本发明涉及泥石流滑坡灾害规划治理，更具体的说，涉及一种基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法及相关设备。
背景技术：
1、泥石流滑坡体作为一种组分复杂的混合流体，其流动特性受组成成分的影响。尤其是其组成成分中的水、粗颗粒和细颗粒占整体成分的高低会显著影响它的运动行为，会使它在运动中表现出粘塑性和摩擦性，导致其表现出复杂的流态特征，包括：在沟谷具有极快的流动速度，在平原蔓延，对农业生产造成破坏，或者在河道堆积形成堰塞湖对下游水利设施和居民安全造成严重威胁。因此，对泥石流滑坡数值进行模拟成为当前对泥石流滑坡进行规划治理的重要手段。
2、传统方案主要通过计算流体力学(computationalfluid dynamics，cfd)对泥石流滑坡数值进行模拟，模拟时首先需要建立几何模型(包括地形、泥石流滑坡路径、土石体形状等)，然后将几何模型离散化为有限的三角形、四边形或六边形等网格单元，并为每个网格单元分配相应的物理参数(如流速、密度和气压)，使网格单元可以捕捉泥石流滑坡体的运动特性。通过确定泥石流滑坡数值模拟的初始条件和边界条件，再进行有限差分法和有限元法的迭代计算，实现对泥石流滑坡数值的模拟。传统的计算流体力学存在的主要问题为：实际的三维地形边界信息具有不规则性，传统的计算流体力学方法在这种不规则的三维地形边界上，需要划分出非常细致的网格单元才能达到泥石流滑坡数值模拟的要求，对于复杂的三维地形边界处理困难，整个模拟过程不仅计算量大，计算效率低，而且无法模拟泥石流滑坡复杂组成成分产生的粘塑性和摩擦性对复杂流态特征的影响。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明公开一种基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法及相关设备，以在泥石流滑坡数值模拟过程中减小计算量，提高计算效率，同时能够模拟泥石流滑坡复杂组成成分产生的粘塑性和摩擦性对复杂流态特征的影响。
2、一种基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法，包括：
3、获取泥石流滑坡初始形成区的基本信息，所述基本信息包括：滑动体动力学特征物理参数和滑动体地理参数，其中，所述滑动体动力学特征物理参数包括：滑动体密度、动态粘度、粘聚力、摩擦角和孔隙水压力系数；
4、基于所述滑动体动力学特征物理参数构建摩擦型hbp模型，并将所述摩擦型hbp模型确定为泥石流滑坡本构模型，其中，所述泥石流滑坡本构模型表示泥石流滑坡运动过程中的应力应变关系；
5、基于所述滑动体地理参数构建格子玻尔兹曼方法lbm三维模拟区域；
6、基于所述泥石流滑坡本构模型和所述lbm三维模拟区域，结合lbm数值方法依次确定每一个迭代时间步对应的粒子密度分布函数，其中，所述粒子密度分布函数为每一个所述迭代时间步下泥石流滑坡体的局部格子点处的分布函数；
7、利用所述粒子密度分布函数确定泥石流滑坡体离散局部格子处在宏观层面上的运动信息和局部物理量；
8、基于所述运动信息和所述局部物理量建立滑动体自由表面；
9、根据一系列以时间序列排序的所述运动信息、所述局部物理量和所述滑动体自由表面，模拟泥石流滑坡运动全过程中的流动形态，获得三维地形边界条件下泥石流滑坡运动-堆积过程中的泥石流滑坡动态数值。
10、可选地，所述基于所述滑动体动力学特征物理参数构建摩擦型hbp模型，并将所述摩擦型hbp模型确定为泥石流滑坡本构模型，包括：
11、基于泥石流滑坡体中泥浆体的粘塑性构建泥浆体本构模型表达式；
12、对所述泥浆体本构模型表达式进行变换，得到流体等效粘度表达式；
13、基于泥石流滑坡体中摩擦性的影响效应对所述流体等效粘度表达式进行改进，得到改进后的流体等效粘度表达式，其中，所述改进后的流体等效粘度表达式表征所述摩擦型hbp模型；
14、将所述摩擦型hbp模型确定为所述泥石流滑坡本构模型。
15、可选地，所述改进后的流体等效粘度表达式具体如下：
16、
17、式中，ηapp表示流体等效粘度，τ表示剪切应力，表示剪切速率，c表示粘聚力，p表示法向压强，表示摩擦角，λ表示孔隙水压力系数，ηn表示塑性粘度，m表示正则化参数，n表示流动指数，用来表示剪切应力随剪切速率变化过程中偏离线性的变化状态，以衡量不同组成的流体粘性受剪切的影响程度。
18、可选地，所述基于所述滑动体地理参数构建格子玻尔兹曼方法lbm三维模拟区域，包括：
19、对所述滑动体地理参数进行解析得到泥石流滑坡不规则边界；
20、采用预先设置的网格分辨率，对所述泥石流滑坡不规则边界使用规则网格进行模糊化处理，得到所述lbm三维模拟区域。
21、可选地，所述粒子密度分布函数的表达式如下：
22、
23、式中，fi表示第i个流体粒子的粒子密度分布函数，具体为空间离散形式的粒子密度分布函数，不同的索引i表示的流体粒子具有不同流动方向和流速，表示当前位置，表示离散速度，t表示当前时间步，δt表示时间步长，表示外部体积力，ωi表示bgk碰撞算子，cs表示格子声速，wi表示权系数，与离散速度分布相对应；
24、其中，ωi通过弛豫时间τ计算得到，弛豫时间τ的表达式如下：
25、
26、式中，υ表示运动粘度；bgk碰撞算子ωi由如下公式计算得到：
27、
28、式中，fieq表示离散空间处的平衡状态粒子密度分布函数，是宏观流体速度、离散粒子速度和宏观密度的函数，由如下公式计算得到：
29、
30、式中，表示局部格子的宏观流体流速，ρ表示局部格子的宏观密度。
31、可选地，所述基于所述运动信息和所述局部物理量建立滑动体自由表面，包括：
32、对所述lbm三维模拟区域进行网格标记初始化，得到滑动体自由表面标记；
33、根据滑动体自由表面标记以及所述局部物理量设置滑动体自由表面相关参数，其中，所述滑动体自由表面相关参数包括：液体质量、液体剩余质量和液体质量分数；
34、在每一个所述迭代时间步内，基于上一个迭代时间步的所述液体剩余质量和所述液体质量得到临时液体质量；
35、根据粒子密度分布函数和所述液体质量分数对液体质量的作用，对所述临时液体质量进行更新，得到目标临时液体质量；
36、当标记为界面标记的格子的所述目标临时液体质量大于宏观密度或者所有邻居格子中无空气标记格子时，将所述标记为界面标记的格子的标记更新为界面至液体标记；
37、当所述标记为界面标记的格子的所述目标临时液体质量小于0或者所有邻居格子中无液体标记格子时，将所述标记为界面标记的格子的标记更新为界面至空气标记；
38、对具有所述界面至液体标记的格子的所有邻居格子中，将具有界面至气体标记的邻居格子的标记更新为界面标记，以及将具有气体标记的邻居格子的标记更新为气体至界面标记，同时使用宏观密度和所述运动信息中的宏观速度平均值更新对应的粒子密度分布函数；
39、对具有所述界面至气体标记的所述格子的所有邻居格子中，将具有液体标记和界面至液体标记的邻居格子的标记均更新为界面标记；
40、将界面至液体标记更新为液体标记，将界面至气体标记更新为气体标记，以及将气体至界面标记更新为界面标记；
41、当所有的标记更新完成后，对滑动体自由表面相关参数进行更新，得到目标滑动体自由表面相关参数；
42、根据所述目标滑动体自由表面相关参数，将剩余液体质量分配到当前格子的各个邻居格子中，并对所述当前格子的各个所述邻居格子的剩余液体质量进行更新，完成每个所述迭代时间步内滑动体自由表面的建立。
43、一种基于lbm的泥石流滑坡数值模拟装置，包括：
44、获取单元，用于获取泥石流滑坡初始形成区的基本信息，所述基本信息包括：滑动体动力学特征物理参数和滑动体地理参数，其中，所述滑动体动力学特征物理参数包括：滑动体密度、动态粘度、粘聚力、摩擦角和孔隙水压力系数；
45、模型构建单元，用于基于所述滑动体动力学特征物理参数构建摩擦型hbp模型，并将所述摩擦型hbp模型确定为泥石流滑坡本构模型，其中，所述泥石流滑坡本构模型表示泥石流滑坡运动过程中的应力应变关系；
46、模拟区域构建单元，用于基于所述滑动体地理参数构建格子玻尔兹曼方法lbm三维模拟区域；
47、分布函数确定单元，用于基于所述泥石流滑坡本构模型和所述lbm三维模拟区域，结合lbm数值方法依次确定每一个迭代时间步对应的粒子密度分布函数，其中，所述粒子密度分布函数为每一个所述迭代时间步下泥石流滑坡体的局部格子点处的分布函数；
48、信息确定单元，用于利用所述粒子密度分布函数确定泥石流滑坡体离散局部格子处在宏观层面上的运动信息和局部物理量；
49、自由表面构建单元，用于基于所述运动信息和所述局部物理量建立滑动体自由表面；
50、数值模拟单元，用于根据一系列以时间序列排序的所述运动信息、所述局部物理量和所述滑动体自由表面，模拟泥石流滑坡运动全过程中的流动形态，获得三维地形边界条件下泥石流滑坡运动-堆积过程中的泥石流滑坡动态数值。
51、可选地，所述模型构建单元具体用于：
52、基于泥石流滑坡体中泥浆体的粘塑性构建泥浆体本构模型表达式；
53、对所述泥浆体本构模型表达式进行变换，得到流体等效粘度表达式；
54、基于泥石流滑坡体中摩擦性的影响效应对所述流体等效粘度表达式进行改进，得到改进后的流体等效粘度表达式，其中，所述改进后的流体等效粘度表达式表征所述摩擦型hbp模型；
55、将所述摩擦型hbp模型确定为所述泥石流滑坡本构模型。
56、一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现上述所述的基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法。
57、一种电子设备，所述电子设备包括：存储器和处理器；
58、所述存储器用于存储至少一个指令；
59、所述处理器用于执行所述至少一个指令以实现上述所述的基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法。
60、从上述的技术方案可知，本发明公开了一种基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法及相关设备，获取泥石流滑坡初始形成区的基本信息，基于基本信息中的滑动体动力学特征物理参数构建摩擦型hbp模型，并将摩擦型hbp模型确定为泥石流滑坡本构模型，基于基本信息中的滑动体地理参数构建lbm三维模拟区域，基于泥石流滑坡本构模型和lbm三维模拟区域，结合lbm数值方法依次确定每一个迭代时间步对应的粒子密度分布函数，利用粒子密度分布函数确定泥石流滑坡体离散局部格子处在宏观层面上的运动信息和局部物理量，以建立滑动体自由表面，根据一系列以时间序列排序的运动信息、局部物理量和滑动体自由表面，模拟泥石流滑坡运动全过程中的流动形态，获得三维地形边界条件下泥石流滑坡运动-堆积过程中的泥石流滑坡动态数值，从而为泥石流滑坡灾害规划治理提供技术支撑。本发明在构建三维模拟区域时采用了lbm作为泥石流滑坡体中介观粒子的数值计算方法，lbm对于不规则的三维地形边界无需建立非常细致的多面体网格单元仍可以达到泥石流滑坡数值模拟的要求，因此适合处理泥石流滑坡这种复杂的三维地形边界，并且lbm作为一种显式计算方法在瞬态问题上无需在单一时间步内进行迭代，从而使得整个模拟过程的计算量大大降低，提高了计算效率。与此同时，本发明利用摩擦型hbp模型表示泥石流滑坡本构模型，用以模拟泥石流滑坡体在运动过程中由于其中的水、粗颗粒、细颗粒等复杂组成物质在运动过程中所产生的粘塑性和摩擦性对复杂流态特征的影响。
1.一种基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的泥石流滑坡数值模拟方法，其特征在于，所述基于所述滑动体动力学特征物理参数构建摩擦型hbp模型，并将所述摩擦型hbp模型确定为泥石流滑坡本构模型，包括：
3.根据权利要求2所述的泥石流滑坡数值模拟方法，其特征在于，所述改进后的流体等效粘度表达式具体如下：
4.根据权利要求1所述的泥石流滑坡数值模拟方法，其特征在于，所述基于所述滑动体地理参数构建格子玻尔兹曼方法lbm三维模拟区域，包括：
5.根据权利要求1～4任意一项所述的泥石流滑坡数值模拟方法，其特征在于，所述粒子密度分布函数的表达式如下：
6.根据权利要求1所述的泥石流滑坡数值模拟方法，其特征在于，所述基于所述运动信息和所述局部物理量建立滑动体自由表面，包括：
7.一种基于lbm的泥石流滑坡数值模拟装置，其特征在于，包括：
8.根据权利要求7所述的泥石流滑坡数值模拟装置，其特征在于，所述模型构建单元具体用于：
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现如权利要求1～6任意一项所述的基于lbm的泥石流滑坡数值模拟方法。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：存储器和处理器；
