實時水體運動建模與空間參數(shù)自適應(yīng)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(jī)的現(xiàn)實世界模擬技術(shù)對解決實際的工程以及科學(xué)問題有了越來越重要的角色。隨著全球環(huán)境的變化,關(guān)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(nèi)澇事件、山洪泥石流事件等。為了避免這類事件對公眾產(chǎn)生生命及財產(chǎn)的危害,相關(guān)從業(yè)人員渴求一種可以對水體運動進(jìn)行預(yù)報預(yù)測預(yù)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(xué)者們在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得豐碩的成果,但本文結(jié)合現(xiàn)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(shè)計,為相關(guān)領(lǐng)域獻(xiàn)計獻(xiàn)策。本論文對水體運動的建模、空間參數(shù)的自適應(yīng)修正進(jìn)行了理論性研究,進(jìn)一步在基于Direct Compute的GPGPU技術(shù)下對兩者進(jìn)行了算法與技術(shù)實現(xiàn)研究,最終通過實驗對這三大部分的理論性及技術(shù)性進(jìn)行了實驗驗證。主要的工作內(nèi)容如下:1、闡述了論文選題的背景與意義,總結(jié)了水體運動模擬模型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出本文對于水體運動模型及空間系數(shù)自適應(yīng)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(wǎng)方法及粒子方法的核心思想學(xué)習(xí),結(jié)合兩者對水體運動模...
【文章來源】：武漢大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：153 頁
【學(xué)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(xué)者對其展開了大量的研究和應(yīng)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(biāo)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(chǎn)生力的作用，Ｗ為距離相關(guān)的核函數(shù)。??在它受力半徑內(nèi)的栓子對它本身進(jìn)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(zhì)量與密度。研究人員在利用??其對水體進(jìn)行水體模擬時，也重點放在了核西數(shù)的選擇上，包括高斯核函數(shù)、多??項式核函數(shù)等（見表２－１），邊界條件通常用Ｌｅｎｎａｒｄ－化ｎｅｓ勢ｗｉ’ｉｗ進(jìn)行計??算。??＃?？??Ｑ。／。。入Ｓ??喔?１?６?？?？??〇?＼？＾?〇０〇〇／〇??。處ａ於。??０?０?擴(kuò)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(nèi)將會影響四個屬性格網(wǎng)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(wǎng)影響的頂視圖。??圖中，將單個粒子所要影響的四個格網(wǎng)分別用字母公、Ｃ和Ｄ進(jìn)行標(biāo)記。在??循環(huán)開始時，在對應(yīng)的格網(wǎng)＾上生成長方體粒子它的速度用字母進(jìn)行標(biāo)??記，下標(biāo)，和，＋／表示循環(huán)次數(shù)。經(jīng)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(wǎng)的邊界分割成四部分，用數(shù)字八厶??ｉ和■＾進(jìn)行標(biāo)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(wǎng)厶公、Ｃ和公的屬性貢獻(xiàn)可Ｗ根據(jù)被格網(wǎng)邊界分成的小格網(wǎng)八２、ｉ和￥在??總體格網(wǎng)所占據(jù)面積比進(jìn)行計算。設(shè)公、Ｃ和Ｄ）定義為格網(wǎng)與格??網(wǎng)公、Ｃ和Ｄ的相交部分的面積，＆被定義為所設(shè)計的屬性格網(wǎng)的面積，字??母ｅ用下標(biāo)Ｓ，Ｃ和Ｄ標(biāo)記用來表示對應(yīng)格網(wǎng)或粒子的屬性（例如，化巧來??表示格網(wǎng)或粒子＾的屬性信息）
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見[J]. 建筑節(jié)能. 2015(11)
[2]通用圖形處理器線程調(diào)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(jī)學(xué)報. 2016(09)
[3]沉水植物對河道曼寧系數(shù)影響的實驗研究[J]. 馬曉航,王文才,朱春申,李一平. 水動力學(xué)研究與進(jìn)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(xué)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(yīng)網(wǎng)格在復(fù)雜地形淺水方程求解中的應(yīng)用[J]. 周建中,張華杰,畢勝,嚴(yán)凡,趙越. 水科學(xué)進(jìn)展. 2013(06)
[7]洪水淹沒分析中的自適應(yīng)逐點水位修正算法[J]. 丁雨淋,杜志強(qiáng),朱慶,張葉廷. 測繪學(xué)報. 2013(04)
[8]流體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點殘量修正算法的改進(jìn)[J]. 張婷婷,劉振俠,呂亞國. 航空工程進(jìn)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(shù)的率定[J]. 馬常仁,徐得潛,周慧,李艷東. 水利科技與經(jīng)濟(jì). 2012(01)
博士論文
[1]非均勻流條件下植被河道水力學(xué)特性與曼寧公式研究[D]. 徐衛(wèi)剛.華北電力大學(xué) 2013
[2]潰壩洪水?dāng)?shù)學(xué)模型及水動力學(xué)特性研究[D]. 宋利祥.華中科技大學(xué) 2012
本文編號：2899325
【文章來源】：武漢大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：153 頁
【學(xué)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(xué)者對其展開了大量的研究和應(yīng)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(biāo)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(chǎn)生力的作用，Ｗ為距離相關(guān)的核函數(shù)。??在它受力半徑內(nèi)的栓子對它本身進(jìn)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(zhì)量與密度。研究人員在利用??其對水體進(jìn)行水體模擬時，也重點放在了核西數(shù)的選擇上，包括高斯核函數(shù)、多??項式核函數(shù)等（見表２－１），邊界條件通常用Ｌｅｎｎａｒｄ－化ｎｅｓ勢ｗｉ’ｉｗ進(jìn)行計??算。??＃?？??Ｑ。／。。入Ｓ??喔?１?６?？?？??〇?＼？＾?〇０〇〇／〇??。處ａ於。??０?０?擴(kuò)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(nèi)將會影響四個屬性格網(wǎng)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(wǎng)影響的頂視圖。??圖中，將單個粒子所要影響的四個格網(wǎng)分別用字母公、Ｃ和Ｄ進(jìn)行標(biāo)記。在??循環(huán)開始時，在對應(yīng)的格網(wǎng)＾上生成長方體粒子它的速度用字母進(jìn)行標(biāo)??記，下標(biāo)，和，＋／表示循環(huán)次數(shù)。經(jīng)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(wǎng)的邊界分割成四部分，用數(shù)字八厶??ｉ和■＾進(jìn)行標(biāo)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(wǎng)厶公、Ｃ和公的屬性貢獻(xiàn)可Ｗ根據(jù)被格網(wǎng)邊界分成的小格網(wǎng)八２、ｉ和￥在??總體格網(wǎng)所占據(jù)面積比進(jìn)行計算。設(shè)公、Ｃ和Ｄ）定義為格網(wǎng)與格??網(wǎng)公、Ｃ和Ｄ的相交部分的面積，＆被定義為所設(shè)計的屬性格網(wǎng)的面積，字??母ｅ用下標(biāo)Ｓ，Ｃ和Ｄ標(biāo)記用來表示對應(yīng)格網(wǎng)或粒子的屬性（例如，化巧來??表示格網(wǎng)或粒子＾的屬性信息）
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見[J]. 建筑節(jié)能. 2015(11)
[2]通用圖形處理器線程調(diào)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(jī)學(xué)報. 2016(09)
[3]沉水植物對河道曼寧系數(shù)影響的實驗研究[J]. 馬曉航,王文才,朱春申,李一平. 水動力學(xué)研究與進(jìn)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(xué)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(yīng)網(wǎng)格在復(fù)雜地形淺水方程求解中的應(yīng)用[J]. 周建中,張華杰,畢勝,嚴(yán)凡,趙越. 水科學(xué)進(jìn)展. 2013(06)
[7]洪水淹沒分析中的自適應(yīng)逐點水位修正算法[J]. 丁雨淋,杜志強(qiáng),朱慶,張葉廷. 測繪學(xué)報. 2013(04)
[8]流體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點殘量修正算法的改進(jìn)[J]. 張婷婷,劉振俠,呂亞國. 航空工程進(jìn)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(shù)的率定[J]. 馬常仁,徐得潛,周慧,李艷東. 水利科技與經(jīng)濟(jì). 2012(01)
博士論文
[1]非均勻流條件下植被河道水力學(xué)特性與曼寧公式研究[D]. 徐衛(wèi)剛.華北電力大學(xué) 2013
[2]潰壩洪水?dāng)?shù)學(xué)模型及水動力學(xué)特性研究[D]. 宋利祥.華中科技大學(xué) 2012
本文編號：2899325
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