[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

说明书

本发明涉及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，以实现高效且逼真的高速流体仿真为目的，并使其能用于具体的消防仿真场景。本发明使用拉格朗日法求解N‑S方程进行流体仿真的核心思想，在SPH流体仿真基础上，围绕流体粒子的速度域聚类结果展开研究。首先利用k‑means聚类算法根据粒子的速度进行聚类，得到高速流体粒子与慢速流体粒子分组，然后利用双尺度时间步长框架分别对高速流体粒子和慢速流体粒子进行流体动力学计算，并通过设计耦合算法整合高速流体粒子与普通流体粒子，实现逼真、快速、兼顾细节的大规模流体仿真，并使其能够在消防场景中得到相应的运用。

技术领域

本发明涉及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，属于基于计算机图形学的流体动画仿真领域。

背景技术

目前，流体仿真是一个跨学科、跨平台的研究方向及工程领域，但是受限于现有硬件水平的计算能力的限制和人们对物理世界的不完全了解所导致的仿真算法的局限性，对流体模型进行实时高效、逼真且稳定的仿真模拟还存在诸多困难。近年来，满足工程和科研要求的真实流体仿真备受国内外学者和科研机构的关注。基于物理的真实感流体仿真研究对于从事流体相关的科研工作者和计算机图形学的研究者来说无疑面临着巨大的挑战，也具有巨大的吸引力，其在工程实践领域也具有较大的应用价值。

基于物理的流体仿真方法主要分为三种：基于网格思想的欧拉方法和基于粒子思想的拉格朗日方法以及两类思想结合的混合方法。拉格朗日方法中的SPH方法因为其丰富的粒子细节表现能力及良好的整体场景表现能力而常被应用于流体仿真的工程实践当中。受限于当前计算能力的限制，对于流体细节的精细刻画、扩大仿真场景的规模的同时保证流体仿真的效率这三者具有不可调和的矛盾，在进行精细流体细节渲染的同时很难保证实现大规模流体仿真。

在消防演练相关的仿真场景中，流体仿真是其中的一项重要的支撑内容。消防场景下的流体仿真，与一般场景中的流体仿真既有诸多共性，也有很多的细节的区别，最大的不同体现在在消防场景中的消防设施所生成的水流一般是高压强的，高压强的流体一般在进入大气环境后伴随有较高的流速，即粒子的初始速度较高。当水流撞击在火源及地面时所产生的流体细节比较丰富，同时，高速的流体粒子也给仿真系统的稳定性和实时性要求提出了较高的要求。

为了解决上述问题，本发明提出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，以实现兼顾速度、规模和细节的SPH流体仿真为目标，围绕基于物理的流体仿真方法展开研究，首先用k-means算法对流体进行聚类，然后在粒子聚类结果的基础上，对高速流体粒子进行细致的流体计算，同时减少普通流体粒子的费时计算过程，从而实现了兼顾细节的大规模交互场景的实时逼真绘制，使其能在消防仿真场景中得到应用。与现有的SPH 流体模型(如PCISPH、DFSPH)相比，本方法的方法由于在慢速流体计算过程中省略了对总体流体行为无影响的计算步骤，因此显著提高了计算效率。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服了现有的SPH流体仿真方法的效率问题，提供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，解决了流体实时性与仿真规模及细节之间的矛盾，满足了对消防仿真过程中进行高效逼真模拟的需要。

本发明采用的技术方案为：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，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；