)刻畫(huà)、擴(kuò)大仿真場(chǎng)景的規(guī)模的同時(shí)保證流體仿真的效率這三者具有不可調(diào)和的矛盾，在進(jìn)行精細(xì)流體細(xì)節(jié)渲染的同時(shí)很難保證實(shí)現(xiàn)大規(guī)模流體仿真。

在消防演練相關(guān)的仿真場(chǎng)景中，流體仿真是其中的一項(xiàng)重要的支撐內(nèi)容。消防場(chǎng)景下的流體仿真，與一般場(chǎng)景中的流體仿真既有諸多共性，也有很多的細(xì)節(jié)的區(qū)別，最大的不同體現(xiàn)在在消防場(chǎng)景中的消防設(shè)施所生成的水流一般是高壓強(qiáng)的，高壓強(qiáng)的流體一般在進(jìn)入大氣環(huán)境后伴隨有較高的流速，即粒子的初始速度較高。當(dāng)水流撞擊在火源及地面時(shí)所產(chǎn)生的流體細(xì)節(jié)比較豐富，同時(shí)，高速的流體粒子也給仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性要求提出了較高的要求。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出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，以實(shí)現(xiàn)兼顧速度、規(guī)模和細(xì)節(jié)的SPH流體仿真為目標(biāo)，圍繞基于物理的流體仿真方法展開(kāi)研究，首先用k-means算法對(duì)流體進(jìn)行聚類，然后在粒子聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)高速流體粒子進(jìn)行細(xì)致的流體計(jì)算，同時(shí)減少普通流體粒子的費(fèi)時(shí)計(jì)算過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了兼顧細(xì)節(jié)的大規(guī)模交互場(chǎng)景的實(shí)時(shí)逼真繪制，使其能在消防仿真場(chǎng)景中得到應(yīng)用。與現(xiàn)有的SPH 流體模型(如PCISPH、DFSPH)相比，本方法的方法由于在慢速流體計(jì)算過(guò)程中省略了對(duì)總體流體行為無(wú)影響的計(jì)算步驟，因此顯著提高了計(jì)算效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服了現(xiàn)有的SPH流體仿真方法的效率問(wèn)題，提供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，解決了流體實(shí)時(shí)性與仿真規(guī)模及細(xì)節(jié)之間的矛盾，滿足了對(duì)消防仿真過(guò)程中進(jìn)行高效逼真模擬的需要。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：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，包括以下五個(gè)步驟：

步驟(1)、應(yīng)用粒子聚類算法，根據(jù)粒子的速度域數(shù)值對(duì)粒子進(jìn)行聚類，在粒子聚類算法收斂時(shí)構(gòu)造兩個(gè)聚類的分組結(jié)果，并統(tǒng)計(jì)兩個(gè)聚類的分組結(jié)果中的速度分布，求得閾值，根據(jù)閾值將流體粒子分為高速流體粒子和普通流體粒子兩個(gè)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；