水力侵蝕地表是現實生活及虛擬場景中常見的一種自然現象。為研究水力對地表的侵蝕現象,提出一種采用光滑粒子流體動力學（SPH）模擬流體對地形表面的濕潤以及侵蝕過程的真實感仿真模型。通過對自然界中真實濺蝕現象進行合理簡化描述,建立一種包含3個階段的地形水力濺蝕模型:首先,利用彈丸沖擊平板靶材變形模型模擬水流沖擊地表變形效果;其次,構建基于達西定律的水流滲透量計算方法以確保地表吸水與水分擴散的真實性;最后,提出將地表濕潤度因素對地表侵蝕的影響考慮在內的新型計算模型,實現與沖蝕相融合模擬積水繼續(xù)運動對地表沖蝕作用。實驗結果表明,該模型能夠真實地模擬出不同方向的水流對地表的侵蝕效果以及侵蝕過程中地表吸水與濕潤擴散現象。 

【文章來源】：圖學學報. 2020,41(02)北大核心CSCD

【文章頁數】：9 頁

【部分圖文】：

地表多孔固體顆粒采樣圖

游??浚??ǘ仁且禾辶Ｗ有?帶固體量)；ρf，μf分別為流體粒子的密度和粘性系數；ρs，μs分別為多孔固體顆粒的密度和粘性系數。2侵蝕模型與已有對侵蝕的研究相比，本文擴展了侵蝕的種類。在流體對地形侵蝕階段，基于KRITOF等[17]的沖蝕模型，提出了一種包含濺蝕過程的侵蝕模型。同時引入達西定律保證水分在地表擴散物理過程的真實性，并且提出的侵蝕模型計算方法能夠描述濕潤因素對地表變形影響。2.1濺蝕地表變形階段可采用彈丸沖擊平面靶材變形模型進行模擬。如圖3所示，當一定速度的彈丸撞擊平面靶材時，由于沖擊力的作用平面靶材發(fā)生形變，形變的寬度ap和深度dp與速度v之間關系的計算方法為[28]29fpsdRv(13)12849fpsvaR(14)其中，R為彈丸的半徑；σs為平面靶材的屈服強度。對于濺蝕的某個區(qū)域地表變形與其周圍多孔固體顆粒的濕潤程度有關，地表越濕潤越容易發(fā)生形變，所以地表的屈服強度會隨著濕潤值的增大而減小，基于此性質提出了描述屈服強度與地表多孔固體顆粒飽和度之間相互關系的計算模型01101,0()(),01,1sf(15)其中，21()1efe；σ0和σ1分別為多孔固體顆粒干燥和飽和時相應地表的屈服強度。濺起或者卷入水中的沙土與液體形成泥漿，其密度與粘滯力由式(10)和式(11)求得，同時對于泥漿粒子，若其與周圍粒子有濃度差，會產生濃度擴散現象，該現象可通過以下模型進行求解d(),dijijijjijCmDCCWhtr-r(16)其中，D為擴散系數。由于泥?

174計算機圖形學與虛擬現實2020年(圖7(a))；當σs=σ1時，地表濕潤達到飽和，沖擊形成的水坑深(圖7(c))。本文計算方法效果如圖7(b)所示，坑的深淺介于前兩者之間，證明該方法可描述出濕潤對地表變形的影響。圖8(a)和圖9(a)展示了水流剛開始接觸地表且濕潤地表現象，從圖8(b)與圖9(b)可以看出水流對地表的侵蝕與地表吸水及濕潤擴散的效果，圖8(c)和圖9(c)是地表完全干涸之后形成的水洼。由此可以看出本文中濺蝕模型具有較好的模擬效果。圖8和圖9中水流垂直沖撞地表時，其侵蝕現象主要是濺蝕，表2前2行數據也印證了本文濺蝕模型的可靠性。(a)第100幀(b)第200幀(c)第300幀(d)第400幀(e)第500幀(f)第600幀(g)第700幀(h)第800幀(i)第900幀(j)第1000幀(k)第1100幀(l)第1200幀圖6水分擴散序列圖(a)σs=σ0(b)110=()()sf(c)σs=σ1圖7不同屈服強度形成水坑深度圖

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于SPH的雨滴打擊不規(guī)則邊界的模擬方法[J]. 劉嘉瑞,楊猛,吳佳澤,楊剛.  圖學學報. 2018(03)
[2]一種基于GPU的彈坑實時繪制方法[J]. 鄭顧平,邢玥,張榮華.  圖學學報. 2016(04)
[3]考慮前期降雨過程的邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 唐棟,李典慶,周創(chuàng)兵,方國光.  巖土力學. 2013(11)
[4]一種基于粒子的牛頓流體與粘彈性流體統(tǒng)一模擬方法[J]. 常元章,柳有權,鮑凱,朱鑒,吳恩華.  計算機學報. 2010(07)
[5]基于小尺度的城市暴雨內澇災害情景模擬與風險評估[J]. 尹占娥,許世遠,殷杰,王軍.  地理學報. 2010(05)
[6]多相流災害場景的真實感建模與繪制[J]. 楊志亮,王章野,柯曉棣,彭群生.  計算機輔助設計與圖形學學報. 2008(08)
[7]基于GPU帶有復雜邊界的三維實時流體模擬[J]. 柳有權,劉學慧,吳恩華.  軟件學報. 2006(03)
[8]雨水入滲對非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數研究[J]. 吳宏偉,陳守義,龐宇威.  巖土力學. 1999(01)

碩士論文
[1]混合水射流沖擊強化不同幾何特征表面的研究[D]. 張遠西.鄭州大學 2018
[2]布料濕潤過程的模擬[D]. 史鑫.上海交通大學 2015
[3]泥石流現象的真實感建模與繪制[D]. 楊志亮.浙江大學 2008



本文編號：3482484