不同属性烟雾融合过程可视化建模与实时绘制

为了快速精准绘制真实世界中各种各样的多烟雾融合现象,提出一种基于欧拉法的实时有效的烟雾融合模型。首先,提出域划分算法,从结构层解决了多烟雾自由随机运动的描述问题;其次,利用GPU的并行能力大幅提高了N-S方程求解速度,获得多达7种不同属性烟雾融合过程的实时绘制;再次,实现Ray-casting(光线投射)算法,清晰地表现出烟雾融合的扩散细节;最后,调节温度、速度、扩散系数和浓度等烟雾运动影响因子,灵活控制烟雾融合过程。实验表明,所做工作能够快速真实地模拟不同属性烟雾的融合。     

一种实时模拟烟雾的新方法

烟雾具有高细节、快速变化和湍流的特点,而传统的烟雾模拟方法都是通过提高网格精度的方法表现烟雾细节,耗费了大量的计算时间。本文提出了一种全新的粒子系统与物理模型相结合的方法,在不影响实时性的前提下生成了逼真的烟雾细节。首先用低精度粒子系统描述烟雾的大致运动轨迹,然后将三维空间中的烟雾粒子投射到平行于视平面的一系列二维平面上,利用二维平面上MacCormack方法求解欧拉方程对流项的快速性,实时地再现了高精度烟雾细节。实验证明,该方法在视觉真实感和实时性方面都取得了令人满意的结果。     

GPU上具有复杂光照烟雾动画的绘制

采用Navier Stokes方程作为烟雾的物理模型方程, 基于图形处理器(GPU)实现了具有复杂光照效果和简单光照效果的烟雾动画实时绘制. 通过体素遍历整数算法加速烟雾的渲染并实现了烟雾的复杂光照. 实验结果对比表明, 复杂光照比简单光照模拟出的烟雾真实感更强. GPU远高于CPU对物理方程的求解速度, 使烟雾模拟实时性更强.     

基于涡丝模型的烟雾仿真研究

烟雾仿真是近年来计算机图形学应用的热点研究方向,传统的烟雾仿真方法大致有:基于粒子系统的方法,基于网格的欧拉法,基于无网格的拉格朗日方法以及两者的混合。本文为逼真的仿真烟雾使用了基于涡丝和涡环的方法,相比于传统的使用基于网格的欧拉法和无网格的拉格朗日方法,本文的方法将流场描述为不断生成、运动、缠绕的涡丝和涡环。通过谐波分析建立涡丝模型避免了在涡丝伸展过程中出现采样不足的情况,从涡旋场到速度场的转换通过毕奥萨伐尔定律完成,通过实验该方法在仿真轻薄烟雾时效果较好,同时可以达到对烟雾较好的控制,烟雾渲染的速度较快,时间稳定性好。     

头发流体模型中碰撞处理的新方法

针对传统的插值头发簇方法不能表现头发细节的问题,本文为每一根头发建立质子-弹簧模型,渲染阶段不产生发丝。考虑到计算效率,本文提出了一种拉格朗日法与欧拉法的嵌套结合法,用来处理头发间的自碰撞;将头发整体看作不可压缩的流体,欧拉法将流体划分为表现速度与密度的小栅格,在每个小栅格内进行速度计算;拉格朗日法处理其中每个质子的受力作用,两者进行有机结合进行质点速度计算及位置更新。实验表明利用本文的方法能实时高效地模拟动态的头发。     

单总管排气系统多维非定常湍流数值模拟

采用任意拉格朗日－欧拉法,对柴油机三缸排气管进行二维非定常湍流数值模拟。湍流模型采用亚网格尺度模型,入口边界的流动随排气相位变化。     

用SMAC方法对二维非定常流动的数值模拟

使用ＳＭＡＣ算法,从非定常的Ｎ－Ｓ方程出发,对二维非定常流场进行数值模拟。并在非交错网格上,针对其压力算法的不足,通过求解压力Ｐｉｏｉｓｓｏｎ方程来求解压力。计算与实验的结果比较,显示了本文的算法较好地模拟了二维低Ｒｅ圆柱与方形钝体的绕流。     

考虑动态流体网格的颗粒-流体耦合算法

传统颗粒-流体耦合算法难以考虑流体动态边界问题,在模拟大变形案例时因流固边界不匹配易造成计算误差,影响结果的准确性.针对该问题,引入流体网格动态更新方法,推导动网格下的达西渗流方程和颗粒-流体相互作用方程,在离散元商业软件PFC~(2D)基础上,开发了考虑流体动网格的颗粒-流体耦合算法.将该算法用于模拟饱和土不排水剪切双轴试验,通过与常体积法的结果对比,验证了该方法的有效性.最后,采用该算法模拟了不同围压下的不排水双轴试验,计算结果的规律与室内试验具有较好的一致性.该算法考虑了流体动网格的问题,在模拟大变形下的三轴压缩试验、一维固结试验等案例时可获得相适应的流固边界,有助于提高模拟精度,因此可为类似研究提供参考.     

基于二次场算法的大地电磁二维有限单元法正演

推导了同时考虑电阻率与磁导率变化的大地电磁二维方程,并应用有限单元法进行数值模拟.为了提高计算精度与效率、简化计算节点生成,采用格林定理处理二次场方程源项,并设计实现了一种基于二叉树结构的收缩网格剖分算法;采用基于最少填入元思想的稀疏矩阵符号分析方法,实现了稀疏线性方程组的LDLT求解.利用二次场算法进行模型试算,结果表明所采用的新计算方法大大减少了计算单元数量,提高了计算精度与效率.     

平面二维水质模型浓度场可视化研究

以平面二维水质模型为基础，研究了二维水质模型浓度场的实现模式．技术特点在于：利用非规则网格描述复杂地形边界，采用有限元法离散求解模型方程，引入二次网格分割技术生成等值线等．以此为基础，自主开发了平面二维可视化水环境模拟软件，实现了浓度场的可视化动态演示，直观地展现了浓度场的变化过程，从而使决策者和研究人员易于从庞杂的数据中，整体把握污染物的迁移转化过程．     

HLLC方法在二维非结构动网格上的应用

以自适应非结构网格的显式有限体积法为基础，采用格心方法以及基于近似黎曼解的Godunov一阶精度方法求解Euler方程，使用HLLC近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量，空间和时间都是一阶精度，对含有运动边界的多体干扰流场进行了数值模拟，并对数值模拟的结果进行了分析，为进一步进行多体分离数值模拟打下了基础。     

基于ORB-SLAM2的三维占据网格地图的实时构建

针对ORB-SLAM2系统只能输出相机的运动轨迹图,而不能生成用于路径规划和导航地图的问题,提出了一种基于ORB-SLAM2的跳表地图(Skip List Map)构建算法,可用于三维占据网格地图实时构建。首先搭建了一个用于三维占据网格地图实时构建的Skip List Map模型,其时间复杂度仅为O(lgn);其次对Skip List Map三维占据网格地图的生成与更新做了详细推导;最后设计了ORB-SLAM2与Skip List Map算法相结合的方案。通过效率对比实验,表明本文算法具有较高的时间效率与灵活性;搭建实验所需平台并进行了真实场景实时实验,实验表明本文算法能实现三维网格地图的实时构建;且能清晰标识出环境中障碍物的位置,验证了本文算法的有效性。     

复杂铝型材挤压成形有限体积仿真

根据型材挤压成形属于特大变形、热-力耦合、坯料头部存在变形死区等特点，采用欧拉描述有限体积法(FVM)模拟了3级复杂型材的挤压成形过程，避免了传统刚塑性有限元法无法模拟变形死区，拉格朗日描述有限变形弹塑性有限元法难以重划特大变形网格等难题．模拟过程中，采用欧拉描述FVM仿真坏料流动，采用拉格朗日描述有限元法仿真模具变形和应力，采用显式动态接触算法仿真坏料与模具之间的相互作用．确定了兼顾仿真精度和速度的有限体积网格的最小尺寸和单元最大数量，提高了计算效率；建立了6063-T5铝合金在不同变形温度下的系列热-本构-摩擦模型，获得了金属流动、力能、温度、密度变化分布．为工艺和模具参数优化提供了依据．     

基于AMG法及多块非正交网格的三维方腔流场数值模拟

为了将AMG法与多块非正交结构网格结合起来,应用于求解基于多块格离散的三维N-S方程离散系统,针对经典算例三维顶盖驱动直方腔和45°倾斜方腔流动问题,构建了三维多块非正交结构网格系统,设计了三维N-S方程块结构网格离散系统系数矩阵CSR存贮格式;根据非正交同位网格SIMPLE耦合算法,建立了N-S方程的AMG数值求解方法,编制了用AMG法计算的三维数值仿真程序,并采用AMG法求解控制方程中所有流动参数;同已有的结果做了比较,给出了三维方腔流场内复杂的涡系图像,并对算法的有效性进行了验证.结果表明:AMG法及相关算法可用于复杂区域流动问题的数值模拟,为大规模的CFD数值模拟问题奠定了基础.     

运动激波和气泡(串)相互作用的三维数值模拟

对激波和气泡（串）相互作用诱导的大变形界面演化进行了三维数值研究.采用2阶迎风TVD求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO求解Level Set方程追踪多流体界面.在三维情况下,采用GFM确定界面边界条件.将速度分量分别外推,再沿法线分解,得到伪流体切向速度分量,给出了不同时刻运动激波和气泡（串）作用后的压力、密度云图分布图像.计算结果表明：采用速度分量外推方法适合三维界面边界条件处理,并与二维情况下切向速度直接外推的计算结果兼容,验证了切向速度外推方法的正确性.该方法模拟多个流体界面也是有效的,得到了高分辨率的三维变形界面.     

套室内扩散燃烧火灾的三维数值模拟

采用非稳态湍流模型和湍流与化学反应相互作用的涡耗散燃烧模型,对套室内扩散燃烧的火灾进行了三维空间数值模拟.给控制方程添加不同源项以反映化学反应净产生速率对流场的影响,采用交错网格有限容积法将计算区域进行离散,用SIM-PLE算法求解离散控制方程.通过对套间内3种不同释热率情况下火灾的数值模拟,研究了套间内火灾发展、烟气温度分布和燃烧产物浓度分布规律.研究表明火源释热率的大小对烟气温度场的影响较大,对燃烧产物CO2浓度场的影响不很明显.释热率较小时,较短时间内仍能产生大量的烟气;释热率较大时,烟气层迅速形成,温度上升程度更为剧烈.此研究结果对于准确预测套室内火灾传播规律、有效阻止套室内烟气扩散和设计合理的排烟结构有一定的指导意义.图8,参12.     

多跳D2D组网下基于数据驱动的配电网在线异常检测

随着配电网数据信息的急剧增长,为了保证配电网供电可靠性,在配电网和基站间建立多跳D2D网络进行数据传输,提出多跳D2D组网下基于数据驱动的配电网在线异常检测方法。因配电网中每个时刻都会产生新的测量数据,提出一种基于一类支持向量机的配电网运行状态在线检测算法,该算法可根据每个时间周期智能电表上报的用电数据更新模型参数,实时推测配电网当前的运行状态。为了保证用电数据的正常传输,提出基于双边主成分分析的在线流量监测方法监督多跳D2D组网的流量状态。通过仿真实例验证,证明了提出的基于数据驱动的配电网在线异常检测算法可在提高检测速率和精确度的同时节约大量的计算时间和存储空间。     

一种针对飞行模拟的动态地形绘制误差判断方法

针对飞行模拟的特点, 提出一种基于受限四叉树的大规模地形绘制误差判断方法. 该方法利用误差饱和概念, 采用符合并行计算要求的误差判断准则进行层次细节的选取, 使误差判断与三角化过程完全由图形处理器(GPU)执行, 提高了图形硬件的绘制效率, 节省了中央处理器(CPU)运行时间, 可用于高速飞行模拟中的大规模地形实时绘制.     

多物质二维流体动力学程序MMIC的理论基础及其应用研究

针对多物质弹塑性流体动力学问题提出了一种Euler型有限差分算法。基于该算法,用面向对象的C 语言编译了MMIC-2D计算程序,开发了与之相配套的前处理软件MESH-2D、后处理可视化软件VISC-2D,并对球形装药土中爆炸这类典型的爆炸问题进行了二维数值模拟。数值模拟结果与实验结果相吻合,表明文中所提出的算法和计算程序合理、有效,可以用于进行工程数值仿真计算。     

基于DSP的FFT算法在电网谐波检测中的应用

谐波检测是研究和分析谐波问题的出发点和主要依据。本文介绍基于数学变换的几种方法并讨论其优缺点,提出了一种实用且成熟的谐波分析方法,并对该算法中出现的问题进行分析从而提出解决方案。该算法采用汇编语言实现,然后用C语言结合每个模块,并采用目前控制领域最高性能的处理器TMS320C5509对采样信号进行FFT（FastFourierTransform）运算,可以快速检测电网中的三相电压、电流谐波以进行谐波的实时分析。仿真结果验证了算法的正确性和高速性。