[发明专利]基于格子Boltzmann的流体可视化仿真方法

摘要

本发明涉及流体实时模拟仿真技术领域，具体涉及一种基于格子Boltzmann的流体可视化仿真方法，对流体速度进行归一化处理，依据特征值划分区间，对不同区间内的数据施加不同的权，用三种颜色强度及其混合值分别表示不同流速的流体，与传统的加权绘制方法相比，本发明减少了计算量，提高了仿真的实时性，同时保证了仿真的精度和稳定性，实现了清晰准确的流体仿真动画，且绘制结果显示可清晰、准确的表现流体的动力学特性。

主权项

1.一种基于格子Boltzmann的流体可视化仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据格子Boltzmann方法构建流体力学模型，选择格子Boltzmann方程初始化分布函数，所述格子Boltzmann方程初始化分布函数为：fα(r+eαδt,t+δt)-fα(r,t)=-1τ[fα(r,t)-fαeq(r,t)]]]>其中τ定义为τ=vcs2·δt+12]]>式中格子声速c_s取δ_t为时间步长，为平衡态分布函数，r为空间位置矢量，t为时间；ν为运动粘度系数，其与流场尺寸和流体速度成正比，与雷诺系数Re成反比，即：v=ReL·U;]]>式中：Ｌ为方腔的高度，Ｕ为顶盖流驱动速度；步骤2：设置初始值，即：流体初始速度、雷诺系数、流体密度和流场尺寸，对流场进行网格划分；步骤3：设定区间[0.0,1.0]作为值域A，选取0.25、0.5、0.75作为特征值将值域A划分为[0.0,0.25]、[0.25,0.5]、[0.5,0.75]和[0.75,1.0]四个区间；步骤4：用步骤3中得到的四个区间分别表示蓝色、绿色、红色和黄色的强度值，即：区间[0.0,0.25]表示蓝色值强度，其定义为区间B；区间[0.25,0.5]表示绿色值强度，其定义为区间G；区间[0.5,0.75]表示红色值强度，其定义为区间R；区间[0.75,1.0]表示黄色值强度，其定义为区间RG；步骤5：步骤1中的格子Boltzmann方程初始化分布函数向前演进一个时间步长，图像处理单元接收流场内的节点数据，即读取速度信息，所述速度信息包含x方向的速度分量和y方向的速度分量；步骤6：将步骤5中所读取的速度信息转化为无量纲数值信息，并进行归一化处理，所述归一化处理所采用的公式为：ux=1ρΣαfα|eα|]]>uy=1ρΣαfα|eα|]]>m=(ux2+uy2-umin)umax-umin]]>其中u_x和u_y代表速度在坐标轴x、y方向上的分量；ρ代表流体宏观密度；f_α代表局部平衡态分布函数；α代表离散速度方向；e_α代表各个方向上的离散速度；u_max为流场内流体速率的最大值；u_min为流场内流体速率的最小值；m表示归一化处理后的数据值；步骤7：将步骤6中归一化处理所得到的数据值m与步骤4中得到的四个区间作比较，如果m∈B，设定权系数w_B∈[0.0,4.0]，w_G=w_R=0；如果m∈G，设定权系数w_B∈[0,2.0]，w_G∈[0.0,2.0]，w_R=0；如果m∈R，设定权系数w_B=0，w_G∈[0,4/3]，w_R∈[0,4/3]；如果m∈RG，设定权系数w_B=0，w_G∈[0,1.0]，w_R=1.0；步骤8：基于OpenGL中的RGB颜色显示模式确定R、G、B的强度值：glColor3f(floatr,floatg,floatb)其中，r=m×w_R，g=m×w_G，b=m×w_B，利用此颜色配比方案，绘制边长为0.5个像素的正方形，表示当前格点处流体速度值：glBegin(GL_POLYGON);glVertex2f(i-0.5,j-0.5);glVertex2f(i-0.5,j+0.5);glVertex2f(i+0.5,j+0.5);glVertex2f(i+0.5,j-0.5);glEnd();其中i、j表示当前格点的坐标；步骤9：遍历整个流场，绘制出整个流场内节点的颜色信息；步骤10：重复步骤5至步骤9，直到达到收敛条件，停止图像绘制此时图像即为流场稳定后的成像效果。