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航海模拟中船舶溢油应急仿真及可视化

【摘要】:近年,海上溢油事故频发,海上溢油威胁严峻。提升海上溢油应急处置能力,加强海上溢油应急处置人员溢油应急培训已成为一个需要迫切解决的问题。采用模拟器进行海上应急模拟培训已经被证明是一个可行的方法。但就目前而言,模拟器中溢油模型普遍缺乏行为真实感,同时交互也不够灵活。为此,提出采用基于物理的流体模拟方法进行海上溢油交互模拟,进一步提升海上溢油模拟中行为真实感。同时采用GPU进行关键问题并行加速求解,实现基于物理的实时海上溢油交互模拟。研究工作主要可以概括为以下几点:1.提出基于NBFLIP(Narrow Band Fluid Implicit Particle)方法的流体与移动障碍交互方法,解决了以往NBFLIP方法不能处理移动障碍交互问题。基于物理的流体模拟以NS(Navier-Stokes)方程组为基础,结合偏微分方程基本理论,通过有限差分方法对NS方程组进行离散求解,这是基于物理的流体模拟主要思想。流体与障碍交互可以获得非常丰富的流体运动效果,因此流体模拟往往是与障碍交互相结合。但由于传统NBFLIP方法无法处理移动障碍交互,因而也就无法处理溢油与移动围油栏交互模拟。提出基于带符号距离函数(Signed Distance Function,SDF)的复杂障碍离散方法,并推导了移动障碍条件满足的边界条件,实现基于NBFLIP方法的移动复杂障碍交互模拟,进一步扩展了 NBFLIP方法的应用范围。2.提出NBFLIP-VOF(VolumeofFluid)多相流模拟方法,解决了传统NBFLIP方法不适用于多相流模拟问题。海上溢油运动涉及多种流体之间相互作用。为进一步提升海上溢油模拟行为真实感,提出NBFLIP-VOF方法进行海上溢油模拟。在NBFLIP流体模拟框架下,结合VOF多相流模型对海上溢油进行模拟。由于以往的一阶精度数值格式存在较强的耗散,导致VOF模型方程求解容易发散。结合二阶精度的总变差不增(Total Variation Diminishing,TVD)数值格式进行VOF方程的数值求解,通过引入Super-Bee通量限制器实现海上溢油的数值模拟。最后,进行了剪切流场中体积分数对流验证、基于VOF模型的围油栏围油实验验证、多相流Rayleigh-Taylor不稳定基准实验验证等,证明本方法的可靠性。3.提出并实现了一种基于物理的实时海上溢油交互模拟方法,对海上溢油模拟中关键耗时问题进行GPU并行加速,解决了实时系统中海上溢油交互模拟计算效率问题。包括基于SDF方法的复杂障碍并行离散交互方法、基于纹理投影方法的海面溢油并行可视化方法。通过对这些高耗时问题进行并行加速,为海上溢油实时模拟及交互系统奠定基础。结合基于GPU加速的NS方程并行求解,实现了基于物理的海上溢油实时模拟及交互。提出基于物理的实时海上溢油模拟及交互方法,结合基于NS方程的流体模拟以及多相流理论进行海上溢油模拟,分析推导了基于NBFLIP方法的移动障碍边界条件、提出了基于NBFLIP方法的多相流模拟方法,通过GPU并行加速大大提升了流体模拟计算效率,最后通过搭建的原型系统验证了本方法的可靠性。

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