[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

本發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，以實現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景。本發明使用拉格朗日法求解N?S方程進行流體仿真的核心思想，在SPH流體仿真基礎上，圍繞流體粒子的速度域聚類結果展開研究。首先利用k?means聚類算法根據粒子的速度進行聚類，得到高速流體粒子與慢速流體粒子分組，然后利用雙尺度時間步長框架分別對高速流體粒子和慢速流體粒子進行流體動力學計算，并通過設計耦合算法整合高速流體粒子與普通流體粒子，實現逼真、快速、兼顧細節的大規模流體仿真，并使其能夠在消防場景中得到相應的運用。

技術領域

本發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，屬于基于計算機圖形學的流體動畫仿真領域。

背景技術

目前，流體仿真是一個跨學科、跨平臺的研究方向及工程領域，但是受限于現有硬件水平的計算能力的限制和人們對物理世界的不完全了解所導致的仿真算法的局限性，對流體模型進行實時高效、逼真且穩定的仿真模擬還存在諸多困難。近年來，滿足工程和科研要求的真實流體仿真備受國內外學者和科研機構的關注?；谖锢淼恼鎸嵏辛黧w仿真研究對于從事流體相關的科研工作者和計算機圖形學的研究者來說無疑面臨著巨大的挑戰，也具有巨大的吸引力，其在工程實踐領域也具有較大的應用價值。

基于物理的流體仿真方法主要分為三種：基于網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合的混合方法。拉格朗日方法中的SPH方法因為其豐富的粒子細節表現能力及良好的整體場景表現能力而常被應用于流體仿真的工程實踐當中。受限于當前計算能力的限制，對于流體細節的精細刻畫、擴大仿真場景的規模的同時保證流體仿真的效率這三者具有不可調和的矛盾，在進行精細流體細節渲染的同時很難保證實現大規模流體仿真。

在消防演練相關的仿真場景中，流體仿真是其中的一項重要的支撐內容。消防場景下的流體仿真，與一般場景中的流體仿真既有諸多共性，也有很多的細節的區別，最大的不同體現在在消防場景中的消防設施所生成的水流一般是高壓強的，高壓強的流體一般在進入大氣環境后伴隨有較高的流速，即粒子的初始速度較高。當水流撞擊在火源及地面時所產生的流體細節比較豐富，同時，高速的流體粒子也給仿真系統的穩定性和實時性要求提出了較高的要求。

為了解決上述問題，本發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，以實現兼顧速度、規模和細節的SPH流體仿真為目標，圍繞基于物理的流體仿真方法展開研究，首先用k-means算法對流體進行聚類，然后在粒子聚類結果的基礎上，對高速流體粒子進行細致的流體計算，同時減少普通流體粒子的費時計算過程，從而實現了兼顧細節的大規模交互場景的實時逼真繪制，使其能在消防仿真場景中得到應用。與現有的SPH 流體模型(如PCISPH、DFSPH)相比，本方法的方法由于在慢速流體計算過程中省略了對總體流體行為無影響的計算步驟，因此顯著提高了計算效率。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服了現有的SPH流體仿真方法的效率問題，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，解決了流體實時性與仿真規模及細節之間的矛盾，滿足了對消防仿真過程中進行高效逼真模擬的需要。

本發明采用的技術方案為：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；