CN113591407A - 一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建及分析方法、系统和可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建及分析方法、系统和可读存储介质。所述方法将基于表面网格的粒子统计算法应用于流体的动力过程分析计算中。通过表面网格对流、固体相互接触二维结构面进行表征，将粒子进行局部坐标系转换，根据粒子三维空间分布情况对粒子进行筛分。在粒子筛分的基础上，以表面网格为研究对象，依次对表面网格中所对应的粒子的动力参数进行提取与统计。构建出流固区域的流体动力学模型，进而可以获知整个区域的动力作用情况，且基于每一瞬时的动力参数可以实现流固区域相互作用过程的动态分析。本发明方法尤其适用于流速较快、惯性较大的流体动力过程计算，而且考虑因素全、计算效率高、计算结果更为准确。
Description
技术领域
本发明属于流体力学与固体力学数值计算领域，具体涉及一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建及分析方法、系统和可读存储介质。
背景技术
流体流与固体结构相互接触的动力作用现象广泛存在于自然界和工程相关领域中。随着计算科学以及数值分析方法的不断发展，流固相互接触动力作用研究和分析在跨流域调水、水土保持、水利枢纽建设、地质灾害防治等方面有着十分重要的意义和应用前景。
基于流体与其相互接触固体结构面之间以动量交换的数值计算模型是目前主要采用的计算方法。但在流体与固体动力作用求解的过程中，采用传统数值建模方法进行三维粒子的动力分析时，数值计算处理方式单一、往往需要高昂的计算成本，计算效率较低。且三维数值计算结果在数据形式上往往以基于大量离散粒子的不连续形式为主，需要从整体层面对这些离散数据进行综合考量，得到能够准确描述一定局部范围内粒子群的整体流速、流深等流体力学参数，并为流固区域流体动力学模型构建提供支持。
因此，针对上述计算流体与其相互接触固体结构面之间的流体动力学模型存在的技术弊端，亟需一种适应流固相互作用分析精度、低计算成本、高效率的流体动力学模型参数获取、分析方法，对流体的动态过程进行瞬时分析和相关结果的统计计算。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建及分析方法、系统和可读存储介质，所述方法基于相关的坐标转换和表面网格的粒子统计法的思想，将基于表面网格的粒子统计算法(记录，筛分，转换，比较，计算，求解等)应用于流体的动力过程分析计算中时，通过表面网格对流、固体相互接触二维结构面进行表征，在表面网格近似描述后，通过定义作用域与粒子局部坐标系转换，依照粒子三维空间分布情况对粒子进行筛分并对应到相应的表面网格中，从而确定对流体动力作用产生实质影响的粒子。在粒子筛分的基础上，以表面网格为研究对象，依次对网格中所对应的粒子上所携带的各类关键参数信息进行提取，构建出流固区域的流体动力学模型。基于流体动力学模型可以获知整个区域的动力作用情况，针对每一瞬时的参数可以实现流固区域整个相互作用过程的动态分析，在跨流域调水、水土保持、水利枢纽建设、地质灾害防治等方面的应用中提供有利的设计参考和依据。
一方面，本发明提供一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建方法，其包括以下步骤：
步骤S1：根据流、固动力作用面或流、固接触区域的真实地形特征进行表面网格划分；
步骤S2：如图2所示，将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下；
步骤S3：在以表面网格为基础的局部坐标系下，根据粒子的局部坐标信息，对粒子进行筛分。其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格；
步骤S4：基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域有关流体动力学模型的参数。本发明从流体与固体表面接触动力入手，通过变维的计算求解方法，对流体动力过程中的相关问题域进行表现，可以对流体的动态过程进行瞬时分析和相关结果的统计计算。其中，本发明的表面网格是根据流、固动力作用面或流、固接触区的真实地形特征进行划分，考虑到了自然地形对流体底层的影响，与实际工况更为匹配；此外，针对底层速度场，本发明通过三维尺度上对流体底层速度场进行直接求解，并基于求解结果进行相关的流体动力学模型分析，有效避免了流体动力过程求解的流速线性假定所带来的弊端。采用维度变换的计算求解方法，有效的降低了计算分析成本，对流体动力作用过程中的问题域进行更加有效、直接表现，提高了求解效率。
二方面，本发明提供一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型分析方法，包括以下步骤：
步骤1：根据流、固动力作用面或流、固接触区域的真实地形特征进行表面网格划分；
步骤2：将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下；
步骤3：在以表面网格为基础的局部坐标系下，根据粒子的局部坐标信息，对粒子进行筛分。其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格；
步骤4：基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域有关流体动力学模型的参数；
步骤5：根据所述流体动力学模型和流、固动力作用面或流、固区域目标场模型解算出目标场状态，再通过时间积分进而实现对目标场状态的动态分析。
在本发明的构思下，得到流固区域中每个粒子、每个表面网格的动力参数，可以适用到某个应用场中解决实际应用问题中的目标参数，并基于时间变化得到其动态变化趋势。
可选地，所述流固区域的流体动力学模型的动力参数包括流深和/或流体体底层速度场时，所述流深、所述流体底层速度场的计算过程如下：
任意网格中的流深等于所述网格中粒子的局部坐标中最大z'坐标值，表示为：
hcell(i,j)＝max{z′1,z′2,…,z′N}
式中，cell(i,j)表示表面网格，hcell(i,j)为表面网格cell(i,j)对应的流深，N表示表面网格中对应的粒子总数，z'1,z'2,z'N分别表示表面网格cell(i,j)中第1个、第2个、第N个粒子。
任意网格区域的流体底层速度场由最底层粒子的速度表示，所述最底层粒子为网格中粒子的局部坐标中最小z'坐标值对应的粒子，表示为：
式中，v1botcell(i,j)为表面网格cell(i,j)对应的流体底层速度，z'i为表面网格cell(i,j)中粒子的最小z'坐标值，vix'、viy'分别是粒子的最小z'坐标值z'i对应粒子在局部坐标系下的x、y方向的速度。
可选地，所述流固区域的流体动力学模型的动力参数包括在局部坐标系下，沿流体流动方向上的坡度θ时，所述坡度θ的计算公式如下：
θ＝arctan(|tanθx·cosα+tanθy·cosβ|)
满足：
式中，α、β为表面网格的方向向量与x、y方向的夹角，N表示表面网格中对应的粒子总数，i表示表面网格中第i个粒子，vix'、viy'分别为表面网格中第i个粒子在局部坐标系下的x,y方向的速度，|vdiv|为粒子所属表面网格速度的模长。定义函数z＝f(x,y)表示在绝对坐标系下，所构建的表面网格与水平面的夹角关系，其在x、y方向偏导数分别为在x、y方向的正切值tanθx、tanθy，其相关的示意图如图3所示。
可选地，步骤S4中计算出每个表面网格对应的流体动力学模型的动力参数，再基于每个表面网格对应的参数得到流固区域的全局状态；和/或步骤S4中计算出每个时刻每个表面网格对应的流体动力学模型的动力参数，再根据步骤S5进行时间变化得到流固区域的全局动态变化。
需要说明的是，上述提供的流固区域的流体动力学模型的动力参数是以流深、坡度、流体底层速度场等为例，应当理解，基于本发明构思，不局限于上述参数。利用本发明所述方法可以得到瞬时状态，进而进行时间变化可以进行动态分析，利用每个表面网格的计算结果，也可以得到整个区域的动力作用情况。
第三方面，本发明提供一种基于上述方法的系统，其至少包括：网格划分模块、转换模块、筛分模块、以及流体动力学模型构建模块，所述系统还选择性包括目标场分析模块；
所述网格划分模块，用于流、固动力作用面或流、固接触区域的真实地形进行表面网格划分；所述转换模块，用于将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下；所述筛分模块，基于粒子在局部坐标系下的局部坐标进行筛分，其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格；所述流体动力学模型构建模块，基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域流体动力学模型的动力参数；所述目标场分析模块，用于根据所述流体动力学模型和流、固动力作用面或流、固区域目标场模型解算出目标场状态，再通过时间积分进而实现对目标场状态的动态分析。
第四方面，本发明提供一种终端，其包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现：所述流体动力学模型构建方法的步骤或所述流体动力学模型分析方法的步骤。
第五方面，本发明提供一种可读存储介质，其存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：所述流体动力学模型构建方法的步骤或所述流体动力学模型分析方法的步骤。
有益效果
本发明基于坐标转换和表面网格粒子统计的思想，将基于变维转换的粒子统计算法应用于流体与固体相互接触的动力过程分析计算中。通过表面网格对流、固体相互接触二维结构面进行表征。然后，通过定义作用域与三维粒子局部坐标系的转换，根据粒子三维空间分布情况将粒子筛分到相应的表面网格中，从而有效的确定和分析对流、固体动力作用产生实质影响的粒子。在粒子筛分的基础上，以表面网格为研究对象，依次对每个网格中相关粒子的各类关键参数信息进行提取，并采取有效的方法进行分析、统计。最后，根据相关动力公式完成对目标场函数的求解。其中，采用维度变换的计算求解方法，有效的降低了计算分析成本，对流体动力作用过程中的问题域进行更加有效、直接表现，提高了求解效率。同时，对每一瞬时采取上述算法，则可最终实现对流、固动力作用过程的动态分析，可以克服在计算求解流、固动力模型时相关关键参数选择的主观性和不确定性问题。本发明方法尤其适用于流速较快、惯性较大的流体动力过程计算，而且方法考虑因素全、计算效率高、计算结果更为准确。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型分析方法的流程示意图；
图2是本发明提供的三维粒子流与二维结构表面变维转化算法的坐标转换示意图；
图3是本发明提供的基于方向向量法确定坡度值计算示意图；
图4是本发明提供的基于水槽实验变维转化算法t＝5.0s时数值计算结果示意图。
具体实施方式
本发明提供的一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建及分析方法，其目的是针对流固区域的动力作用问题，使用基于相关的坐标转换和表面网格粒子统计的思想，将基于表面网格的粒子统计算法应用于流体的动力过程分析计算中，最终得到流固动力作用区域的流体动力学模型的动力参数，即每个表面网格对应的动力参数。再根据每一瞬时下单个表面网格的动力参数解算出目标场状态，进而通过时间积分实现对目标场状态的动态分析。下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：
本实施例提供的一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建方法，其目的在于得到流固区域的动力参数。本实施例中，以流深、坡度、流体底层速度场等动力参数为例，其他可行的实施例中，不局限于上述动力参数。
本实施例提供的一种于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据流、固动力作用面或流、固接触区域的真实地形特征进行表面网格划分。
其中，通过三维数值地形的建模，对于形状复杂的流、固动力作用面或真实地形，可采用一系列连续密铺、边长为ΔL的正四边形平面(表面网格)对其进行概化。便于与通用的地理信息系统(GeographicInformationSystem，GIS)平台进行结合。
应当理解，网格划分是考虑到在每一时步下对每个单一的表面网格进行相关的流体动力学分析，便可进一步得到整个流、固动力作用的空间分布及演化情况。
步骤S2：如图2所示，将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下。
采用的流体动力计算模型基于与地形密切相关的局部坐标系，而三维的粒子数值模型计算结果为全局坐标系下的结果，故而基于粒子统计算法进行流、固动力模型整合时，需要将粒子的坐标及速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下，计算公式为：
上式为粒子的坐标转化式，其中，(x’,y’,z’)T为粒子在局部坐标系下的局部坐标；(x,y,z)T则为粒子在全局坐标系下的坐标；(xcell,ycell,zcell)T则为目标表面网格的参照点在全局坐标系下的坐标，即局部坐标系的原点。
R(θx)、R(θy)、R(θz)为x、y、z三个方向上的转化矩阵，其表达式如下：
其中，θx与θy分别表示网格平面与水平面在x方向和y方向上所成的空间夹角。
对于速度的坐标变化表达式，表达式如下：
步骤S3：在以表面网格为基础的局部坐标系下，根据粒子的局部坐标信息，对粒子进行筛分。其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格。
在坐标转换的基础上，对粒子进行筛分，即将粒子依照转换后的局部坐标对应到相应的表面网格中，从而方便后续基于表面网格对粒子信息进行提取统计与计算。计算公式为：
其中，(x',y')为粒子的局部坐标；Row与Col则表示粒子对应网格的行坐标与列作坐标；ΔL为表面网格尺寸，CEIL为向上取整函数。
通过上式的操作，实现由粒子局部坐标到表面网格坐标的映射，将粒子对应到相应的网格中。
步骤S4：基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域有关流体动力学模型的参数。
对于任意网格中的流深h，可由该网格中粒子的最大z'坐标值进行表示，而流体底层速度场，则可由最底层粒子(z'值最小)的速度表示。两者具体表达式如下：
hcell(i,j)＝max{z'1,z'2,…,z'N} (7)
上式中，cell(i,j)表示表面网格，hcell(i,j)为表面网格cell(i,j)对应的流深，N表示表面网格中对应的粒子总数，z'1,z'2,z'N分别表示表面网格cell(i,j)中第1个、第2个、第N个粒子，v1botcell(i,j)为表面网格cell(i,j)对应的流体底层速度，z'i为表面网格cell(i,j)中粒子的最小z'坐标值，vix'、viy'分别是粒子的最小z'坐标值z'i对应粒子在局部坐标系下的x、y方向的速度。
对于在局部坐标系下，沿流体流动方向上的坡度θ的取值，在三维计算框架下，流体流向处于三维空间，因此在其流动方向上所对应的坡度实质上是三维空间中的空间角，故而需要基于地形数据和粒子的流动方向进行换算求出。提出一种基于方向向量方法的解算方法对坡度进行计算，其过程如下：当表示流体的粒子流入某对应的表面网格时，该表面网格在绝对坐标系下，可由函数z＝f(x,y)表示所构建的表面网格与水平面的夹角关系，则函数z沿x与y两个方向的偏导数满足：
表面网格的方向向量vdiv由下式定义：
式中i表示网格中的任意粒子，N为网格中对应的粒子数，vix'、viy'分别是网格内粒子在局部坐标系下在x,y方向的速度。该式的意义在于通过对网格中的所有粒子沿x、y两个方向的速度分量分别进行加和，来表述整个网格中粒子所代表的流体的运动方向。
通过定义表面网格的方向向量，可以分别求得该方向向量与局部坐标系x、y方向的夹角α和β：
其中：
因此，在局部坐标系下，沿流体流动方向上的坡度值θ可由下式进行确定：
θ＝arctan(|tanθx·cosα+tanθy·cosβ|) (14)
如图3所示，上式的实际意义为，表面网格沿流体流动方向(表面方向向量方向)上与水平面所成的空间角。
应当理解，在不脱离本发明构思的基础上，利用其它动力公式计算出其他动力参数也属于本发明的保护范围，本发明并不局限于上述动力参数。此外，本发明利用上述方法得到每个粒子、每个表面网格的动力参数后，进而可以获知整个区域的动力作用状态；或者基于每个瞬时下每个粒子、每个表面网格的动力参数后，进而可以获知动力参数随时间的动态变化。
实施例2：
本实施例中，利用实施例1计算出的动力参数，将其应用于实际问题中解决实际应用场的问题，因此，本实施例中提供的基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型分析方法的实际应用，将动力参数代入目标场并用现有公式来解决应用问题，下述将以泥石流水槽实验为例进行说明：
基于某大型泥石流水槽实验，采用光滑粒子动力学模拟进行了应用说明。整个装置主要由混凝土滑槽和检测设备组成。整个滑槽长约95m，宽2m，高1.2m，与地面呈31°夹角。侵蚀底床沉积物厚度为12cm，分布范围在x＝6m-53m之间，共计47m长，沉积物质含水量为25％。泥石流浆体初始时储存在装置上方6m3的空间内(x＝0m)，并由高1.9m的垂直挡板阻隔。为记录瞬时流深以及侵蚀深度的变化，研究者在x＝32m处设置激光传感器、侵蚀传感器和压力传感器进行实时观测。实验采用的泥石流浆体密度为1650kg/m3，动力粘性系数为0.001Pa·s，粘聚力为0Pa，内摩擦力为40°。接下来，利用本发明所述的天然沟道不规则断面的泥石流流速场分析方法，对该处断面进行流速场分析计算。具体步骤如下：
步骤1，表面网格构建：通过三维数值地形的建模，对于形状复杂的侵蚀面或真实地形，可采用一系列连续密铺、边长为ΔL的正四边形平面(表面网格)对其进行概化。建立三维的数值模型。
步骤2，将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下。采用的泥石流侵蚀计算模型基于与地形密切相关的局部坐标系，而三维的粒子数值模型计算结果为全局坐标系下的结果，故而基于粒子统计算法进行侵蚀模型整合时，需要将粒子的坐标及速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下，具体公式常见公式(1)-(5)。
步骤3：在以表面网格为基础的局部坐标系下，根据粒子的局部坐标信息，对粒子进行筛分。其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格；
计算示例：粒子坐标经坐标转换后，局部坐标为(1.7,1.2)，当表面网格尺寸定义为0.5m时，Row＝CEIL(1.7/0.5)＝CEIL(3.4)＝4；Col＝CEIL(1.2/0.5)＝3；因此，对应的表面网格坐标为(4,3)。
步骤4：基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域有关流体动力学模型的参数。其中，对泥石流侵蚀模型中的泥深、孔压力系数、坡度、泥石流浆体底部和侵蚀底床中侵蚀滑动面上的剪应力与速度等信息进行统计计算。
对于任意网格中的流深h，可由该网格中粒子的最大z'坐标值进行表示，而浆体底层速度场，则可由最底层粒子(z'值最小)的速度表示。两者具体表达式为公式(7)-(8)。
对于在局部坐标系下，沿流体流动方向上的坡度θ的取值，在三维计算框架下，泥石流流向处于三维空间，因此在其流动方向上所对应的坡度实质上是三维空间中的空间角，故而需要基于地形数据和粒子的流动方向进行换算求出。提出一种基于方向向量方法的解算方法对坡度进行计算，当表示泥石流浆体的粒子流入某对应的表面网格时，参照公式(9)-(14)的计算过程。坡度值θ的实际意义为，表面网格沿泥石流浆体流动方向(表面方向向量方向)上与水平面所成的空间角，其相关的示意图如图3所示。
此外，还考虑到孔压力系数。
对于孔压力系数Bd，其数值大小受到底床受力状态的影响。采用网格中所有对应粒子的深度方向速度场之和
的正负性来进行判断，当网格中
小于0时，表明整个网格中的粒子由向下运动的整体趋势，即流深趋于减小，此时该网格范围内的底床处于卸载状态，反之，则为加载状态；上述判别过程可由下式表示：
引入蒙特卡罗方法(Monte-Carlomethod)对岩土体的不均匀性与离散性进行考虑，提出了Bd的取值校正公式：
对于加载状态：
对于卸载状态：
上式中：Bdmax与Bdmin为依据相关经验设定的Bd上下界，通常分别取为1.2Bd和0.8Bd。
步骤5：根据所述流体动力学模型和流、固动力作用面或流、固区域目标场模型解算出目标场状态，再通过时间积分进而实现对目标场状态的动态分析。
本实例中，基于某一时刻的粒子所携带的信息计算出各表面网格中的侵蚀速率Ecell(i,j)，所述侵蚀速率Ecell(i,j)的公式如下：
式中，g为重力加速度，hcell(i，j)为表面网格cell(i,j)对应的流深，v1botcell(i，j)为表面网格cell(i,j)对应的浆体底层速度，θ为在局部坐标系下，沿流体流动方向上的坡度值，
为泥石流浆体的体积基础摩擦角，
为泥石流底床内摩擦角，Bd为孔压力系数。
针对侵蚀深度dsccell(i,j)：基于流体动力学模型的参数计算出表面网格中的侵蚀速率Ecell(i,j)；再基于时间变化对粒子信息和表面网格的侵蚀速率Ecell(i,j)进行更新以及侵蚀速率Ecell(i,j)与所述侵蚀深度dsccell(i,j)的关系，得到表面网格对应的侵蚀深度dsccell(i,j)的动态分析。侵蚀深度dsccell(i,j)的公式如下：
因此，根据以上三维粒子流动力参数的二维平面化变维转化算法，结合网格法在问题域描述上的优势以及粒子的信息统计特征，获取泥石流浆体的动力特性，并基于表面网格和粒子统计算法将泥石流流体动力特性模拟结果换算成侵蚀计算模型所需的参数，进而实现了侵蚀模型在粒子统计算法框架下的整合。三维尺度上对浆体底层速度场进行直接求解，通过维度变换的计算求解，运用泥石流浆体与侵蚀底床之间动量交换的侵蚀模型，实现了泥石流侵蚀动态过程的分析计算，对每个瞬时下浆体底层速度场、流深及累计侵蚀深度的空间分布情况进行时步分析。如图4所示：根据泥石流水槽实验，应用本发明中的三维粒子流动力参数的二维平面化变维转化算法，在t＝5.0s时数值计算的结果从左至右依次为在该时刻下粒子的流动情况、粒子流经水槽的流深以及底面粒子的流速分布情况。
如果采用传统常用的泥石流侵蚀计算方法，将泥石流在侵蚀过程中的速度场概化为流速线性假定，该计算方法显然与实际浆体底层速度场相差较大。分析泥石流浆体前端的位移变化情况可知，模拟结果与实测结果吻合良好，特别是在侵蚀区域内的运动情况与实际情况极为接近，故而，基于三维粒子方法求解的速度场及粒子空间分布信息，可为后续的侵蚀计算提供良好基础。通过本发明中的三维粒子流动力参数的二维平面化变维转化算法计算得到的累计侵蚀深度为0.079m，与实测的0.082m吻合良好，也证明了本发明基于统计学方法的三维粒子流与二维结构表面的变维转化算法的适用性与准确性。本发明所述方法直接采用三维流体速度场较好的模拟计算了流体底层速度场，并在此基础上采用变维转换算法和粒子信息统计，构建侵蚀模型在本算法框架下的整合，计算出每个瞬时下的浆体底层速度场、流深及累计侵蚀深度的空间分布情况。相比传统方法更加精确动态的计算分析了泥石流的侵蚀过程，能够进一步满足泥石流防治工程设计工作的基本需求。
从上述可知，本发明将流体动力学模型的动力参数代入目标场计算出目标场状态时，利用目标场的现有公式进行整合，可以解决各类流固区域目标场的应用问题，并不局限于泥石流的侵蚀深度分析，本发明所述方法还可以应用于解决跨流域调水、水土保持、水利枢纽建设、以及海岸防护工程的设计等相关问题，本发明对应用的目标场及其应用问题并无具体的限定。
实施例3：
本实施例提供一种系统，其包括：网格划分模块、转换模块、筛分模块、以及流体动力学模型构建模块。
其中，所述网格划分模块，用于基于流、固动力作用面或流、固接触区的真实地形进行表面网格划分。
所述转换模块，用于将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下。
所述筛分模块，基于粒子在局部坐标系下的局部坐标进行筛分，其中，基于粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格。
所述流体动力学模型构建模块，基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度确定流固区域的流体动力学模型的动力参数。
在一些可行的方式中，所述系统还包括：目标场分析模块，用于根据所述流体动力学模型和流、固动力作用面或流、固区域目标场模型解算出目标场状态，再通过时间积分进而实现对目标场状态的动态分析。
实施例4：
本实施例提供一种终端，其包括一个或多个处理器和存储器，存储器用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现：所述流体动力学模型构建方法的步骤或所述流体动力学模型分析方法的步骤。其中，各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的阐述。
该终端还包括：通信接口，用于与外界设备进行通信，进行数据交互传输。
其中，存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性除颤器，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器、处理器和通信接口独立实现，则存储器、处理器和通信接口可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构总线，外部设备互联总线或扩展工业标准体系结构总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
可选的，在具体实现上，如果存储器、处理器和通信接口集成在一块芯片上，则存储器、处理器即通信接口可以通过内部接口完成相互之间的通信。
应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
实施例5：
本实施例提供一种可读存储介质，其存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：所述流体动力学模型构建方法的步骤或所述流体动力学模型分析方法的步骤。其中，各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的阐述。
所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：根据流、固动力作用面或流、固接触区域的真实地形特征进行表面网格划分；
步骤S2：将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下；
步骤S3：在以表面网格为基础的局部坐标系下，根据粒子的局部坐标信息，对粒子进行筛分。其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格；
步骤S4：基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域有关流体动力学模型的参数。
2.一种基于变维转化算法的流固区域的流体动力学模型分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据流、固动力作用面或流、固接触区域的真实地形特征进行表面网格划分；
步骤2：将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下；
步骤3：在以表面网格为基础的局部坐标系下，根据粒子的局部坐标信息，对粒子进行筛分。其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格；
步骤4：基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域有关流体动力学模型的参数；
步骤5：根据所述流体动力学模型和流、固动力作用面或流、固区域目标场模型解算出目标场状态，再通过时间积分进而实现对目标场状态的动态分析。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述流固区域的流体动力学模型的参数包括流深和/或流体底层速度场时，所述流深、所述流体底层速度场的计算过程如下：
任意网格中的流深等于所述网格中粒子局部坐标中的最大z′坐标值，表示为：
hcell(i，j)＝max{z′1，z′2，...，z′N}
式中，cell(i，j)表示表面网格，hcell(i，j)为表面网格cell(i，j)对应的流深，N表示表面网格中对应的粒子总数，z′1，z′2，z′N分别表示表面网格cell(i，j)中第1个、第2个、第N个粒子。
任意网格区域的流体底层速度场由最底层粒子的速度表示，所述最底层粒子为网格中粒子的局部坐标中最小z′坐标值对应的粒子，表示为：
式中，v1botcell(i，j)为表面网格cell(i，j)对应的流体底层速度，z′i为表面网格cell(i，j)中粒子的最小z′坐标值，vix′、viy′分别是粒子的最小z′坐标值z′i对应粒子在局部坐标系下的x、y方向的速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述流固区域的流体动力学模型的动力参数包括在局部坐标系下，流体沿流动方向上的坡度θ时，所述坡度θ的计算公式如下：
θ＝arctan(|tanθx·cosα+tanθy·cosβ|)
满足：
式中，α、β为表面网格的方向向量与x、y方向的夹角，N表示表面网格中对应的粒子总数，i表示表面网格中第i个粒子，vix′、viy′分别为表面网格中第i个粒子在局部坐标系下的x，y方向的速度，|vdiv|为粒子所属表面网格速度的模长。定义函数z＝f(x，y)，表示在绝对坐标系下，所构建的表面网格与水平面的夹角关系，其在x，y方向偏导数分别为在x，y方向的正切值tanθx、tanθy。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中计算出每个表面网格对应的流体动力学模型的动力参数后，再根据每个表面网格对应的参数从而得到流固区域的全局状态；和/或步骤S4中计算出每一时刻每个表面网格对应的流体动力学模型的动力参数，再根据步骤S5进行时间积分得到流固区域的全局动态变化。
6.一种基于权利要求1任一项所述方法的系统，其特征在于：至少包括：网格划分模块、转换模块、筛分模块、以及流体动力学模型构建模块，所述系统还选择性包括目标场分析模块；
所述网格划分模块，用于流、固动力作用面或流、固接触区域的真实地形进行表面网格划分；
所述转换模块，用于将流体粒子的坐标和/或速度由全局坐标系下转换到以表面网格为基础的局部坐标系下；
所述筛分模块，基于粒子在局部坐标系下的局部坐标进行筛分，其中，根据粒子的局部坐标确定粒子所属的表面网格；
所述流体动力学模型构建模块，基于每个表面网络中粒子在局部坐标系下的局部坐标和/或速度等信息，分析确定流固区域流体动力学模型的动力参数；
所述目标场分析模块，用于根据所述流体动力学模型和流、固动力作用面或流、固区域目标场模型解算出目标场状态，再通过时间积分进而实现对目标场状态的动态分析。
7.一种终端，其特征在于：包括：
一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现：权利要求1任一项所述流体动力学模型构建方法的步骤或权利要求2任一项所述流体动力学模型分析方法的步骤。
8.一种可读存储介质，其特征在于：其存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：权利要求1任一项所述流体动力学模型构建方法的步骤或权利要求2任一项所述流体动力学模型分析方法的步骤。
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