[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

说明书

本发明公开了一种基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，涉及计算机物理动画技术领域，该方法包括以下步骤：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。本发明解决了在泥石流动画模拟过程中，如何构造描述泥石流灾害场景多种尺度特征的有效物理模型，并建立不同模型间一致性约束以实现多尺度数值求解和渲染的问题。本发明能够真实感模拟泥石流现象多尺度特征，生成具有照片级逼真度的泥石流动画，为防灾救灾、数字娱乐、影视特效等应用提供泥石流现象的影像数据。

技术领域

本发明涉及计算机物理动画技术领域，具体涉及一种基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法。

背景技术

泥石流作为自然环境中普遍存在的流体类地质灾害，给人类生命财产与经济建设带来了巨大损失。长期以来，人们研究泥石流的运动规律以期对其进行预防和治理。但泥石流灾害的不可预知性和强大破坏性，使人们不仅难以通过预测泥石流发生的时间、地点来安排观测和拍摄，而且难以承受其瞬时产生的破坏力带来的危险和不确定性，这造成了泥石流灾害真实影像数据的缺失。然而，现实生活中防灾救灾、影视特效以及数字娱乐等领域都对泥石流灾害的真实感图像和动画具有迫切的需求。因此，对泥石流灾害场景的真实感建模和仿真具有重大现实意义。

近年来，为了获得真实物体和现象的照片级真实感模拟效果，人们综合连续介质力学、数值计算以及计算机图形学的真实感绘制算法，提出了基于物理的模拟技术，真实地模拟了多种复杂自然现象，如：波涛汹涌的流水，袅袅上升的烟雾，熊熊燃烧的火焰，固体的变形和断裂以及固流交互等。然而，对于复杂泥石流灾害场景的真实感模拟，计算机图形学领域中却极少有人涉及，少数学者利用传统的基于物理的模拟技术对泥石流模拟进行了初步探索，但主要关注液相浆体的流动及其与环境的简单交互，不能够完整而逼真地重现泥石流灾害场景以满足实际的应用需求。

造成泥石流灾害场景真实感模拟困难的最主要原因在于难于实现其多尺度特征的统一物理建模。泥石流灾害场景的多尺度特征具体体现在：既有大尺度的液相浆体、固相物体的宏观运动和双向交互，又有小尺度的非均质组成特性、漩涡细节以及固体断裂和裂纹扩展。传统的物理模拟方法中，欧拉方法适合模拟大尺度的特大变形和不可压缩流体场景，却难以跟踪流体界面和小尺度漩涡细节特征；拉格朗日方法避免了非线性对流项且方便跟踪材料的界面，尤其是其中的无网格粒子方法非常适于模拟小尺度细节特征，但在模拟大尺度流体场景时计算过度复杂，并且本质边界条件施加繁琐。由此可见，欧拉方法和拉格朗日法具有各自的优势，但也都存在各自的不足，难以利用单一的方法对泥石流场景的多尺度特征进行模拟。目前，有许多研究工作对不同物理方法进行耦合形成的混合方法能充分吸收各自的优势，克服各自的缺点，可解决只用纯粹的单一方法所解决不了的问题，但存在的关键问题是不同模型交界面的无缝处理极其复杂，难以实现具有多尺度物理特征的泥石流现象的真实感模拟。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法，能够对泥石流场景的多种尺度特征构造具有一致性约束的有效物理模型，基于物质点法对物理模型进行多尺度数值求解，同时实现泥石流场景的多尺度渲染。

为实现上述目的，本发明所述的基于物质点法的多尺度泥石流现象模拟方法包括包括以下步骤：

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。