基于SPH的泥石流沿程侵蚀三维场景模拟研究

摘要

泥石流是最为常见的地质灾害之一，给人类社会造成了严重的后果。对于泥石流运动的研究，目前已有的数值计算模型能实现模拟泥石流灾害的过程，这将对泥石流的防治提供参考意见。然而由于泥石流成分复杂以及不规则复杂地形对泥石流运动的影响，模型模拟的准确性很难保证。因此对于泥石流运动的研究的热度一直不减。 本文主要以基于物理的流体动画建模方法来进行对泥石流运动场景的模拟，针对前述因素对泥石流运动的影响，结合平滑粒子流体动力学方法，提出一种基于粒子的固液两相泥石流侵蚀模型，实现泥石流运动场景的模拟。本文的主要工作和成果如下: 1)泥石流运动模型的改进。引入泥石流运动中侵蚀现象的模拟，改进泥石流运动中固体沉积物的运动计算方法，对代表固体沉积物的粒子运动进行一定的约束，最终以基于物理的流体模拟方法实现泥石流沿程侵蚀运动场景。 2)泥石流场景中的实时交互计算。根据泥石流运动中与山体的作用分析，改进粒子与地形表面的实时交互算法。针对不同的障碍物，采用不同的方法来处理粒子与障碍物的交互，体现泥石流运动模型的真实性和合理性。 3)泥石流运动三维可视化的实现。在研究与分析了泥石流成分中固体沉积物与流体之间的交互与影响后，利用Marching cube算法来描述泥石流流体表面动态实时重构以及利用不同体积的刚体模型的实时运动来描述固体沉积物的运动的方式，实现泥石流在三维GIS中的动态模拟。 实验表明固液两相泥石流侵蚀模型在三维GIS平台下模拟结果符合预期，不规则复杂地形对泥石流运动的效应也在平台下体现，加强了整个模拟效果的现实感。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基于物理的流体模拟方法

1．2．2 泥石流侵蚀现象的研究

1．3 本文的研究目标和内容

1．4 论文的组织结构

第2章 泥石流侵蚀现象的模拟数值理论

2．1 流体模拟建模理论

2．1．1 基于网格的方法

2．1．2 无网格方法

2．1．3 平滑粒子流体动力学

2．2 三维流体模型重建的方法

2．2．1 轮廓跟踪算法

2．2．2 Cuberille法

2．2．3 移动立方体法(MC)

2．2．4 移动四面体法(MT)

2．3 本章小节

第3章 基于SPH的泥石流沿程侵蚀建模

3．1 基于SPH的泥石流建模

3．1．1 流体粒子密度的计算

3．1．2 流体粒子压力的计算

3．1．3 流体粒子粘力的计算

3．1．4 固体沉积物运动

3．1．5 泥石流的固体沉积物与液态泥流之间的作用力计算

3．1．6 泥石流的侵蚀现象的计算

3．2 泥石流表面网格重构

3．3 本章小结

第4章 泥石流运动场景中的实时交互

4．1 粒子与地形边界的交互

4．2 粒子与场景中障碍物的交互

4．3 整体算法实现的流程

4．4 本章小结

第5章 泥石流运动动画模拟

5．1 泥石流场景实验平台以及场景建模

5．2 泥石流场景动态模拟实现

5．2．1 泥石流场景动态模拟

5．2．2 具有侵蚀现象的泥石流场景动态模拟

5．2．3 具有侵蚀现象的泥石流复杂场景动态模拟

5．3 本章小节

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果