[发明专利]基于离散元方法的物理泥流冲淤距离模拟方法

说明书

本发明涉及物理泥流技术领域，涉及一种基于离散元方法的物理泥流冲淤距离模拟方法，一、确立碰撞检测方法；二、构建离散元粘合模型；三、计算速度、位置，渲染泥流颗粒；四、在GPU端完成泥流颗粒的力学计算；五、将GPU端计算结果传递到CPU处理器端，更新CPU处理器端；六、将泥流颗粒状态数据传回给GPU端，进入下一时间步，计算下一时间步泥流颗粒的速度、位置，渲染泥流颗粒，计算泥流颗粒的运动轨迹；七、数值模拟，确定各组模拟的泥流颗粒数量；八、确定物理泥流离散元粘合模型各数值模拟参数；九、通过泥流颗粒运动来模拟和分析物理泥流的冲淤距离。本发明可支持上千万个离散元粒子，精度和效率较高。

技术领域

本发明涉及物理泥流技术领域，具体地说，涉及一种基于离散元方法的物理泥流冲淤距离模拟方法。

背景技术

泥流是由具有高度塑性的材料（淤泥和/或粘土）组成的粘性高浓度泥沙流。海底泥流和泥流是由重力驱动的细粒流，其水和固体的体积比例大致相等。泥流是一种特殊类型的泥石流。在山区，泥流通常由降雨、融雪和/或火山喷发的异常组合触发。泥流摧毁了村庄、农田、学校、工厂、道路和财产，并造成重大生命损失。 泥流冲淤距离的估算在土地利用、城镇规划和道路路线设计、冲积扇潜在危险区域的划定和缓解结构的选址中起着重要作用。冲淤距离的估算已成为泥流灾害高发区减灾最重要的非工程方法之一。 实验室水槽试验和数值模拟是预测物理泥流冲淤距离的两种主要方法。数值模拟方法具有低成本、高效率和可重复性，可用于预测物理泥流和物理泥流的冲淤距离。然而，由于物理泥流的复杂流变行为，很难调整相关冲淤参数（如冲淤距离）和数值模型参数之间的映射关系，控制物理泥流冲淤距离预测中的模拟误差。相反，实验室水槽试验再现了理想的条件和结果。实验室水槽试验已被用作估算物理泥流冲淤距离和确定相关冲淤特征的基本方法。通过使用实验室水槽试验，可以通过在已知和一致的实验条件下一次控制和改变一个因素，研究每个相关参数的影响。利用大型物理泥流水槽可以预测任意大型物理泥流的冲淤距离。然而，这样的实验产生劳动力成本、材料成本和时间成本都非常高；因此，利用实验室水槽试验预测大规模物理泥流的冲淤距离涉及的问题很多。

泥流发生会输送大量堆积物，在一次泥流事件中，通常持续几个小时或更短时间，巨大的泥沙量（例如103 km³）可输送数百公里。因此，有必要在大尺度地形上模拟泥流事件。但是，由于泥流堆积范围广，如果仅用有限的模拟单元（如颗粒数或网格数）来完成泥流模拟，其精度将大大降低，而这一大范围泥流堆积体的影响范围很难用非常有限的模拟单元来有效表达。由于模型试验可以为泥流模拟提供重要的模拟参数，因此可以作为泥流事件模拟的重要补充。为了将模拟结果与不同时间质量运动的实验图像进行比较，可以使用离散元方法模拟碎片雪崩的质量运动过程，并通过实验室水槽试验进行验证。由于目前的非GPU并行计算方法在泥流灾害事件模拟中仍被广泛应用，模拟单元（离散元粒子）的数量往往不足1万个，离散单元法需要使用非常多的单元和非常小的时间步长来确保数值稳定性，如此少的模拟单元必然会影响模拟的精度。在充分发挥仿真系统性能的前提下，可以通过使用更多的粒子来提高仿真精度。因此，支持大规模粒子系统的泥流模拟仍然是一个关键问题，而大规模粒子系统的模拟单元一般是传统方法的几十倍。目前，需要一种模拟单元数较多、模拟精度较高的物理泥流预测模型。

发明内容

本发明的内容是提供一种基于离散元方法的物理泥流冲淤距离模拟方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种基于离散元方法的物理泥流冲淤距离模拟方法，其包括以下步骤：

一、确立泥流颗粒间及泥流颗粒与边界的碰撞检测方法；

二、构建离散元粘合模型，通过模型计算离散颗粒及边界的作用力；

三、通过作用力计算泥流颗粒的速度、位置，渲染泥流颗粒；

四、通过分配每个泥流颗粒一个线程，在GPU端完成泥流颗粒的力学计算；