[发明专利]水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法

摘要

本发明公开了一种水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法。其步骤为：1)对场景中的模型进行体素化产生固体粒子；2)在存在液体的区域添加液体粒子；3)对每一时间帧，利用SPH对流体的力学特性进行数值模拟；4)对每一时间帧，利用瞬态热传导方程对流体的热力学特性进行数值模拟及红外特征图形绘制。本发明解决了流动介质中计算热力学特性的需求。本方法能够真实模拟水场景中的力学特征和红外特征，并在实验室环境下成功模拟了近年新发现的红外现象：船只在航行过程产生的红外尾迹。

主权项

1.一种水场景目标红外尾迹特性的流体模拟方法，其特征在于包括以下步骤：1)对场景中的模型进行体素化产生固体粒子；2)在存在液体的区域添加液体粒子；3)对每一时间帧，利用SPH对流体的力学特性进行数值模拟；所述步骤3)为：(3.1)对于每一个液体粒子Li，根据SPH方程定义，利用所有光滑核半径内的液体粒子Lj或固体粒子Sj计算液体的密度ρi：ρi＝ρ(ri)＝315m/(64πh9)∑j(h2‑|ri‑rj|2)2其中ri是Li在空间中的位置，m是Li的质量，h为光滑核半径，rj为粒子Lj或Sj的空间位置；(3.2)对于每一个粒子Li，根据理想气体状态方程计算液体的压强：piM＝ρiRTi其中ρi，Ti，pi分别为Li的密度、温度、压强，M为平均摩尔质量，R为理想气体常数；(3.3)根据SPH公式，利用所有光滑核半径内的粒子Lj或Sj计算每一个粒子Li的加速度ai：ai＝a(ri)＝g+m*45/(πh6)∑j((pi+pj)/(2ρiρj)*(h‑r)2*(ri‑rj)/r)+mμ*45/(πh6)∑j(uj‑ui)/(ρiρj)*(h‑r)其中，r＝|ri‑rj|，ρj是粒子Lj或Sj的密度，uj为粒子Lj或Sj的速度，ai，ui分别为粒子Li的加速度和速度；(3.4)利用加速度与速度，根据牛顿第二定律计算模拟每个粒子Li或Si的运动轨迹，重复步骤(3.1)～(3.4)即可计算得到每一时刻每个粒子的力学特性；4)对每一时间帧，利用瞬态热传导方程对流体的热力学特性进行数值模拟及红外特征图形绘制；所述步骤4)为：(4.1)对于每个粒子Li，根据笛卡尔坐标系下的热传导方程，利用狄利克雷边界条件计算以下方程得到温度变化：其中W为光滑粒子核函数W(x)，Wij＝W(|ri‑rj|)，q，T为积分点的热流密度与温度；(4.2)根据计算得到的温度场T的分布，利用Planck公式计算以下方程得到其红外辐射量E：其中ε0为材料的表面发射率；C1为第一辐射常数，其值为3.742×10‑16W·m2；C2为第二辐射常数，其值为1.4388×10‑2m·K，λ1和λ2为红外探测仪的探测波段的两段波长；(4.3)若场景中最高和最低辐射温度分别为Tmax和Tmin，由上式算得的相应的辐射强度分别为Emax和Emin，则对于辐射强度为Ei的表面，其对应的计算灰度值为：利用计算机图形学中的颜色均衡方法，绘制得到红外特征图形效果。