實時水體運動建模與空間參數自適應修正研究
發(fā)布時間：2020-12-05 10:42
在這個科技騰飛的時代,基于計算機的現實世界模擬技術對解決實際的工程以及科學問題有了越來越重要的角色。隨著全球環(huán)境的變化,關于水的破壞性事件在自然界中時有發(fā)生,如潰壩事件、城市內澇事件、山洪泥石流事件等。為了避免這類事件對公眾產生生命及財產的危害,相關從業(yè)人員渴求一種可以對水體運動進行預報預測預演的系統(tǒng)。水體運動模擬的核心則為水體運動模型的研究,雖然幾十年來,學者們在相關領域已經取得豐碩的成果,但本文結合現有的研究成果,從不同的角度對水體運動模型的提出了想法與設計,為相關領域獻計獻策。本論文對水體運動的建模、空間參數的自適應修正進行了理論性研究,進一步在基于Direct Compute的GPGPU技術下對兩者進行了算法與技術實現研究,最終通過實驗對這三大部分的理論性及技術性進行了實驗驗證。主要的工作內容如下:1、闡述了論文選題的背景與意義,總結了水體運動模擬模型的國內外研究現狀,提出本文對于水體運動模型及空間系數自適應修正、GPGPU并行算法的研究方案。2、提出并研究了新的水體運動模擬模型——短生命周期的水體長方體粒子模型。通過對基于格網方法及粒子方法的核心思想學習,結合兩者對水體運動模...
【文章來源】：武漢大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：153 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
SPH中粒于運動狀態(tài)計算示意圖
和位畳信息，而它自己的運動受周圍鄰近的粒子共同作用。ＳＰＨ對水體的描述更??符合物理對水體的解釋，而且可＾＾Ｊｌ對水體的各種不連續(xù)運動有著很好的模擬，因??此有很多學者對其展開了大量的研究和應用。圖２－１展示了?ＳＨＰ中粒子運動狀?．??態(tài)計算的示意圖，圖中ｄ為兩個粒子的距離，ｉ？為計算目標粒子的受力半徑，與??它距離超過受力半徑的粒子將不會對它產生力的作用，Ｗ為距離相關的核函數。??在它受力半徑內的栓子對它本身進行核插值計算，其插值公式如下：??Ｊｆｌ??場＝?平成，町?料）??Ｊ?Ｐ］??式中ｖ４（〇為粒子／的物理量，Ｗ、Ｐ分別為粒子的質量與密度。研究人員在利用??其對水體進行水體模擬時，也重點放在了核西數的選擇上，包括高斯核函數、多??項式核函數等（見表２－１），邊界條件通常用Ｌｅｎｎａｒｄ－化ｎｅｓ勢ｗｉ’ｉｗ進行計??算。??＃?？??Ｑ。／。。入Ｓ??喔?１?６?？?？??〇?＼？＾?〇０〇〇／〇??。處ａ於。??０?０?擴０?ｊ?－??圖２－１?ＳＰ
２．２．２模型中的屬性更新??每一個水體長方體粒子在一個生命周期內將會影響四個屬性格網的屬性更??新。圖２－４ａ展示了單個粒子在運動與集成兩個階段對屬性格網影響的頂視圖。??圖中，將單個粒子所要影響的四個格網分別用字母公、Ｃ和Ｄ進行標記。在??循環(huán)開始時，在對應的格網＾上生成長方體粒子它的速度用字母進行標??記，下標，和，＋／表示循環(huán)次數。經過一個循環(huán)的時間間隔，水體長方體粒子Ａ??由原來的位置移動到Ａ巧位置，然后被格網的邊界分割成四部分，用數字八厶??ｉ和■＾進行標記。在集成階段，水體長方體粒子４對它所影響到的四個屬性格??網厶公、Ｃ和公的屬性貢獻可Ｗ根據被格網邊界分成的小格網八２、ｉ和￥在??總體格網所占據面積比進行計算。設公、Ｃ和Ｄ）定義為格網與格??網公、Ｃ和Ｄ的相交部分的面積，＆被定義為所設計的屬性格網的面積，字??母ｅ用下標Ｓ，Ｃ和Ｄ標記用來表示對應格網或粒子的屬性（例如，化巧來??表示格網或粒子＾的屬性信息）
【參考文獻】：
期刊論文
[1]國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見[J]. 建筑節(jié)能. 2015(11)
[2]通用圖形處理器線程調度優(yōu)化方法研究綜述[J]. 何炎祥,張軍,沈凡凡,江南,李清安,劉子駿. 計算機學報. 2016(09)
[3]沉水植物對河道曼寧系數影響的實驗研究[J]. 馬曉航,王文才,朱春申,李一平. 水動力學研究與進展A輯. 2015(01)
[4]面向路徑優(yōu)化的變分辨率柵格成本表面模型建模方法[J]. 劉震,余洋,李建松,肖少輝. 測繪學報. 2014(05)
[5]Numerical modeling of dam-break flood through intricate city layouts including underground spaces using GPU-based SPH method[J]. 吳建松,張輝,楊銳,DALRYMPLE Robert A.,HéRAULT Alexis. Journal of Hydrodynamics. 2013(06)
[6]自適應網格在復雜地形淺水方程求解中的應用[J]. 周建中,張華杰,畢勝,嚴凡,趙越. 水科學進展. 2013(06)
[7]洪水淹沒分析中的自適應逐點水位修正算法[J]. 丁雨淋,杜志強,朱慶,張葉廷. 測繪學報. 2013(04)
[8]流體網絡節(jié)點殘量修正算法的改進[J]. 張婷婷,劉振俠,呂亞國. 航空工程進展. 2012(03)
[9]MODELING DAM-BREAK FLOOD OVER NATURAL RIVERS USING DISCONTINUOUS GALERKIN METHOD[J]. KHAN Abdul A.. Journal of Hydrodynamics. 2012(04)
[10]基于最小二乘法與最速下降法的綜合衰減系數的率定[J]. 馬常仁,徐得潛,周慧,李艷東. 水利科技與經濟. 2012(01)
博士論文
[1]非均勻流條件下植被河道水力學特性與曼寧公式研究[D]. 徐衛(wèi)剛.華北電力大學 2013
[2]潰壩洪水數學模型及水動力學特性研究[D]. 宋利祥.華中科技大學 2012
本文編號：2899325
【文章來源】：武漢大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：153 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
SPH中粒于運動狀態(tài)計算示意圖
和位畳信息，而它自己的運動受周圍鄰近的粒子共同作用。ＳＰＨ對水體的描述更??符合物理對水體的解釋，而且可＾＾Ｊｌ對水體的各種不連續(xù)運動有著很好的模擬，因??此有很多學者對其展開了大量的研究和應用。圖２－１展示了?ＳＨＰ中粒子運動狀?．??態(tài)計算的示意圖，圖中ｄ為兩個粒子的距離，ｉ？為計算目標粒子的受力半徑，與??它距離超過受力半徑的粒子將不會對它產生力的作用，Ｗ為距離相關的核函數。??在它受力半徑內的栓子對它本身進行核插值計算，其插值公式如下：??Ｊｆｌ??場＝?平成，町?料）??Ｊ?Ｐ］??式中ｖ４（〇為粒子／的物理量，Ｗ、Ｐ分別為粒子的質量與密度。研究人員在利用??其對水體進行水體模擬時，也重點放在了核西數的選擇上，包括高斯核函數、多??項式核函數等（見表２－１），邊界條件通常用Ｌｅｎｎａｒｄ－化ｎｅｓ勢ｗｉ’ｉｗ進行計??算。??＃?？??Ｑ。／。。入Ｓ??喔?１?６?？?？??〇?＼？＾?〇０〇〇／〇??。處ａ於。??０?０?擴０?ｊ?－??圖２－１?ＳＰ
２．２．２模型中的屬性更新??每一個水體長方體粒子在一個生命周期內將會影響四個屬性格網的屬性更??新。圖２－４ａ展示了單個粒子在運動與集成兩個階段對屬性格網影響的頂視圖。??圖中，將單個粒子所要影響的四個格網分別用字母公、Ｃ和Ｄ進行標記。在??循環(huán)開始時，在對應的格網＾上生成長方體粒子它的速度用字母進行標??記，下標，和，＋／表示循環(huán)次數。經過一個循環(huán)的時間間隔，水體長方體粒子Ａ??由原來的位置移動到Ａ巧位置，然后被格網的邊界分割成四部分，用數字八厶??ｉ和■＾進行標記。在集成階段，水體長方體粒子４對它所影響到的四個屬性格??網厶公、Ｃ和公的屬性貢獻可Ｗ根據被格網邊界分成的小格網八２、ｉ和￥在??總體格網所占據面積比進行計算。設公、Ｃ和Ｄ）定義為格網與格??網公、Ｃ和Ｄ的相交部分的面積，＆被定義為所設計的屬性格網的面積，字??母ｅ用下標Ｓ，Ｃ和Ｄ標記用來表示對應格網或粒子的屬性（例如，化巧來??表示格網或粒子＾的屬性信息）
【參考文獻】：
期刊論文
[1]國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見[J]. 建筑節(jié)能. 2015(11)
[2]通用圖形處理器線程調度優(yōu)化方法研究綜述[J]. 何炎祥,張軍,沈凡凡,江南,李清安,劉子駿. 計算機學報. 2016(09)
[3]沉水植物對河道曼寧系數影響的實驗研究[J]. 馬曉航,王文才,朱春申,李一平. 水動力學研究與進展A輯. 2015(01)
[4]面向路徑優(yōu)化的變分辨率柵格成本表面模型建模方法[J]. 劉震,余洋,李建松,肖少輝. 測繪學報. 2014(05)
[5]Numerical modeling of dam-break flood through intricate city layouts including underground spaces using GPU-based SPH method[J]. 吳建松,張輝,楊銳,DALRYMPLE Robert A.,HéRAULT Alexis. Journal of Hydrodynamics. 2013(06)
[6]自適應網格在復雜地形淺水方程求解中的應用[J]. 周建中,張華杰,畢勝,嚴凡,趙越. 水科學進展. 2013(06)
[7]洪水淹沒分析中的自適應逐點水位修正算法[J]. 丁雨淋,杜志強,朱慶,張葉廷. 測繪學報. 2013(04)
[8]流體網絡節(jié)點殘量修正算法的改進[J]. 張婷婷,劉振俠,呂亞國. 航空工程進展. 2012(03)
[9]MODELING DAM-BREAK FLOOD OVER NATURAL RIVERS USING DISCONTINUOUS GALERKIN METHOD[J]. KHAN Abdul A.. Journal of Hydrodynamics. 2012(04)
[10]基于最小二乘法與最速下降法的綜合衰減系數的率定[J]. 馬常仁,徐得潛,周慧,李艷東. 水利科技與經濟. 2012(01)
博士論文
[1]非均勻流條件下植被河道水力學特性與曼寧公式研究[D]. 徐衛(wèi)剛.華北電力大學 2013
[2]潰壩洪水數學模型及水動力學特性研究[D]. 宋利祥.華中科技大學 2012
本文編號：2899325
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