多尺度泥石流灾害场景的物质点法模拟技术研究

The unpredictability and strong destructive power of debris flow hazards make it difficult to obtain the real image and video data for the practical application. Physically based simulation provides a valid way to recreate a variety of complex phenomena in the real world. However, its multi-scale features lead to the difficulties of realistic simulation. Based on the related continuum mechanics theory, this project will create the valid physical models for multi-scale feature of the debris flow, establish the consistency constraint of different models, and then realize multi-scale numerical calculations based on the material point method. The main research contents include: (1)The adaptive material point method of modeling the multi-scale features for the liquid slurry of debris flow; (2)The adaptive finite element material point method of modeling the multi-scale features for solid objects of debris flow; (3)The material point method of modeling the multi-scale features for the liquid-solid coupling of debris flow. This research can create realistic animations of multi-scale features of the debris flow, and provide important theoretical significance and application value for disaster prevention and alleviation, special effects, digital entertainment, and science education.

泥石流灾害的不可预知性和强大破坏力使人们难以获取其真实影像来满足实际需求。基于物理的模拟技术提供了再现真实世界中多种复杂现象的有效途径，然而泥石流场景的复杂多尺度特征造成了其真实感模拟的困难。本项目拟基于连续介质力学相关理论，构造泥石流场景多种尺度特征的有效物理模型，建立不同模型之间的一致性约束，实现物质点法的多尺度数值求解。主要研究内容包括：(1)泥石流液相浆体多尺度特征的自适应物质点模拟方法；(2)泥石流固相物体多尺度特征的自适应物质点有限元模拟方法；(3)泥石流多尺度液固耦合的物质点模拟方法。本项目研究可实现具有多种尺度特征的泥石流灾害场景的真实感模拟，对防灾救灾、影视特技、数字娱乐以及科普教育等领域都具有重要的理论意义和应用价值。

泥石流灾害的不可预知性和强大破坏力使人们难以获取其真实影像数据，然而现实生活中许多领域都对泥石流灾害的真实感图像和动画具有迫切需求。计算机图形学中近年来发展的基于物理的模拟技术提供了真实感模拟多种自然现象的有效手段，但对于复杂泥石流灾害场景的真实感模拟却极少有人涉及。造成泥石流灾害场景真实感模拟困难的最主要原因在于难以实现其多尺度特征的统一物理建模。本项目研究旨在构造泥石流场景多种尺度特征的有效物理模型并建立一致性约束，并研究物质点法的多尺度数值求解，从而实现泥石流场景的多尺度真实感模拟。课题组主要研究成果包括：(1)提出了一种真实感固流交互动画的统一物质点法模拟方法，该方法基于物质点法实现了快速微可压缩流体模拟，能够检测固流接触区域并在其上构建局部多重背景网格，进而给出一种动量守恒保持的速度修正方法，实现了固流交互的非穿透和滑移接触模拟。(2)为了逼真和高效地模拟泥石流中固体物质的运动，提出了一种多精度混合弹性变形模型来高效地模拟固体的弹性变形，并基于该模型实现了真实感虚拟切割和固流交互模拟。(3)针对物质点法具有的拉格朗日粒子特性，提出了适用于任意拉格朗日粒子方法的真实感湿润现象模拟方法。该方法提出了考虑重力作用的具有非线性特征的吸水模型、湿度扩散模型和失水模型，并设计了保持质量守恒的拉格朗日粒子模型的自适应采样模型。(4)为了真实感模拟泥石流现象中由于固流交互产生的小尺度漩涡细节特征，基于边界层理论提出了一种适于拉格朗日粒子流体的漩涡合成方法，并给出了一种高效的基于八叉树的自适应流体表面重建方法以进行漩涡的真实感绘制。(5)为了提高物理动画模拟的计算速度以满足快速应用构建，针对重要计算步骤提出了GPU并行计算加速算法，大幅度提高了每个时间步长内的计算效率。本项目研究对于推进真实感泥石流灾害场景的多尺度模拟研究具有积极意义，相关成果对防灾救灾、影视特技、数字娱乐以及科普教育等领域具有重要的理论意义和应用价值。