[发明专利]一种基于粒子聚类和拉格朗日方法的高压消防水枪仿真方法

权利要求书

1.一种基于粒子聚类和拉格朗日方法的高压消防水枪仿真方法，其特征在于，包括以下五个步骤：

步骤(1)、应用粒子聚类算法，根据粒子的速度域数值对粒子进行聚类，在粒子聚类算法收敛时构造两个聚类的分组结果，并统计两个聚类的分组结果中的速度分布，求得阈值，根据阈值将流体粒子分为高速流体粒子和普通流体粒子两个集合，大于或等于速度阈值的为高速流体粒子，低于阈值的作为普通流体粒子；

步骤(2)、结合聚类算法所得到的分类结果，根据Courant–Friedrichs–Lewy条件计算得到两种时间步长：主步骤时间步长和子步骤时间步长，每个主步骤包含若干个子步骤，普通流体粒子由于运动速度缓慢，粒子属性变化量小，每个主步骤时间步长更新一次；高速粒子运动剧烈，为保证流体细节不丢失，每个子步骤时间步长更新一次，即假设每个主步骤中包含n个子步骤，则高速粒子没更新n次时，普通流体粒子更新1次；

步骤(3)、通过SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对粒子系统进行流体动力学计算：首先导入场景的静态边界模型，建立流体仿真所需的场景边界，使用粒子生成导入的边界模型的的表面结构，并使用流体的交互方式使固体对流体产生力的交互作用；然后确定初始粒子域的位置以及后续粒子的生成位置，求解Navier-Stocks(N-S)方程，通过离散的加权求和方式解算出粒子的各物理量；再以步骤(2)中的时间步长为积分量，对高速流体粒子和普通流体粒子分别进行更新，计算得到所有粒子在下一时刻的位置，更新粒子的速度和位置信息，生成新的粒子位置信息及结构，并更新相关的物理量；

步骤(4)、把高速流体粒子和普通流体粒子进行集成，利用耦合算法实现双时间步长模型整合，计算并更新流体粒子的物理量，物理量包括密度、速度和位置；根据耦合算法实现流体仿真过程中高速流体粒子和普通流体粒子在同一仿真场景中的正确耦合；

步骤(5)、为实现真实感仿真效果，将仿真场景中的固体物体使用片面结构进行渲染呈现，而渲染的流体粒子细节直接用OpenGL绘制成粒子球在场景中进行表示，或使用Marching Cube算法生成片面加构，加以渲染呈现。

2.根据权利要求1所述的一种基于粒子聚类和拉格朗日方法的高压消防水枪仿真方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的粒子聚类算法采用k-means聚类算法，根据粒子速度值将粒子聚类成两个分组，该过程使用流体的中间速度值作为聚类算法的输入内容，并设定初始的平均值使其更快地实现算法的收敛，根据k-means聚类算法的原理，收敛的判断条件表示为：

上式中，S_i表示所得到的第i个聚类的粒子集，v_j为第j个粒子x_j的速度值，为第i个粒子集内粒子的速度平均值。

3.根据权利要求1所述的一种基于粒子聚类和拉格朗日方法的高压消防水枪仿真方法，其特征在于：步骤(2)中，所述主步骤时间步长和子步骤时间步长的计算，对于子步骤的时间步长大小的推导，使用所有粒子的最大速度值代入CFL收敛公式进行求解，而低速流体粒子组的最大速度则被用于代入到CFL公式中求解出主步骤的时间步长大小；所有流体粒子的最大速度用v_max,all表示，则子步骤时间步长Δt_mini表示为：

低速流体集合中的速度最大值为v_max,low，主步骤时间步长大Δt_major小表示为：

上述两式中，参数a∈[0,0.5]，d为粒子半径，同时设定阈值N_tres，若主步骤时间步长大小和子步骤时间步长大小的比例低于这一阈值，一个主步骤将会只包含一个标准的SPH模拟步骤；另外，为防止这一比例过大而导致模拟效果失真，设置一个最大的子步骤数量的上限N_max，一个主步骤内部所含有的子步骤的数量关系如下：

为保证算法稳定，设定N_tres的值不超过1.5。