水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及流体模拟的数值计算领域与热力学的数值计算领域。具体设及一种水 场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着红外热像仪成像分辨率的提高，在遥感及航空拍摄中，发现了船只航 行时的红外新特征:船只在水场景中航行时会留下红外尾迹。然而现有的热力学计算方法 普遍针对于静态物质进行数值模拟计算，并不能很好的模拟运一特征;而流体模拟的数值 计算领域的方法也主要针对于计算模拟流体的力学特征，无法模拟热力学的热传导特征。 因此，难W模拟计算并绘制出该红外特征现象。
[0003] 下面介绍已有的流体模拟的数值计算方法与热力学的数值计算方法：
[0004] 1)热力学的数值计算方法
[0005] 目前在国内外的瞬态热传导问题的数值方法，主要基于网格的有限元法、有限差 分法和有限体积法。近年来也提出了基于粒子的无网格方法。然而研究过程中，都没有考虑 液体运动对其造成的影响，因此也无法模拟水体目标运动造成的红外现象。
[0006] 2)流体模拟的数值计算方法
[0007] 运类方法主要可W细分成为Ξ类:欧拉法、拉格朗日法和混合法。欧拉法是一种基 于网格的方法，它使用2D或者3D的网格，从流体空间中的各个固定点着手，分析每个固定点 上的流体速度、压强、密度等参数随时间和空间的变化。拉格朗日法是一种基于粒子的方 法，用一系列遵循物理规则的粒子来表示流体，把单个流体粒子作为研究对象，研究其运动 要素(位置、速度等）的变化过程，并通过综合各个流体粒子的运动来获得一定空间内所有 流体质点的运动规律。欧拉法与拉格朗日法混合的主要思想是对Ξ维水体用欧拉网格法表 示，再用拉格朗日法进行小尺度的泡沫和浪花等效果的模拟。运些方法能够很好的模拟水 体的力学性质，并实现良好的可见光水体模拟效果，但无法得到热力学性质，因此无法模拟 红外特征现象。
【发明内容】
[000引本发明的目的在模拟水场景目标在水中的力学特征和红外特征，解决现有流体方 法无法模拟红外特征和现有热力学方法无法模拟水体流动特征的问题，提供一种水场景中 目标红外尾迹特性的流体模拟方法。
[0009] -种水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法包括W下步骤：
[0010] 1)对场景中的模型进行体素化产生固体粒子；
[0011] 2)在存在液体的区域添加液体粒子；
[0012] 3)对每一时间帖，利用SP取中流体的力学特性进行数值模拟；
[0013] 4)对每一时间帖，利用瞬态热传导方程对流体的热力学特性进行数值模拟及红外 特征图形绘制。
[0014] 所述步骤1)为：
[00巧](2.1)根据模型顶点位置数据计算模型的AA邸包围盒Cb;
[0016] (2.2)将Cb平均划分为料Υ*Ζ个子正方体Ci, j, k
[0017] 其中，Χ、Υ、Ζ为空间在巧ζΞ个方向上的分辨率，ie[0，X)，je[0，Y)，ke[0，Z);
[0018] (2.3)对每个Cl,与模型进行求交，若相交则该区域存在固体体素，否则该区域固 化体素为空，每个求交计算所得的固体体素标记为Si ;
[0019] (2.4)根据模型的运动状态，设定Si每一时刻的速度值。
[0020] 所述步骤2)为：
[0021] (3.1)设定待模拟的水场景液体表面曲面方程为F(p)，其中pe(R，R，R)，R为有理 数集合，F (P) <0表示点P在液体内部，F (P) = 0表示点P在液体边界，F (P)〉0表示点P在液体外 部，
[0022] (3.2)将空间平均划分为乂'巧'*2'个子正方体(：\^,1^
[0023] 其中，X'、Υ'、Z'为空间在xyzS个方向上的液体分辨率，i e [0，X')，je [0，Υ')，k E[Ο,Ζ );
[0024] (3.3)对每个(：'1,川，计算。(1^，1〇，若小于等于0则该区域存在液体粒子，若大于0 则该区域不存在液体粒子，每个液体粒子标记为以；
[0025] (3.4)根据水场景的运动特性与水体溫度分布初始化以的力学参数与热力学参 数：
[0026] (a)根据初始化条件，初始化每个以的速度；
[0027] (b)根据溫度初始化方程T化）=T〇-ta*h，初始化每个k的初始溫度；
[002引其中，}1为以的水深，To为液体表面溫度，ta为溫度随深度的变化参数。
[00巧]所述步骤3)为：
[0030] (4.1)对于每一个粒子以，根据SPH方程定义，利用所有光滑核半径内的粒子^或& 计算液体的密度Pi:
[003。化= p(ri) = 315m/(64地9) 化2-|r广rj|2)2
[0032] 其中^是以在空间中的位置，111是以的质量，h为光滑核半径，η为粒子^或&的空间 位置；
[0033] (4.2)对于每一个粒子以，根据理想气体状态方程计算液体的压强：
[0034] piM=化 RTi
[00对其中Ρι，Τι，ρ汾别为k的密度、溫度、压强，Μ为平均摩尔质量，R为理想气体常数；
[0036] (4.3)根据SK1公式，利用所有光滑核半径内的粒子心或&计算每一个粒子以的加 速度ai:
[0037] ai = a(ri) = g+m*45/(地6) Σ j((pi+pj)/(2f>iPj)*化-r)2*(r广rj)/r) +ηιμ [003引 *45/(地6) Σ j(u广Ui)/(化Pj)*化-r)
[0039] 其中，r= |ri-rj|，Pj是粒子レ或Sj的密度，aj为粒子レ或Sj的加速度，Uj为粒子心或 Sj的速度，ai，Ui分别为粒子k的加速度和速度；
[0040] (4.4)利用加速度与速度，根据牛顿第二定律计算模拟每个粒子以或51的运动轨 迹，重复步骤(4.1)~(4.4)即可计算得到每一时刻每个粒子的力学特性。
[0041] 所述步骤4)为：
[0042] (5.1)对于每个粒子以，根据笛卡尔坐标系下的热传导方程，利用狄利克雷边界条 件计算W下方程得到溫度变化：
[0045] 其中W为光滑粒子核函数W(x)，Wu=W( |ri-rj I )，q，T为积分点的热流密度与溫度；
[0046] (5.2)根据计算得到的溫度场T的分布，利用Planck公式计算W下方程得到其红外 福射量E:
[0047]
[004引其中e0为材料的表面发射率;Cl为第一福射常数，其值为3.742 X l0-i6W · m2; C2为 第二福射常数，其值为1.4388 X l(T2m · K。、和λ2为红外探测仪的探测波段的两段波长； [0049] (5.3)若场景中最高和最低福射溫度分别为Tmax和Tmin，由上式算得的相应的福射 强度分别为Emax和Emin，则对于福射强度为El的表面，其对应的计算灰度值为：
[(K)加]
[0051] 利用计算机图形学中的颜色均衡方法，绘制得到红外特征图形效果。
[0052] 本发明的有点在于：
[0053] 传统的流体模拟方法，其基于流体力学分析，从而求得了流体的力学性质，但无法 模拟热力学性质产生的红外现象;传统的热力学模拟方法，基于热传导方程，可计算物质的 瞬态热力学性质，从而模拟红外现象，但无法模拟流体的运动现象。
[0054] 本发明的方法提出了水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法。通过体素化将场 景划分为粒子，利用SPH估值近似求解偏微分方程，同时求解流体的力学性质与热力学性 质。运样我们就产生了可W同时具有力学特征和红外特征的水场景。
[0055] 本方法提出了一种使用体素化统一划分场景的方法，来使得水场景中的液体和固 体能够使用统一的方程进行物理计算，避免了复杂的边界条件计算。
[0056] 本方法提出了一种使用SK1方法同时计算流体的力学性质与热力学性质的方法。 同时模拟的液体的力学性质与热力学性质，能同时模拟水场景的红外特征。
[0057] 总之，本发明给出了一种水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法，该方法对比 目前方法，能够同时计算水场景的力学性质与热力学性质，可W模拟绘制出其尾迹的红外 图形特征效果。
【附图说明】
[0058] 图1为船只在海面航行时的液体分布图；
[0059] 图2为船只在海面航行时的红外特征俯视图形。
【具体实施方式】
[0060] 水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法包括W下步骤：
[0061] 1)对场景中的模型进行体素化产生固体粒子；
[0062] 2)在存在液体的区域添加液体粒子；
[0063] 3)对每一时间帖，利用SP取中流体的力学特性进行数值模拟；
[0064] 4)对每一时间帖，利用瞬态热传导方程对流体的热力学特性进行数值模拟及红外 特征图形绘制；
[00化]所述步骤1)为：
[0066] (1.1)根据模型顶点位置数据计算模型的AABB包围盒Cb;
[0067] (1.2)将Cb平均划分为料Υ*Ζ个子正方体Ci,j,k
[006引其中，Χ、Υ、Ζ为空间在巧ζΞ个方向上的分辨率，ie[0，X)，je[0，Y)，ke[0，Z);
[0069] (1.3)对每个Cij,k求与模型进行求交，若相交则该区域存在固体体素，否则该区域 固体体素为空，每个计算所得的固体体素标记为Si。
[0070] (1.4)根据模型的运动状态，设定S