[发明专利]水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法

说明书

本发明公开了一种水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法。其步骤为：1)对场景中的模型进行体素化产生固体粒子；2)在存在液体的区域添加液体粒子；3)对每一时间帧，利用SPH对流体的力学特性进行数值模拟；4)对每一时间帧，利用瞬态热传导方程对流体的热力学特性进行数值模拟及红外特征图形绘制。本发明解决了流动介质中计算热力学特性的需求。本方法能够真实模拟水场景中的力学特征和红外特征，并在实验室环境下成功模拟了近年新发现的红外现象：船只在航行过程产生的红外尾迹。

技术领域

本发明涉及流体模拟的数值计算领域与热力学的数值计算领域。具体涉及一种水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法。

背景技术

近年来，随着红外热像仪成像分辨率的提高，在遥感及航空拍摄中，发现了船只航行时的红外新特征：船只在水场景中航行时会留下红外尾迹。然而现有的热力学计算方法普遍针对于静态物质进行数值模拟计算，并不能很好的模拟这一特征；而流体模拟的数值计算领域的方法也主要针对于计算模拟流体的力学特征，无法模拟热力学的热传导特征。因此，难以模拟计算并绘制出该红外特征现象。

下面介绍已有的流体模拟的数值计算方法与热力学的数值计算方法：

1)热力学的数值计算方法

目前在国内外的瞬态热传导问题的数值方法，主要基于网格的有限元法、有限差分法和有限体积法。近年来也提出了基于粒子的无网格方法。然而研究过程中，都没有考虑液体运动对其造成的影响，因此也无法模拟水体目标运动造成的红外现象。

2)流体模拟的数值计算方法

这类方法主要可以细分成为三类：欧拉法、拉格朗日法和混合法。欧拉法是一种基于网格的方法，它使用2D或者3D的网格，从流体空间中的各个固定点着手，分析每个固定点上的流体速度、压强、密度等参数随时间和空间的变化。拉格朗日法是一种基于粒子的方法，用一系列遵循物理规则的粒子来表示流体，把单个流体粒子作为研究对象，研究其运动要素(位置、速度等)的变化过程，并通过综合各个流体粒子的运动来获得一定空间内所有流体质点的运动规律。欧拉法与拉格朗日法混合的主要思想是对三维水体用欧拉网格法表示，再用拉格朗日法进行小尺度的泡沫和浪花等效果的模拟。这些方法能够很好的模拟水体的力学性质，并实现良好的可见光水体模拟效果，但无法得到热力学性质，因此无法模拟红外特征现象。

发明内容

本发明的目的在模拟水场景目标在水中的力学特征和红外特征，解决现有流体方法无法模拟红外特征和现有热力学方法无法模拟水体流动特征的问题，提供一种水场景中目标红外尾迹特性的流体模拟方法。

一种水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法包括以下步骤：

1)对场景中的模型进行体素化产生固体粒子；

2)在存在液体的区域添加液体粒子；

3)对每一时间帧，利用SPH对流体的力学特性进行数值模拟；

4)对每一时间帧，利用瞬态热传导方程对流体的热力学特性进行数值模拟及红外特征图形绘制。

所述步骤1)为：

(2.1)根据模型顶点位置数据计算模型的AABB包围盒C_b；

(2.2)将C_b平均划分为X*Y*Z个子正方体C_i,j,k

其中，X、Y、Z为空间在xyz三个方向上的分辨率，i∈[0,X),j∈[0,Y),k∈[0,Z)；

(2.3)对每个C_i,j,k与模型进行求交，若相交则该区域存在固体体素，否则该区域固体体素为空，每个求交计算所得的固体体素标记为S_i；