[发明专利]一种基于物理的海上溢油实时交互模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于流体力学的海上溢油实时交互模拟方法，先将海上溢油作为流体进行统一处理，然后采用基于流体力学的方法进行数值模拟。本发明采用基于多相流方法的海上溢油模拟，即采用基于计算流体力学的方法进行数值计算得到，是基于物理的模拟方法，具有更高的物理真实感，更加接近真实的流体运动情况，进一步提升海上溢油模拟的物理真实感。本发明采用基于SDF的方法，将围油栏作为边界条件引入到流体模拟中，考虑了障碍对流场的作用，具有更高的物理真实感。本发明提出基于GPU加速的海上溢油模型并行求解方法，包括基于NS方程的并行求解、基于积分平均格式的VOF多相流模型并行求解方法，解决了虚拟现实系统中实时性不足问题。

主权项

1.一种基于流体力学的海上溢油实时交互模拟方法，其特征在于：先将海上溢油作为一种流体进行统一处理，然后采用基于流体力学的方法进行数值模拟，具体包括以下步骤：A、基于多相流方法的海上溢油模拟式(1)为多相流控制方程组；式中，p为压强；V为速度矢量；ρ为密度；μ为粘性系数；f为外力；其中C_k为第k相的体积分数，所有相体积分数之和为1；k为第k相；n为多相流中相的总数量；D为可扩散流体中体积分数的扩散系数，用于调节该系数控制扩散相的扩散速度；t为时间；C为体积分数；▽为散度；式(1)由五个方程构成，其中第一、第二个方程为流场控制方程；第三、第四个方程为密度和粘性满足的约束条件；第五个方程为体积分数控制方程，该方程为采用基于VOF模型的多相流模型进行多相流模拟的方程，所述的VOF模型即流体体积函数模型；求解式(1)时，采用网格离散方法进行数值求解，根据离散网格节点所在网格中的位置进行编号，并通过编号为该网格节点分配GPU线程；也就是将多相流控制方程组的求解分配到一个个单独的GPU线程中进行并行求解；B、海上溢油与围油栏的交互海上溢油与围油栏交互通过边界条件来实现；在流体力学的流场计算中，边界障碍条件是通过边界条件反应到流场中的；因此，利用基于带符号距离函数方法即SDF方法的围油栏离散方法来实现海上溢油与围油栏之间的交互；在流体模拟中，流体运动控制方程采用Navier‑Stokes方程即NS方程，即式(1)所示的第一个和第二个方程；NS方程求解采用压力投影算法进行，其中压力修正方程如式(2)所示；边界条件的处理在投影过程中进行处理，如式(2)所示，假设grid(j，i)为流体，j、i分别为网格节点横向和纵向坐标索引，而相邻网格节点可能有固体障碍或者自由液面存在，压力修正方程离散后得到：其中，u、v分别为横向纵向速度分量；p为网格节点的压力；与围油栏交互通过控制网格节点的pi+1,j、pi‑1,j、pi,j+1、pi,j‑1压力系数进行处理；求解式(2)时，分别将每个网格节点的计算分配到一个单独的GPU线程中，实现并行求解加速，即根据网格节点所在网格位置进行索引计算，根据索引进行线程分配；C、如果模拟的运行时间满足要求，则转向步骤D，否则转向步骤A继续进行模拟；D、结束。