[发明专利]一种基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法

权利要求书

1.一种基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于自适应物质点方法模拟泥石流液相浆体的多尺度特征；

S2：基于自适应物质点有限元方法模拟泥石流固相物体的多尺度特征；

S3：基于物质点法模拟多尺度液固耦合；

S4：对泥石流动画进行多尺度真实感渲染；

所述步骤S3中对液相浆体和固相物体的多尺度耦合模拟进一步包括：

S3.1：基于背景网格多重速度场进行物质点法的双向交互计算，模拟宏观尺度上的运动和形变；对于液相浆体和固相物体物质点区域的交互，利用一种基于局部多重背景网格的交互算法来计算物质点法表示的两个不同物体之间的双向交互；对于液相浆体和固相物体有限元区域的交互，利用基于同一全局背景网格的交互算法来计算分别由物质点法和有限元法表示的两个不同物体之间的双向交互；

S3.2：在物质点法流体中对边界层理论漩涡模型进行近似模拟小尺度漩涡细节；假定边界层由到固体表面距离小于设定阈值的液相物质点组成；计算固体表面结点i与相邻液相物质点的加权平均相对速度并根据其与法线n_i的几何关系检测边界层脱落点SP；计算边界层物质点和脱落点的位置关系以确定实际脱落的边界层物质点BLP_j，并设计随机函数赋予其涡度ω_j和湍流动能k_j；把远离固体的BLP_j转化为涡度粒子VP_j而形成涡度场；在物质点法背景网格上结合Biot-Savart定律和k-ε湍流模型计算涡度场引起的扰动速度场u^v，并将其叠加到积分动量方程得到的平均速度场U上的方式来合成漩涡细节。

2.如权利要求1所述的基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：确定泥石流浆体成分比重；构造描述泥石流液相浆体非均质特征的近似物理模型；建立描述场景复杂度的自适应采样判断准则来控制物质点的分裂和合并。

3.如权利要求1所述的基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：初始时采用高效、精确的非线性有限元法离散固相物体并模拟其宏观运动，在模拟过程中综合等效塑性应变和单元特征长度比值来计算有限单元的畸变程度，然后把畸变程度超过用户设定阈值的有限单元标记为潜在断裂区域并转化为物质点，最后在物质点区域稳定模拟断裂现象。

4.如权利要求1所述的基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中对液相浆体和固相物体的多尺度耦合模拟进一步包括：利用背景网格多重速度场设计物质点法的双向交互计算模型以模拟宏观尺度运动，基于边界层理论建立物质点法的湍流模型以模拟小尺度漩涡细节。

5.如权利要求1所述的基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，其特征在于，所述步骤S4包括：首先设计一种高效的基于八叉树的自适应表面重建方法以捕获泥石流表面细节特征的几何结构，然后设计一种点和面的光线跟踪混合绘制方法实现多尺度绘制方法。

6.如权利要求5所述的基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，其特征在于，所述的高效的基于八叉树的自适应表面重建方法包括检测出位于泥石流表面的物质点，只在泥石流表面附近建立隐式距离场，内存消耗和计算复杂度只取决于泥石流表面积。

7.如权利要求5所述的基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，其特征在于，所述的点和面的光线跟踪混合绘制方法包括对隐式流体表面和表示飞溅液滴、泡沫的溅射粒子采用光线跟踪算法在屏幕空间进行直接绘制，根据光在气-液交界面传播的菲涅耳效应计算光线的反射和折射。