基于粒子系统的降雪过程模拟

对降雪现象的模拟,可以大大提高三维场景的真实感.粒子系统是实时模拟降雪效果的一种有效方法.本文基于粒子系统的基本原理建立了雪粒子系统模型,模型分析了雪粒子的属性、雪粒子的运动及雪粒子的绘制等,并提出了基于粒子系统和OpenGL的降雪实时模拟生成算法.实现结果表明,该方法可以实时绘制出比较真实的降雪现象.     

大跨度膜屋面风致雪压的数值模拟研究

风荷载是影响结构表面积雪分布的重要因素.本文应用雪漂理论,采用CFD数值模拟技术对由风荷载影响引起的膜结构表面积雪分布规律进行了研究.计算了典型形状膜结构在不同风向角下周围的雪漂运动和风致雪压,总结了膜结构表面风致雪压的分布规律.结果表明风荷载的作用会造成膜结构表面雪压分布的改变.研究结果对膜结构实际工程抗风雪设计提供了有价值的参考.     

高海拔地区冰雪共存条件下复合绝缘子沿面电场计算

冰雪对电力系统可靠运行构成极大威胁,对覆冰雪复合绝缘子沿面电场分布规律进行研究具有重要工程价值和意义。基于准静态电场有限元方法,提出了雪的三角形模型,开展了冰雪形态对高海拔110 k V复合绝缘子沿面电场的影响研究。通过搭建高海拔110 k V复合绝缘子二维轴对称模型,研究了冰雪共存条件下雪高度和冰凌长度对沿面电场的影响。结果表明:冰凌长度越长,雪对沿面电场分布的影响越大,雪高度越高,雪表面的电场畸变越严重。     

雪地投雪城堡娱乐系统的研究和开发

以国家大力发展冰雪旅游为契机,为满足中国游客"家文化"的旅游消费需求,研发一套适用于家庭成员多人一起参与的雪地投雪城堡娱乐系统.该系统借用机械设备来实现雪弹远距离射出,并配套有快速城堡搭建模具和守城雪人快速搭建系统,实现了模拟攻城的娱乐效果,满足了大众冰雪娱乐的需求,弥补了国内本土冰雪运动设备不足的缺陷.     

对轮胎性能进行预测的综合路面模拟技术

日本普利司通轮胎制造公司开发成功了通过数据分析在各种路面情况下对轮胎性能进行预测的技术——“综合路面模拟”。该技术不仅可模拟雨天和下雪时的铺装道路，还可模拟在非铺装道路和田地等土面上行驶时的轮胎性能，使得根据不同路面情况高效率地进行轮胎花纹设计成为可能。     

地表下滴灌土壤水分运动数值模拟

本文建立了地表下滴灌土壤水分运动的数学模型。利用数值模拟的方法研究了不同因素对于土壤水分运动的影响，对这一特定条件下的土壤水分运动规律获得了初步认识。     

基于统计模型的海水运动仿真

人们常用建立物理模型的方式来达到模拟自然现象，然后通过OpenGL绘制出来；同时0penGL本身也有用于模拟自然现象的粒子系统，这对计算机来模拟自然现象提供了很大的方便。对海水运动的模拟通常通过建立海水动力学模型来达到，通过建立统计模型的方式来模拟自然现象，提出了通过建立统计模型来模拟海水的运动的方法，并对其加以实现。结果表明，通过建立统计模型模拟海水运动可以达到和物理模型一样的效果。     

覆雪准则参数改进的高速列车转向架覆雪模拟

采用Realizable k-ω湍流模型,耦合离散相模型(DPM),对高速列车运行时的车底覆雪问题开展模拟研究. 模拟中,考虑流场作用与颗粒-壁面碰撞特征2个方面,建立基于壁面阈值摩擦速度与颗粒-壁面捕捉角的壁面覆雪判别准则. 选用Paradot开展的简单几何体覆雪试验作为原型,通过控制变量分析,对准则参数设置的合理性进行讨论. 与原型覆雪的结果对比表明,以往研究中对覆雪准则相关参数的取值偏小,建议改进2个判别参数,分别为1.0 m/s与60°. 利用改进参数的准则,对我国现有运营某型号高速列车运行时的转向架覆雪进行模拟评估. 结果表明,转向架易出现覆雪的区域主要位于部件背风侧壁面及连接角落,尤其是中部构架横梁与齿轮减速箱,后转向架覆雪分布区域更分散.     

节理岩质边坡破坏过程的PFC2D数值模拟分析

边坡破坏后的运动过程及运动距离预测可以为灾害危险性区划、风险评估等提供定量分析依据,可以为灾后重建规划以及地震区工程建设提供指导.节理岩质边坡的破坏和其后的运动过程非常复杂,没有理论方法可以对这一过程进行合理的描述,而数值模拟方法是研究这一问题的有效途径.采用颗粒流程序PFC2D对节理岩质边坡的破坏和运动过程进行了研究,分析了关键参数对结果的影响,得出了破坏后的堆积形状和最终的运动距离.研究结果表明,颗粒流程序不但可以描述岩石等连续介质,而且可以描述节理岩体以及碎屑等不连续介质,是研究岩质边坡破坏运动的有效方法.     

叉车横置油缸式转向杆系的运动模拟

介绍了叉车横置油缸式转向杆系运动的计算机动态模拟的开发工作 ,着重阐述了转向杆系运动计算机仿真的必要性和重要性 ,对横置油缸式转向杆系的机构运动模拟和运动干涉模拟检查进行了说明     

基于分形特性的开口拱形结构风致积雪漂移风洞试验研究

风作用下雪粒会发生漂移、沉积现象,进而对结构周边区域产生不利影响。对于相邻开口结构,结构四周风致积雪分布规律较为复杂且无规范可循。因此分别以单独和相邻开口拱形屋面结构为研究对象,进行了风致积雪分布风洞试验研究,探讨了洞口方位对单独拱形结构表面及周边积雪分布的影响,结构间距和相对角度对两模型间积雪分布规律的影响。以风洞试验数据为依据,根据整体区域粒子的分形特性,定量分析了风致积雪漂移这种无规律和随机波动的外在紊乱运动。结果表明：洞口的存在极大程度影响了拱形结构周边积雪分布情况,无论在局部区域还是整体粒子区域,洞口位于侧立面时,结构周边的雪压分布较为有利;两开口模型间距越小,模型间积雪沉积越严重,对结构稳定性越不利;两模型洞口角度为30°时,局部雪深系数最大,洞口角度为60°时,整体区域的积雪分布形态最为不利,但其局部最大雪深系数要低于相对角度为30°,因此设计中应避免上述排列方式。所得结论可以为准确描述雪粒分布形态特征提供依据。     

基于粒子系统的3D动态火焰模拟

为了在虚拟场景中绘制复杂的火焰,解决模拟火焰时在实时性和逼真性方面所出现的问题,提出了一种基于粒子系统的火焰模拟方法。通过粒子系统的几何建模方法,实现火焰粒子的不断生成和消亡,得到在三维场景中具有动态感的火焰;通过引入Gyarmathy模型和控制粒子行为的Perlin噪声,实现模拟火焰的运动效果;通过对每个粒子进行纹理贴图及渲染处理,增加三维场景中物体的真实感。实验表明,重力和风力反映了火焰的消亡规律和运动情况,并实时模拟复杂火焰模型;纹理贴图增强了火焰的立体效果,实现了复杂火焰模型的逼真性。     

制导炸弹的无控飞行仿真

针对精确制导炸弹的导航、制导与控制系统设计中的预研问题,研究了弹体坐标系下制导炸弹的六自由度数学模型,结合实战条件,在刚性弹体的数学模型中引入风速的影响,对弹体的无控飞行进行数字仿真.提出无控飞行仿真的目的是验证弹体的结构参数、气动参数、数学模型的正确性,研究结果表明:无控飞行的数字仿真结果验证了模型的正确性.     

塔楼群玻璃幕墙碎粒飞行轨迹预测方法

结合某塔楼群玻璃幕墙的风灾实例,进行了塔楼群玻璃幕墙碎粒飞掷物的运动轨迹预测,研究了4种不同风场条件对幕墙碎粒飞行轨迹的影响。首先,在对大涡模拟方法及参数设置的有效性验证的基础上,通过紊流边界层风场内塔楼群的非定常绕流大涡模拟,获取了建筑周围的三维非定常绕流场。然后,采用五阶龙格库塔法,求解粒状飞掷物的三维刚体运动方程,通过均匀流场下飞掷物轨迹计算方法与文献试验结果的对比,验证了本文方法的有效性。最后,对比分析了不同流场条件对颗粒的飞行轨迹及飞行速度的影响。结果表明,本文飞掷物运动轨迹计算方法结合大涡模拟获取的流场能够对飞掷物飞行轨迹进行有效预测;对同一位置释放的颗粒,与理想均匀流场相比,三维自由来流场中颗粒的飞行速度和飞行距离相对较低;三维自由来流场忽略湍流成分时,会使颗粒的飞行速度进一步降低,而飞行距离增大;对于塔楼群三维非定常绕流场,与理想均匀流和三维自由来流场的飞掷物轨迹预测的结果相差较大,且飞掷物的飞行轨迹受绕流场中不同初始位置的影响较大,并可能显著影响最终的评估结果。因此,飞掷物的飞行轨迹应充分考虑建筑群周围的三维非定常绕流场和初始破坏位置的影响。     

拱型波纹屋盖在风与雪作用下的有限元分析

以W666型拱型波纹屋盖为研究对象，对30m跨波纹拱在不同矢跨比，支座边界为固支的条件下进行风荷载、雪荷载作用几何非线性有限元分析？结果表明，波纹拱在风荷载作用下结构的变形是非对称的；在风荷载值相同的情况下，由于半跨雪荷载加在风压一侧，加重了波纹拱迎风面的风荷载，结构变形比全跨雪荷载作用时大，结构承载力相对降低。这些结论为波纹拱的设计、研究和应用提供了一定的参考依据。     

Pilot multi-axis control behavior modeling of receivers in probe-and-drogue aerial refueling

The probe-and-drogue aerial refueling (PDR) task is seriously disturbed by the wind field, so it is difficult to obtain accurate visual information of the probe and drogue position. Additionally, the pilot needs to control the vertical, lateral and forward-backward positions of the receiver through the stick and throttle lever, and the pitch and roll manipulation actions of the stick should be reasonably distributed. To simulate the behavior of the pilot’s visual perception and the stick manipulation allocation in the PDR task, three modules are designed, including the visual information acquisition module (VIAM), strategy switching module (SSM) and pilot control and action module (CAM). Based on the coherence function analysis of the flight simulation test data, it is proven that the pilot’s multi-axis control behavior can be decoupled, and the flight states to be controlled are determined. Finally, the established multi-axis receiver pilot model (EPM) is developed. Combined with the motion models of the receiver, the tanker and the refueling equipment, a PDR flight task simulation model is established, and the evaluation indicators for the receiver’s flight performance during the PDR task, such as capture time and settling time, are proposed. The PDR flight simulation model was used to build the ground-based flight simulation test platform, and the flight simulation test of the PDR task was carried out. A comparison between the flight simulation test data and the numerical simulation results shows that the calculation error is less than 10%, which verifies the correctness of the established pilot model. The pilot model can be used to evaluate the design scheme of the refueling equipment and the receiver flight control law and provide a theoretical reference for the flight test design of the PDR task.

     

高速列车转向架雪粒沉积特性数值研究

为了揭示高速列车转向架表面的雪粒沉积分布,建立基于临界捕获角度和临界剪切速度的雪粒沉积模型,采用拉格朗日方法模拟雪粒在气流中的运动,研究转向架表面的雪粒沉积特性. 研究结果表明,转向架构架底部、抗蛇行减振器、后轮对中间制动夹钳、牵引拉杆、抗侧滚扭杆区域为雪粒易堆积部位;转向架后部区域垂向面、前部区域水平面、角落区域黏附率高;无论是积雪量,还是黏附率,都是以转向架中部横梁区域为最大;各部件平均积雪量由高到低依次为：牵引拉杆、构架、摇枕、二轴制动夹钳、抗侧滚扭杆、一轴制动夹钳、横向减振器、二轴轴箱、一轴轴箱、空气弹簧、抗蛇行减振器、踏面清扫装置,其中牵引拉杆、构架、摇枕、夹钳2的平均积雪量比其他部件高出约1倍,二轴制动夹钳的平均积雪量比一轴制动夹钳高出约1倍;当临界捕获角度为30~60°时,临界捕获角度的变化对部件总的积雪量影响较小.     

利用反映帧间图像界定运动员跑步训练强度仿真

目前运动员跑步训练强度仿真结果只是单一的画面,导致运动员跑步训练强度仿真结果,可视性低、仿真时间长,与运动员跑步运动实际结果不一致,为此提出利用反映帧间图像界定运动员跑步训练强度仿真。采用统计学测量方法获取运动员生理参数,并计算匹配因子,将运动员的生理参数与仿真人的生理参数进行匹配;在仿真平台确定仿真人关节转动、旋转角度、跑步步长、步调、步速与运动员一致,校准仿真人运动姿态;将校准后的运动姿态数据代入仿真平台,利用反映帧间图像形成连续的运动员跑步训练虚拟动画,分析运动员跑步训练,对运动员跑步训练强度进行界定。实验结果显示,在同一实验参数下,检测仿真结果与人体真实跑步运动模型的一致度,得出所提方法可以准确仿真运动员跑步运动姿态,可视性高、仿真时间短,与运动员跑步运动实际结果一致,仿真效果好,能够为监督运动员跑步训练过程提供一定帮助。     

Wind and Snow Impacts on Urban Space Planning: A Multiphase Numerical Simulation

城市规划空间中的风雪影响：多相流数值模拟

胡志浩^1,2,曹慧哲^1,2,张斌³,张建祺⁴,李彪⁵

（1. 建筑学院, 哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150000; 2. 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150000; 3. 中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司, 太原 030001; 4. 马里兰大学,摩县,马里兰州巴尔21250美国; 5. 能源科学与工程学院, 哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150006）

摘要： 城市规划空间外的风雪环境对严寒地区人居环境的舒适性和安全性起着关键作用。然而,对人类住区外部环境的传统研究往往忽视了风和雪环境的综合影响。此外,在城市气象研究中,无法准确评估特定地区或地点的风雪环境。在本文研究中,采用先进的计算流体动力学（CFD）多相流数值方法来模拟规划区域的风雪环境。进一步通过结合暴风雪天气指数（SWI）对暴风雪天气等级（SWG）进行分类,以生成风环境和雪环境的计算结果。亮点是,在规划空间中选择了150个测量点,用于分析和评估其风和雪环境。结果表明,SWI指数可以有效地与风雪环境计算结果相关联。此外,SWI图表显示,55%的测量点具有中等的风和雪等级SWI,这超过了整个地区的平均等级。 实际应用：本文提出的风雪环境评价指标和技术方法可成功应用于其他严寒城市的风雪研究。

关键词：城市规划,规划空间,严寒地区,风雪环境,多相流数值模拟