海洋环境要素运动分析与可视化方法研究

摘要

海洋拥有巨大的政治、经济和军事价值，历来为各国所重视。随着我国海洋利益的不断拓展，如何有效保护海洋权益，是当前重大而急迫的问题。然而，由于海洋的极端复杂性，给人们认识、理解与利用海洋带来了极大挑战。海洋环境要素作为海洋环境的重要组成部分，其运动深刻影响着海上作业、航行保障、海洋预警等多项任务。如何理解海洋环境要素的运动规律，以及如何有效观察海洋的运动特性，已成为研究与认识海洋的瓶颈问题。因此研究海洋环境要素的运动与可视化方法具有重要的现实意义。
　　本文从海洋环境要素运动规律的分析计算、运动特性的观察显示两个方面展开研究，分别提出了海洋环境要素运动分析与快速计算、流固耦合计算、基于视觉舒适度的立体显示等方法，构建了可视化实验系统。论文的主要工作如下：
　　（1）针对海洋环境要素自身运动分析与计算中，经典SPH方法速度较慢、效率较低的问题，提出了一种基于右邻域胞元粒子搜索的海洋环境要素运动分析与快速计算方法。首先基于经典方法选取了控制方程的核函数，然后基于右邻域胞元实现了粒子的快速搜索，最后对数值处理过程的人工压缩率、边界处理、时间积分等关键问题进行了优化。实验表明，在粒子数较大时，该方法显著提高了SPH的计算效率。
　　（2）针对海洋环境要素与其中物体的相互作用中，流体与固体的耦合计算问题，提出了一种基于RNC的海洋环境要素流固耦合计算方法。首先分析了流固耦合问题的经典研究方法，然后对RNC方法的初始设置、流体与固体的受力分析、碰撞检测、迭代流程等进行了计算与分析。最后设计了溃坝模拟和流体与木块耦合运动的模拟实验，结果表明，该方法能够有效实现流固耦合问题计算。
　　（3）针对复杂海洋环境要素的可视化问题中，大规模粒子运动观察的直观性与显示效果较差问题，提出了一种基于视觉舒适度的海洋环境要素立体显示方法，首先建立了立体显示的投影模型，然后基于深度匹配实现了视觉舒适度计算，在此基础上，建立了与大规模粒子运动观察相适应的立体观察模型。实验结果表明，该方法可以有效计算最佳的立体观察位置，粒子观察效果清晰、有效。
　　（4）设计并实现了面向海洋环境要素运动分析的可视化实验系统，从系统的对象建模、体系结构、功能框架、运行流程等进行了设计，实现了系统主界面、以及数值分析与可视化子系统。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究思路与主要工作

1.4 本文的章节安排

第二章 基于右邻域胞元粒子搜索的海洋环境要素运动分析与快速计算方法

2.1 引 言

2.2 海洋环境要素分析与计算方法

2.3 控制方程的核函数选择

2.4 RNC粒子快速搜索

2.5 处理优化

2.6 方法总结

2.7 实验结果及分析

2.8 本章小结

第三章 基于RNC的海洋环境要素流固耦合计算方法

3.1 引 言

3.2 流固耦合问题研究方法

3.3 基于RNC的流固耦合运动分析与计算

3.4 方法总结

3.5 实验结果及分析

3.6 本章小结

第四章 基于视觉舒适度的海洋环境要素立体显示方法

4.1 引 言

4.2 立体显示的投影模型

4.3 视觉舒适度计算

4.4 面向大规模粒子运动的立体观察模型

4.5 偏振式立体显示

4.6 方法总结

4.7 实验结果及分析

4.6 本章小结

第五章 面向海洋环境要素运动的可视化系统设计与实现

5.1 引言

5.2 可视化基本步骤

5.3 系统需求分析

5.4 面向海洋环境要素运动的可视化系统设计

5.5 面向海洋环境要素运动的可视化系统实现

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 创新性工作总结

6.2 进一步研究的方向

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研工作