专利名称：复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法
技术领域：
本发明属于复杂淹没区域洪水演进可视化仿真领域，涉及复杂淹没区域风暴潮洪水演进的三维数值模拟及基于数值模拟的复杂淹没区域洪水演进三维动态全过程仿真方法。具体讲，涉及基于数值模拟的复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法。
背景技术：
中国海洋灾害损失约占全部自然灾害总损失的10%，而风暴潮灾害又为海洋灾害之首。随着CFD (Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)技术的广泛应用，风暴潮洪水演进数值模拟已成为风暴潮灾害风险评估的重要手段之一。基于复杂淹没区域风暴潮洪水演进数值模拟的洪水演进三维动态全过程仿真，在三维虚拟世界中实现对洪水的仿真体验，便于对复杂淹没区域中洪水演进的现象和规律进行全方位的观察、操作和分析，更好地了解复杂淹没区域洪水演进的全过程，对复杂淹没区域的风暴潮洪水演进到不同地区的时间、水深和流速提供快速、准确和直观的预报。国外关于洪水演进数值模拟的相关技术主要是利用一些以GIS(Ge0graphiCInformation System,地理信息系统)技术为基础开发出的商用软件包进行初步的洪水淹没与演进模拟，相关的软件主要有DAMBRK、MIKE-IU HEC-2等等。这些技术在洪水演进与GIS集成方面做了不少的工作，为洪水演进仿真技术的深层次开发提供了基础，但都不能够动态模拟复杂淹没区域中流域洪水的三维淹没演进过程，因而不能直观、高效和实时动态地提供流域周边经济带和生活区的防洪对策[I]。在国内，董文锋[2]等应用了一维水动力学模型结合0penGL(0pen GraphicsLibrary)和GIS技术研制了清江流域“洪水演进模拟仿真系统”模拟流域洪水的淹没过程；韩敏[3-4]等以给定水位的方式采用VC和OpenGL技术建立了洪水演进模拟系统，实现了洪水演进的可视化；李云[5]等采用平面一維和ニ维水流数学模型结合GIS和VR (VirtualReality，虚拟现实)技术实现了淮河临淮岗大型行蓄洪区洪水演进的可视化；张成才[6]等以GIS技术为基础，基于ニ维浅水方程，采用有限体积法，建立洪水演进数学模型，并将其制成动态链接库，通过编程调用该库实现洪水淹没分析功能，计算出给定水位下的洪水淹没面积和水量，采用面向对象的编程语言C#，结合ArcEngine组件库，开发了黄河东平湖洪水淹没场景三维可视化系统，并成功应用于东平湖蓄滞洪区的洪水计算中；冶运涛[7]等采用网格逼近的方法生成了三维河道地形，与大尺度流域三维场景形成嵌套结构，在与一维水动力学模型集成的基础上，采用动态纹理技术和纹理坐标求解实现了大范围水面动态模拟。综上所述，国内外针对洪水演进数值模拟的研究大多数都集中于ー维或ニ维的水 流数值模拟计算，不能真实反映流场的细节变化，且均未涉及复杂淹没区域地形建模的洪水演进全过程动态仿真，目前基于三维数值模拟的复杂淹没区域风暴潮溃堤洪水演进全过程仿真还未见报道，缺乏对含有复杂地貌的大范围洪水演进的数值模拟。參考文献
[I]袁艳斌，王乘，杜迎泽，等.洪水演进模拟仿真系统研制的技术和目标分析[J].水电能源科学，2001，19 (3) :30-33.[2]董文鋒，袁艳斌，杜迎泽，等.流域三维仿真地形仿真及洪水演进动态模拟[J].水电能源科学，2001，19 (3) :37-39.[3]韩敏，陈明.洪水演进模拟的三维可视化研究[J].计算机应用研究，2005，25(8) :1906-1907.[4]韩敏，孟宇，顾峰峰，等.VR技术在扎龙湿地三维洪水仿真系统中的应用[J].计算机工程与应用，2006，42 (5) =185-188.[5]李云，范子武，吴时强，等.大型行蓄洪区洪水演进数值模拟与三维可视化技术[J].水利学报，2005，36 (10) :1158-1164.[6]张成才，常静，孙喜梅，等.基于GIS的洪水淹没场景三维可视化研究[J].北 京师范大学学报(自然科学版)，2010，46 (3) =329-332.[7]冶运涛，张尚弘，王兴奎.三峡库区洪水演进三维可视化仿真研究[J].系统仿真学报，2009，21 (14) :4379-4382.
发明内容
本发明g在解决克服现有技术的不足，实现复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真，为海堤安全管理、风暴潮灾害的快速科学评估及科学制定抢险救灾实施方案提供理论与技术支持，对提高风暴潮灾害应急处置能力，确保沿海地区防潮安全具有非常重要的理论意义和实践价值。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法，具体包括如下内容(I)复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型；(2)复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制；(3)复杂淹没区域风暴潮洪水演进液相流的动态模拟；(4)复杂淹没区域风暴潮洪水演进动力学解算；(5)复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模；(6)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型是采用耦合VOF法的三维K - ε复杂淹没区域风暴潮洪水演进数学模型在计算域内,VOF法,即Volume of Fluid法,流体体积函数法,对模型中的姆ー相弓丨入ー个变量-相体积分数F，F是空间和时间的函数，即F = F(X，y，Z，t)，在离散网格内，F值是网格内各相流体的体积与能够被流体通过的空间体积的比值，水气界面的追踪可通过求解F的输运方程完成V + H^ +1；^ + w^ = 0F e [O, I]
Vt OX C'VO-其中，F为相体积分数，无因次；t为时间，単位s ;X，y，z为直角坐标系下的坐标分量，单位m ;u, V, W分别为直角坐标系下x,y,z方向的速度分量,单位m/s ;模型的基本微分方程包括连续性方程、动量方程、紊动能k方程和紊动能耗散率ε方程，分别表示如下连续性方程
权利要求
1.一种复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法，其特征是，具体包括如下内容 (1)复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型； (2)复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制； (3)复杂淹没区域风暴潮洪水演进液相流的动态模拟； (4)复杂淹没区域风暴潮洪水演进动力学解算； (5)复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模； (6)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。
2.如权利要求I所述的方法，其特征是，复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型是采用耦合VOF法的三维K - e复杂淹没区域风暴潮洪水演进数学模型 在计算域内，VOF法,即Volume of Fluid法,流体体积函数法,对模型中的每一相引入一个变量-相体积分数F，F是空间和时间的函数，即F = F(x，y，z，t)，在离散网格内，F值是网格内各相流体的体积与能够被流体通过的空间体积的比值，水气界面的追踪可通过求解F的输运方程完成
3.如权利要求I所述的方法，其特征是，复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制基于复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维精细化数值模拟结果，按照划分网格的顶点得到不同时刻的空间坐标为(X，1，z)的数据类型，通过数据结构存储构建水面网格的顶点坐标以及各顶点之间的拓扑关系，构成空间三角网；首先通过将水流空间三角网与三维数字场景中的地形、建筑物等模型间的相交融合来解决遮挡关系与混叠问题，实现水流与三维场景的精准、有效结合，其次将三维数值模拟结果通过标量场的动态可视化方法来模拟包括水位、淹没面积的相关物理量的变化；标量场的动态模拟，是利用颜色的变化来表示物理量随时间的变化过程将物理量的变化范围与所选定颜色的变化范围建立一一对应的函数关系，分别生成不同时刻的水位高程-颜色渐变曲面，通过不同时刻水深图的连续更迭显示，实现复杂淹没区域风暴潮洪水演进过程中水流的包括淹没范围、水位的物理量随时间的变化过程。
4.如权利要求I所述的方法，其特征是，复杂淹没区域风暴潮洪水演进液相流的动态模拟 基于复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维水流精细化数值模拟结果，划分网格的顶点得到不同时刻的空间坐标，为(x，1，z)的数据类型，每相邻的4个点组成一个四边形，再将所有的四边形联接成网，形成反映高低起伏变化的三维交错网格；经过以上处理后，初始显示流场质点，进行质点流速场的绘制表示各质点流速矢量的示踪质可以用球体、线段或箭头表示，选择适当的时间间隔，逐时生成一系列不同时刻流体质点所在的位置及其速度矢量图，就得到了动态的流场；复杂淹没区域风暴潮洪水演进过程中液相流运动模型采用GPGPU即General-Purpose Computing on Graphics Processing Unit,通用计算图形处理单元技术，实现水流示踪质即粒子间的交互。
5.如权利要求I所述的方法，其特征是，复杂淹没区域风暴潮洪水演进动力学解算 根据复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维仿真的具体特点，应用Autodesk公司3ds max软件和以NURBS为理论基础的3D造模软件Rhinoceros制作场景模型，利用程序接口将制作成型的场景模型导入到NextLimit技术公司的Realflow中，设置模型属性模拟真实场景，设置粒子发射器和网格模拟水流，设置包括重力、风力、表面张力、摩擦力的辅助器模拟真实场景中的各种物理力场，进而对选定的动水场景进行动力学解算；将Realflow中最终解算所得到的水流效果即网格或粒子及场景模型参数导回到制作场景模型的3dsmax软件中，并在此基础上进行灯光照明、赋予材质和渲染等后期处理工作，从而顺利地实现逼真的动态水流效果模拟。
6.如权利要求I所述的方法，其特征是，复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模 基于数值模拟结果分析复杂淹没区域风暴潮洪水演进的空间位置，以确定研究区域，进而提取相应的三维模型数据实现复杂淹没区域的三维场景中的地形与建筑物、绿化设施之间的匹配，将数值模拟结果所得到的水情信息，在三维场景中动态的表现出来；基于复杂淹没区域的三维场景中风暴潮洪水演进过程的模拟效果，选取具有典型意义的标志性建筑物，并前往实地捕获大量现场图片以得到详细、全面的信息数据，保证视景仿真的精度与可靠性，进而在现场图片的基础上耦合动态的水流，实现动静、虚实的结合，逼真的模拟复杂淹没区域风暴潮的洪水演进过程； 复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模过程中，基于复杂淹没区域的三维模型场景采用纹理变换的方法，即通过动态改变水流的纹理信息模拟水流的运动，实现动态水流的三维可视化，模拟出水流沿地势高低向前演进的过程，反映水位的起伏变化。
7.如权利要求I所述的方法，其特征是，三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出 计算机动画是指用程序或工具生成一系列的静态画面，然后通过画面的连续播放来反映对象的连续变化过程，动画中的运动不仅指物体的运动，还包括视点的移动、光照的变换、纹理和色彩的变化； 在制作动画之前，先根据要求制作脚本，要考虑好动画的主要内容是什么，如何布置重要的场景，动作如何描述，设置音响效果；进而对动画场景赋予适当的材质和贴图，使场景具有真实感，必要时还可以通过材质参数的关键帧设置实现动画效果；调整好材质和贴图后，设置场景光源类型、强度、色彩及其相应的位置和角度，以烘托良好的环境氛围；然后根据精度要求，设置好需要的分辨率，渲染出图片和动画文件；在制作过程中，考虑到渲染时间较长，故应该将整个动画分为几块来进行渲染。
全文摘要
本发明属于洪水演进可视化仿真领域。为实现风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真，实现海堤安全管理、风暴潮灾害的快速科学评估及科学制定抢险救灾实施方案，本发明采取的技术方案是，复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真方法，包括如下步骤(1)复杂淹没区域风暴潮洪水演进三维数学模型；(2)复杂淹没区域风暴潮洪水淹没水深图的绘制；(3)复杂淹没区域风暴潮洪水演进液相流的动态模拟；(4)复杂淹没区域风暴潮洪水演进动力学解算；(5)复杂淹没区域风暴潮洪水演进虚实耦合建模；(6)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。本发明主要应用于风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真。
文档编号G06T19/00GK102663827SQ20121005310
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者佟大威, 刘东海, 王晓玲 申请人:天津大学