本发明专利技术提供了一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，包括步骤：构建火焰演化的流场涡量物理模型，初始化涡泡和火焰粒子，涡泡数量小于火焰粒子数量；采用二阶龙格库塔积分法计算涡泡和火焰粒子的位置；将涡泡转化为圆柱结构，基于当前速度场采用使用欧拉积分更新圆柱端点的位置，根据圆柱长度控制涡泡分裂；建立空间哈希表网格并遍历计算域内的所有涡泡，将同一网格单元内涡泡的数量作为关键字存储到哈希表中，检测每个网格单元内涡泡的数量，对涡泡进行合并或分割，更新涡泡的位置和涡量；根据更新后涡泡的位置和涡量。本发明专利技术能够获得细节丰富且数值稳定的火焰演化效果。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仿真模拟，具体来说，涉及一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法。
技术介绍
1、船舶失火事故是海上交通事故中最严重的事故类型之一，会对人员生命、生态环境和船上设备造成巨大伤害和损失。船舶失火后，通常只能依靠船上消防人员自身的应变能力处理火灾。随着计算机仿真技术的发展，越来越多的学者和工程师提出使用模拟训练的方式提高船上人员应对船舶失火的处理能力。
2、火焰模拟是虚拟船舶消防训练的难点问题，研究船舶失火蔓延规律对于控制火情、制定消防预案、提高船上消防人员的应变能力有重要帮助。火焰模拟一直航海仿真和虚拟现实领域的热点问题，其模拟方法发展至今已有五十多年。早期的火焰模拟主要采用非物理的方法模拟火焰，即使用粒子系统追踪火焰演化的整体行为。然而非物理方法共同的缺点是真实感较低，交互的灵活性较差等。由于基于物理模型的模拟方法可以客观地反应火焰演化的真实规律，加上工业界对火焰模拟真实感要求的提高以及学术界的需要，研究者们开始采用基于物理模型的方法模拟船舶失火。
3、涡方法是典型的基于计算流体力学的模拟方法，在模拟火焰这种湍流方面具有优势。基于navier-stokes方程的涡量形式，涡方法通过求解涡量场的演化来跟踪流体的变化。以离散方式为类别，涡方法可以分成基于网格的涡方法和离散涡方法。基于网格的涡方法使用固定的网格表示涡量场和速度场，由于需要事先确定网格的大小，该方法不擅长在有障碍物边界的空间中模拟火焰。离散涡方法通过离散的粒子表示涡量场和速度场，进而求解涡量方程，适合在无障碍物的空间中模拟火焰。</p>4、虽然离散涡方法更加适用于火焰模拟，它的两个主要问题导致该方法没有被广泛采用。首先，当涡量场的散度不为零时，涡量方程中的拉伸项会导致数值不稳定。普遍的策略是通过限制涡量的增长来提高稳定性，但这种处理方式会导致模拟的流体失真出现视觉伪像。另外，离散涡方法计算速度场的时间复杂度较低，为，其中是流场内涡元素的数量。当模拟某种现象需要大量涡元素时，巨量的计算开销是计算机难以承担的。
技术实现思路
1、鉴于现有技术中存在的在船舶失火火焰模拟中应用离散涡方法导致模拟效果失真且计算开销巨大的技术问题，本专利技术提供一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法。本专利技术通过涡量场和速度场对火焰进行数理建模，可获得细节丰富且数值稳定的火焰演化效果，在基于涡量方程的流体模拟的基础上引入涡泡密度调整机制，通过降低流场内的涡泡数量来提高计算效率。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，包括以下步骤：
4、s1、构建火焰演化的流场涡量物理模型，初始化涡泡和火焰粒子，所述涡泡用于追踪火焰的涡量场，所述火焰粒子用于对火焰的演化进行可视化，涡泡数量小于火焰粒子数量，其中，所述流场涡量物理模型被设置为：
5、
6、其中，是涡泡和火焰粒子运动的速度，是火焰流场的涡量，是火焰流场的密度，是火焰的粘性系数，是外力，是散度算子；
7、s2、采用二阶龙格库塔积分法计算涡泡和火焰粒子的位置；
8、s3、将涡泡转化为圆柱结构，基于当前速度场采用使用欧拉积分更新圆柱端点的位置，根据圆柱长度控制涡泡分裂；
9、s4、建立空间哈希表网格并遍历计算域内的所有涡泡，将同一网格单元内涡泡的数量作为关键字存储到哈希表中，设定最大涡泡数量阈值与最小涡泡数量阈值，遍历哈希表的网格，检测每个网格单元内涡泡的数量，如果，则合并网格细胞内的涡泡直到涡泡的数量小于最大阈值，如果，则分割网格细胞内的涡泡直到涡泡的数量大于最小阈值，更新涡泡的位置和涡量；
10、s5、根据更新后涡泡的位置和涡量，使用校正系数biot-savart公式计算速度场，并执行步骤s2。
11、进一步地，所述方法还包括：
12、s6、减少涡泡和火焰粒子的生命值，销毁生命小于0的涡泡和火焰粒子。
13、进一步地，涡泡的位置计算公式如下：
14、
15、其中，是涡泡的位置，表示涡泡在位置的速度，是时间步长；
16、火焰粒子的位置计算公式与涡泡位置的计算公式相同。
17、进一步地，将涡泡转化为圆柱结构，基于当前速度场采用使用欧拉积分更新圆柱端点的位置，包括根据以下计算圆柱端点的位置：
18、
19、其中，和是圆柱拉伸后左右两个端点的位置，为模拟涡泡的圆柱长度，为模拟涡泡的圆柱方向。
20、进一步地，将涡泡转化为圆柱结构，基于当前速度场采用使用欧拉积分更新圆柱端点的位置，还包括：
21、为每个圆柱设定最大长度阈值，如果对流后圆柱的长度超过阈值，则将圆柱沿着涡量的方向一分为二，两个圆柱的长度为，新圆柱的涡量为分割前圆柱涡量的二分之一，新圆柱的位置按照涡泡涡量的方向依次排开。
22、进一步地，如果，则合并网格细胞内的涡泡直到涡泡的数量小于最大阈值，包括：
23、当网格内部涡泡的数量大于时，将网格内距离最近的两个涡泡合并为一个涡泡，新涡泡的涡量为原来两个涡泡的涡量之和，执行涡泡合并操作直到网格内涡泡的数量小于。
24、进一步地，如果，则分割网格细胞内的涡泡直到涡泡的数量大于最小阈值，包括：
25、当网格内部涡泡的数量小于时，选择网格内的任意涡泡进行分割，新涡泡的涡量为原始涡泡的二分之一，执行涡泡分割操作直到网格内涡泡的数量大于。
26、进一步地，根据更新后涡泡的位置和涡量更新速度场，包括根据以下公式计算涡泡速度：
27、
28、其中，是第个涡泡的位置，是询问位置，为校正系数，是涡泡的数量。
29、较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
30、1、本专利技术通过几何圆柱法可提高涡动力学方程中拉伸项求解的稳定性的同时，不会限制涡量的增加，保证了火焰模拟的真实感。
31、2、本专利技术通过涡泡密度调整机制解决流场分布不均匀的问题，同时降低了流场内的涡泡数量，提高了涡方法的速度场解算速度，进而提高火焰的模拟效率。
本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，涡泡的位置计算公式如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，将涡泡转化为圆柱结构，基于当前速度场采用使用欧拉积分更新圆柱端点的位置，包括根据以下计算圆柱端点的位置：
5.根据权利要求4所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，将涡泡转化为圆柱结构，基于当前速度场采用使用欧拉积分更新圆柱端点的位置，还包括：
6.根据权利要求1所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，如果，则合并网格细胞内的涡泡直到涡泡的数量小于最大阈值，包括：
7.根据权利要求1所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，如果，则分割网格细胞内的涡泡直到涡泡的数量大于最小阈值，包括：
8.根据权利要求1所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，根据更新后涡泡的位置和涡量更新速度场，包括根据以下公式计算涡泡速度：
...
【技术特征摘要】
1.一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，涡泡的位置计算公式如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模拟方法，其特征在于，将涡泡转化为圆柱结构，基于当前速度场采用使用欧拉积分更新圆柱端点的位置，包括根据以下计算圆柱端点的位置：
5.根据权利要求4所述的一种基于离散涡泡的船舶失火火焰演化模...
【专利技术属性】
技术研发人员：陶瑞，任鸿翔，杨晓，王德龙，孙健，董雅欣，朱天惠，张博翔，方诚，潘明阳，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。