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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。计算结果更为准确。计算结果更为准确。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]一方面，本专利技术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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。
[0011]二方面，本专利技术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：
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]在本专利技术的构思下，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。
[0018]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：
[0019]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：
[0020]h
cell(i,j)
＝max{z
′1,z
′2,
…
,z
′
N
}
[0021]式中，cell(i,j)表示表面网格，h
cell(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。
[0022]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：
[0023][0024]式中，v
1botcell(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，v
ix'
、v
iy'
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。
[0025]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：
[0026]θ＝arctan(|tanθ
x
·
cosα+tanθ
y
·
cosβ|)
[0027]满足：
[0028][0029][0030]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，v
ix'
、v
iy'
分别为表面网格中第i个粒子在局部坐标系下的x,y方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：h
cell(i，j)
＝max{z
′1，z
′2，...，z
′
N
}式中，cell(i，j)表示表面网格，h
cell(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，v
1botcell(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，v
ix
′
、v
iy
′
分别是粒子的最小z
′
坐标值z
′

【专利技术属性】
技术研发人员：韩征，杨帆，李艳鸽，粟滨，谢文都，王卫东，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：