CN109992858A - 一种基于sph的出入流边界计算方法、装置和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SPH的出入流边界计算方法、装置和存储介质。通过仿真模型识别出第一计算域和出入流区域，并获取出入流区域和第一计算域中粒子运动后的位置，将处于第一计算域中的粒子设置为流体实粒子，将流体实粒子组成的第二计算域设置为模拟边界。本发明通过获取粒子位置得出流体实粒子，保持计算过程的收敛，提高了计算的精准度，并能根据流体实粒子构成的计算域准确模拟出边界。

Description

一种基于SPH的出入流边界计算方法、装置和存储介质
技术领域
本发明涉及计算机图像处理领域，特别是一种基于SPH的出入流边界计算方法、装置和存储介质。
背景技术
目前，光滑粒子动力学(SPH)作为一种拉格朗日格式的无网格方法，通过引入物理粘性和新的壁面处理方法，实现了对自由表面流体的模拟，被广泛应用于自由表面流体、水流冲击等领域。而对于流体而言，由于边界并非保持不变，因此需要对识别出的边界进行保持，即模拟出不断变化的边界。现有的方案中，通常采用边界力法或者配置虚拟粒子来对固壁边界进行模拟，边界力法计算较为简单，能够用于处理复杂的边界，但是边界力法没有考虑因粒子支持域的边界截断而造成的边界积分缺陷。虚拟粒子具有较高的数值进度和较好的动量守恒性质，还可用于处理对称边界、造波边界等，但是该方法对于固壁连接处角落位置需要做特殊的处理，难以应用到不规则边界中。因此，现有的方案应用到不可压缩流体的非稳态流动时，很容易导致数值精度和稳定性的降低，导致整个计算过程发散，无法准确模拟边界。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于SPH的出入流边界计算方法、装置和存储介质，在实际应用中能够在准确模拟出非稳态流动流体的边界，保持高精度和高稳定性计算，准确模拟边界。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：第一方面，本发明提供了一种基于SPH的出入流边界计算方法，包括以下步骤：
客户端创建仿真模型；
所述客户端获取所述仿真模型中识别出的第一计算域和出入流区域；
所述客户端获取所述第一计算域和出入流区域中粒子的运动速度和运动方向，得出粒子静止后的粒子位置，将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子；
所述客户端将所述流体实粒子所组成的第二计算域设置为模拟边界。
进一步，所述仿真模型为CFD中与不可压缩流体相对应的物理模型。
进一步，所述出入流区域包括出流区域和入流区域，所述出流区域中包括流向所述第一计算域的入流粒子，所述出流区域中包括从所述第一计算域中流出的出流粒子；所述第一计算域包括用于粒子流入或流出的支持域。
进一步，所述将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子具体包括以下步骤：
若所述入流粒子运动后的粒子位置位于所述第一计算域中，所述客户端将该入流粒子设置为流体实粒子，并在所述入流区域的末端生成一个新的入流粒子；
若所述流体实粒子运动后的粒子位置位于所述出流区域中，所述客户端将该流体实粒子设置为出流粒子。
进一步，还包括：所述客户端获取所述出流粒子与最接近的流体实粒子之间的距离，若所述距离超过预先设定的作用距离，则将该出流粒子移除。
进一步，所述入流区域和出流区域的宽度大于所述支持域的半径。
第二方面，本发明提供了一种用于执行上述所述的基于SPH的出入流边界计算方法的装置，包括CPU单元，所述CPU单元用于执行以下步骤：
客户端创建仿真模型；
所述客户端获取所述仿真模型中识别出的第一计算域和出入流区域；
所述客户端获取所述第一计算域和出入流区域中粒子的运动速度和运动方向，得出粒子静止后的粒子位置，将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子；
所述客户端将所述流体实粒子所组成的第二计算域设置为模拟边界。
进一步，所述CPU单元还用于执行以下步骤：
若所述入流粒子运动后的粒子位置位于所述第一计算域中，所述客户端将该入流粒子设置为流体实粒子，并在所述入流区域的末端生成一个新的入流粒子；
若所述流体实粒子运动后的粒子位置位于所述出流区域中，所述客户端将该流体实粒子设置为出流粒子。
进一步，所述CPU单元还用于执行以下步骤：
所述客户端获取所述出流粒子与最接近的流体实粒子之间的距离，若所述距离超过预先设定的作用距离，则将该出流粒子移除。
第三方面，本发明提供了一种用于执行基于SPH的出入流边界计算方法的设备，包括至少一个控制处理器和用于与至少一个控制处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个控制处理器执行的指令，指令被至少一个控制处理器执行，以使至少一个控制处理器能够执行如上所述的基于SPH的出入流边界计算方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行如上所述的基于SPH的出入流边界计算方法。
第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使计算机执行如上所述的基于SPH的出入流边界计算方法。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：本发明采用了一种基于SPH的出入流边界计算方法、装置和存储介质。通过仿真模型识别出第一计算域和出入流区域，并获取出入流区域和第一计算域中粒子运动后的位置，将处于第一计算域中的粒子设置为流体实粒子，将流体实粒子组成的第二计算域设置为模拟边界。对比起现有技术而言，本发明通过获取粒子位置得出流体实粒子，保持计算过程的收敛，提高了计算的精准度，并能根据流体实粒子构成的计算域准确模拟出边界。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明第一实施例提供的一种基于SPH的出入流边界计算方法的流程图；
图2是本发明第一实施例提供的一种基于SPH的出入流边界计算方法的中将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子的流程图；
图3(a)是本发明第一实施例提供的一种基于SPH的出入流边界计算方法中入流区域的示意图；
图3(b)是本发明第一实施例提供的一种基于SPH的出入流边界计算方法中出流区域的示意图；
图4是本发明第二实施例提供的一种基于SPH的出入流边界计算装置的装置示意图。
具体实施方式
目前，光滑粒子动力学(SPH)作为一种拉格朗日格式的无网格方法，通过引入物理粘性和新的壁面处理方法，实现了带自由表面流体的模拟，被广泛应用于自由表面流体、水流冲击等领域。而对于流体而言，由于边界并非保持不变，因此需要对识别出的边界进行保持，即模拟出不断变化的边界。现有的方案中，通常采用边界力法或者配置虚拟粒子来对固壁边界进行模拟，边界力法计算较为简单，能够用于处理复杂的边界，但是边界力法没有考虑因粒子支持域的边界截断而造成的边界积分缺陷。虚拟粒子具有较高的数值进度和较好的动量守恒性质，还可用于处理对称边界、造波边界等，但是该方法对于固壁连接处角落位置需要做特殊的处理，难以应用到不规则边界中。因此，现有的方案应用到不可压缩流体的非稳态流动时，很容易导致数值精度和稳定性的降低，导致整个计算过程发散，无法准确模拟边界。
基于此，本发明采用了一种基于SPH的出入流边界计算方法、装置和存储介质。通过仿真模型识别出第一计算域和出入流区域，并获取出入流区域和第一计算域中粒子运动后的位置，将处于第一计算域中的粒子设置为流体实粒子，将流体实粒子组成的第二计算域设置为模拟边界。对比起现有技术而言，本发明通过获取粒子位置得出流体实粒子，保持计算过程的收敛，提高了计算的精准度，并能根据流体实粒子构成的计算域准确模拟出边界。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
参照图1，本发明的第一实施例提供了一种基于SPH的出入流边界计算方法，包括以下步骤：
步骤S100，客户端创建仿真模型；
步骤S200，所述客户端获取所述仿真模型中识别出的第一计算域和出入流区域；
步骤S300，所述客户端获取所述第一计算域和出入流区域中粒子的运动速度和运动方向，得出粒子静止后的粒子位置，将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子；
步骤S400，所述客户端将所述流体实粒子所组成的第二计算域设置为模拟边界。
其中，所述仿真模型中可以输入静止图像，也可以是动态图像，本实施例中优选动态图像，更准确地仿真流体的真实情况。
其中，第一计算域为出流区域和入流区域之间用于计算的区域，即代表边界的区域，本实施例通过入流粒子和出流粒子替换第一计算域中的流体实粒子，形成新的计算域，即第二计算域，从而实现对边界的模拟。
进一步，在本发明的另一个实施例中，所述仿真模型为CFD中与不可压缩流体相对应的物理模型。
其中，本实施例优选CFD中的不可压缩流体相对应的物理模型，以垂直入流和完全发展流动为基本假设，采用控制体积法完成模型的建立。采用垂直入流可简化入流区域边界流体压力与速度分布的初始设定，而完全发展流动能够更简便地确定出入流边界位置。
参考图3(a)和图3(b)，进一步，在本发明的另一个实施例中，所述出入流区域包括出流区域和入流区域，所述出流区域中包括流向所述第一计算域的入流粒子，所述出流区域中包括从所述第一计算域中流出的出流粒子；所述第一计算域包括用于粒子流入或流出的支持域。
其中，在本实施例中，入流区域3100和第一计算域3000之间为流入边界，出流区域3200和第一计算域3000之间为流出边界。
其中，出入流区域和第一计算域3000之间可以在任意位置进行粒子运动，本实施例中优选分别在入流区域3100和第一计算域3000之间、出流区域3200和第一计算域3000之间建立支持域3300，用于进行粒子运动和交换。如图所示，入流粒子从入流区域3100向支持域3300的位置运动，流体实粒子从支持域3300从出流区域3200运动。
参考图2和图3，进一步，在本发明的另一个实施例中，所述将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子具体包括以下步骤：
步骤S310，若所述入流粒子运动后的粒子位置位于所述第一计算域中，所述客户端将该入流粒子设置为流体实粒子，并在所述入流区域的末端生成一个新的入流粒子；
步骤S320，若所述流体实粒子运动后的粒子位置位于所述出流区域中，所述客户端将该流体实粒子设置为出流粒子。
其中，在本实施例中，由于粒子运动的加速度为负值，即粒子初始运动时的速度为最大速度，运动结束后为静止状态。因此入流粒子的位置依据其运动发生变化，当一个入流粒子发生运动时，客户端将其设置为入流虚粒子，入流虚粒子从入流区域3100运动至支持域3300后，客户端将其设置为流体实粒子，用于边界计算。同时，为了保持入流区域的完整，客户端在入流区域3100的末端处生成一个新的入流粒子。若入流虚粒子停止在入流区域3100中，重新将其设置为入流粒子。
其中，在本实施例中，当一个流体实粒子从支持域3300开始运动至出流区域后，客户端将其设置为出流粒子。
进一步，在本发明的另一个实施例中，还包括：所述客户端获取所述出流粒子与最接近的流体实粒子之间的距离，若所述距离超过预先设定的作用距离，则将该出流粒子移除。
其中，对于出流区域中的出流粒子，可以保持为出流粒子，也可以将距离过远的出流粒子移除，本实施例中优选将其移除，即从计算中省去，以节约计算时间。
进一步，在本发明的另一个实施例中，所述入流区域和出流区域的宽度大于所述支持域的半径。
其中，在本实施例中，优选入流区域和出流区域的宽度大于支持域的半径，以确保边界附近流体粒子支持域的完整性，避免支持域过大无法获取粒子。
参照图4，本发明的第二实施例还提供了一种用于执行基于SPH的出入流边界计算方法的装置，该装置为智能设备，例如智能手机、计算机和平板电脑等，本实施例以计算机为例加以说明。
在该用于执行基于SPH的出入流边界计算方法的计算机4000中，包括CPU单元4100，所述CPU单元4100用于执行以下步骤，
进一步，本发明的另一个实施例中，所述CPU单元4100还用于执行以下步骤：。
需要说明的是，由于本实施例中的基于SPH的出入流边界计算装置与上述的基于SPH的出入流边界计算方法基于相同的发明构思，因此，方法实施例中的相应内容同样适用于本装置实施例，此处不再详述。
计算机4000和CPU单元4100之间可以通过总线或者其他方式连接，计算机4000中还包括存储器，所述存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的用于执行基于SPH的出入流边界计算方法的设备对应的程序指令/模块。计算机4000通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而控制CPU单元4100执行用于执行基于SPH的出入流边界计算方法的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的基于SPH的出入流边界计算方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据CPU单元4100的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于CPU单元4100远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机4000。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述CPU单元4100执行时，执行上述方法实施例中的基于SPH的出入流边界计算方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被CPU单元4100执行，实现上述所述的基于SPH的出入流边界计算方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的装置可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络装置上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ReadOnly Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于SPH的出入流边界计算方法，其特征在于，包括以下步骤：客户端创建仿真模型；
所述客户端获取所述仿真模型中识别出的第一计算域和出入流区域；
所述客户端获取所述第一计算域和出入流区域中粒子的运动速度和运动方向，得出粒子静止后的粒子位置，将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子；
所述客户端将所述流体实粒子所组成的第二计算域设置为模拟边界。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPH的出入流边界计算方法，其特征在于：所述仿真模型为CFD中与不可压缩流体相对应的物理模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于SPH的出入流边界计算方法，其特征在于：所述出入流区域包括出流区域和入流区域，所述出流区域中包括流向所述第一计算域的入流粒子，所述出流区域中包括从所述第一计算域中流出的出流粒子；所述第一计算域包括用于粒子流入或流出的支持域。
4.根据权利要求3所述的一种基于SPH的出入流边界计算方法，其特征在于，所述将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子具体包括以下步骤：
若所述入流粒子运动后的粒子位置位于所述第一计算域中，所述客户端将该入流粒子设置为流体实粒子，并在所述入流区域的末端生成一个新的入流粒子；
若所述流体实粒子运动后的粒子位置位于所述出流区域中，所述客户端将该流体实粒子设置为出流粒子。
5.根据权利要求4所述的一种基于SPH的出入流边界计算方法，其特征在于，还包括：所述客户端获取所述出流粒子与最接近的流体实粒子之间的距离，若所述距离超过预先设定的作用距离，则将该出流粒子移除。
6.根据权利要求3所述的一种基于SPH的出入流边界计算方法，其特征在于：所述入流区域和出流区域的宽度大于所述支持域的半径。
7.一种用于执行权利要求1-6任一所述的基于SPH的出入流边界计算方法的装置，其特征在于，包括CPU单元，所述CPU单元用于执行以下步骤：
客户端创建仿真模型；
所述客户端获取所述仿真模型中识别出的第一计算域和出入流区域；所述客户端获取所述第一计算域和出入流区域中粒子的运动速度和运动方向，得出粒子静止后的粒子位置，将位于所述第一计算域中的粒子设置为流体实粒子；
所述客户端将所述流体实粒子所组成的第二计算域设置为模拟边界。
8.根据权利要求7所述的一种用于执行基于SPH的出入流边界计算方法的装置，其特征在于，所述CPU单元还用于执行以下步骤：
若所述入流粒子运动后的粒子位置位于所述第一计算域中，所述客户端将该入流粒子设置为流体实粒子，并在所述入流区域的末端生成一个新的入流粒子；
若所述流体实粒子运动后的粒子位置位于所述出流区域中，所述客户端将该流体实粒子设置为出流粒子。
9.根据权利要求7所述的一种用于执行基于SPH的出入流边界计算方法的装置，其特征在于，所述CPU单元还用于执行以下步骤：
所述客户端获取所述出流粒子与最接近的流体实粒子之间的距离，若所述距离超过预先设定的作用距离，则将该出流粒子移除。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1-6任一项所述的一种基于SPH的出入流边界计算方法。
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