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JCOGIN粒子追踪算法优化

原子能科学技术 2018年第8期52卷 1530-1536页

作者：王鑫邓力李刚付元光李瑞张宝印北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中物院高性能数值模拟软件中心北京100088

本文分析了多种先进蒙特卡罗程序的CSG粒子追踪算法,对JCOGIN粒子追踪模块进行了优化。粒子定位算法采取了边界粒子定位和源粒子位置预估,能减少一定量的粒子定位计算;径迹求交算法采取了安全距离优化和布尔二叉树展开,其中安全距离优... 详细信息

本文分析了多种先进蒙特卡罗程序的CSG粒子追踪算法,对JCOGIN粒子追踪模块进行了优化。粒子定位算法采取了边界粒子定位和源粒子位置预估,能减少一定量的粒子定位计算;径迹求交算法采取了安全距离优化和布尔二叉树展开,其中安全距离优化可减少电子输运径迹求交次数,布尔二叉树展开能使布尔体求交算法的时间复杂度降为O(n)。应用4个典型算例测试了优化效果,结果表明,粒子定位算法优化对于一般问题具有一定的优化效果,安全距离优化显著提升了电子输运效率,布尔二叉树展开大幅提升了JMCT对于非规则复杂几何的计算速度。

关键词： JCOGIN 粒子追踪算法优化布尔二叉树展开

基于拉格朗日粒子追踪的河流-洪泛区水流交互关系研究

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四川大学学报（工程科学版） 2015年第1期47卷 84-89页

作者：陈孝兵陈力赵坚河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 河海大学水利水电学院江苏南京210098

为了获得洪水期主槽-洪泛滩地系统内水流交互关系,以美国内华达州塔基河迈卡伦河段为研究对象,采用拉格朗日粒子示踪方法获得了在强、弱2种漫滩条件之下,粒子的运动轨迹、停留时间分布及空间维度上的交换频率等特点。分析结果表明,高流... 详细信息

为了获得洪水期主槽-洪泛滩地系统内水流交互关系,以美国内华达州塔基河迈卡伦河段为研究对象,采用拉格朗日粒子示踪方法获得了在强、弱2种漫滩条件之下,粒子的运动轨迹、停留时间分布及空间维度上的交换频率等特点。分析结果表明,高流量有效促进了主槽水流向侧向滩地传播的范围,并且流量越大,水流在系统内的平均停留时间越短,且参与系统内水流交换的水量占总过流量的比重越大;此外,流量对不同水体间粒子发生单次交换所需行走的纵向距离影响显著,大洪水时不同水体整体交换更强烈,但局部交换相对而言弱于小洪水情况,本研究方法和结论可以为河流系统的改造和修复提供参考。

关键词：塔基河洪水粒子追踪洪泛区连通性

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结合双向法则的松弛迭代粒子追踪测速法

空气动力学学报 2010年第3期28卷 250-254页

作者：张洋王元李志强西安交通大学流体机械及工程系陕西西安710049

在分析基于松弛迭代的粒子追踪测速法(relaxation method based particle tracking veloci metry,简称RMPTV)原理基础上指出其计算"孤粒子无匹配"的缺陷,并提出解决此问题的双向法则。对若干自定义流场图像对中第二帧图像实施点抹除和... 详细信息

在分析基于松弛迭代的粒子追踪测速法(relaxation method based particle tracking veloci metry,简称RMPTV)原理基础上指出其计算"孤粒子无匹配"的缺陷,并提出解决此问题的双向法则。对若干自定义流场图像对中第二帧图像实施点抹除和点添加来分别模拟"粒子无匹配"和噪音点,分别运用单向及包含双向法则的RM-PTV计算其粒子匹配,通过对匹配准确率η的分析发现:单向RM-PTV抗噪能力较强,但受"孤粒子无匹配"影响严重;而双向RM-PTV则能在保持单向算法的优点下准确地计算孤粒子无匹配问题。以空间率Pv=21.845的旋转流场为例:尽管噪音百分比μa的变化对准确率η无甚影响,但无匹配孤粒子百分比μd达到30%时,单向算法准确率降至80%左右;而采用双向算法,即使μa、μd值均为30%,η仍保持在95%。最后通过对标准自定义流场图像的粒子匹配计算再次验证了双向法则去除伪逻辑匹配的可靠性。

关键词：粒子追踪粒子无匹配双向算法伪逻辑匹配

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三角嵌铺粒子追踪算法的三维化扩展

空气动力学学报 2014年第6期32卷 840-847页

作者：贾攀王元张洋杨斌西安交通大学流体机械及工程系陕西西安710049 西北大学化工学院陕西西安710069

针对连续帧三维流场粒子的匹配问题,对基于三角嵌铺的粒子追踪算法进行了三维化扩展并将其命名为3DT PTV。3DT PTV遵循从粒子样型匹配到粒子匹配的原则,即粒子匹配结果从粒子样型匹配结果中总结。首先通过自定义"粒子样型DT网格"实现了... 详细信息

针对连续帧三维流场粒子的匹配问题,对基于三角嵌铺的粒子追踪算法进行了三维化扩展并将其命名为3DT PTV。3DT PTV遵循从粒子样型匹配到粒子匹配的原则,即粒子匹配结果从粒子样型匹配结果中总结。首先通过自定义"粒子样型DT网格"实现了粒子样型匹配的参数无依赖性,使3DT PTV适用于粒子非均匀分布流场;其次通过自定义"样型唯一性标识向量"进行粒子样型匹配;最终通过"双向计算-概率择优"模块对样型匹配结果进行样本扩展并整合出粒子匹配。通过添加自定义干扰的JPIV人工流场对3DT PTV进行了检验。除了算法本身的简洁性,结果亦证明了3DT PTV处理粒子无匹配率较高的复杂流动的良好特性。

关键词：光学测量粒子追踪三维流场粒子匹配 JPIV 人工流场

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基于粒子追踪技术的海上溢油三维输运模式

中国航海 2008年第3期31卷 284-288页

作者：于海亮王彬彬吴宛青营口海事局辽宁营口115007 大连海事局辽宁大连116026 大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

本模式为基于Lagrange框架下的粒子追踪方法数值模拟海上溢油的三维输运模式,着重从非线性理论、随机性理论来建立分析污染物粒子的运动过程。在具体的数值求解过程中,采用Langevin方程与Fokker-Planck方程相结合,有效地解决了具有随机... 详细信息

本模式为基于Lagrange框架下的粒子追踪方法数值模拟海上溢油的三维输运模式,着重从非线性理论、随机性理论来建立分析污染物粒子的运动过程。在具体的数值求解过程中,采用Langevin方程与Fokker-Planck方程相结合,有效地解决了具有随机性的粒子运动过程;另外模式也考虑了污染物附着在岸上以及沉降到海底等过程。通过数值模拟结果与卫星遥感监测资料的比较,表明该模式已取得较好的模拟效果。

关键词：环境工程学溢油粒子追踪马尔可夫过程数值模拟

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低信噪比荧光显微图像中的粒子追踪问题研究

低信噪比荧光显微图像中的粒子追踪问题研究

作者：陆胜南京大学

学位级别：硕士

在定性和定量分析细胞内动态情况的领域,荧光显微图像中的粒子追踪扮演着重要的角色。通常,相机所拍摄的视野中有几十个甚至几百个微粒。依靠手工的方式同时追踪所有的粒子是不可能的,所以自动的或者有少量交互的追踪算法是必要的。然而... 详细信息

在定性和定量分析细胞内动态情况的领域,荧光显微图像中的粒子追踪扮演着重要的角色。通常,相机所拍摄的视野中有几十个甚至几百个微粒。依靠手工的方式同时追踪所有的粒子是不可能的,所以自动的或者有少量交互的追踪算法是必要的。然而,由于光漂白性和光毒性的影响,荧光显微图像往往呈现出低信噪比和低对比度。这也是在活细胞内追踪荧光标记粒子的一个主要的挑战。主流追踪算法在高质量的图像中表现得不错,但是没有一种方法可以在低信噪比和低对比度的情况下取得令人满意的结果。传统的方法之所以会失效,是因为它们过于依赖检测的结果和先验的粒子运动模型了。为了在低信噪比图像中可靠地追踪粒子,我们遵循最广为使用的“检测-连接”策略。我们对图像进行预处理以降噪和增强。粒子目标通过分割操作被检测出来。在连接步骤中,我们先是实现了一种基于运动滤波器的传统方法,并且尝试通过加强约束条件和后处理的方式对算法进行优化。然后我们提出了一种新的基于最小路径理论的方法,它能够从图像中提取完整的轨迹。我们首次引入了一种全新的拓扑结构定义和相应的邻域概念,解决了在由粒子运动的图像序列构建成的时空体中,前向传播和反向传播的难题。我们还优化了快速行进算法,以合乎粒子形态和动态上的特点。我们在一些模拟合成的图像序列和真实实验数据样本中对两种追踪算法进行了评估和对比。我们提出的基于最小路径理论的方法表现出它在粒子追踪任务中的准确性和鲁棒性,并且它能够在低信噪比场景下表现得更好。

关键词：荧光显微图像低信噪比粒子追踪最小路径理论

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三维裂隙网络溶质运移粒子追踪法

水文地质工程地质 2003年第6期30卷 11-14页

作者：于青春大西有三中国地质大学水资源与环境学院北京100083 京都大学土木工程系

本文讨论了利用粒子追踪方法模拟岩体三维裂隙网络中溶质迁移的问题。在本研究中裂隙为圆盘形,具有一定的张开宽度;其中流体的流动为面状流,发生在整个裂隙圆盘范围内。粒子追踪时考虑了对流、纵向弥散和横向弥散。利用提出的方法模拟... 详细信息

本文讨论了利用粒子追踪方法模拟岩体三维裂隙网络中溶质迁移的问题。在本研究中裂隙为圆盘形,具有一定的张开宽度;其中流体的流动为面状流,发生在整个裂隙圆盘范围内。粒子追踪时考虑了对流、纵向弥散和横向弥散。利用提出的方法模拟了一个野外实际钻孔示踪试验。对模拟得到的示踪剂恢复曲线与实测的回收曲线进行了对比,二者的结果基本一致。

关键词：裂隙网络溶质运移粒子追踪溶质迁移

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基于粒子追踪的海上溢油双层预报模型研究

基于粒子追踪的海上溢油双层预报模型研究

作者：陈晓亮大连理工大学

学位级别：硕士

海上溢油事故会严重破坏海洋生态环境。准确预报溢油的轨迹和归宿,可为溢油后的清油工作以及事故污染预防等提供支持。本文总结了现有的海上溢油行为与归宿数值模拟理论,基于溢油区风场预测模型、潮流水动力模型及粒子追踪法,建立了海... 详细信息

海上溢油事故会严重破坏海洋生态环境。准确预报溢油的轨迹和归宿,可为溢油后的清油工作以及事故污染预防等提供支持。本文总结了现有的海上溢油行为与归宿数值模拟理论,基于溢油区风场预测模型、潮流水动力模型及粒子追踪法,建立了海面油膜和入水悬浮油滴运动的双层溢油预报模型。风是海上溢油迁移扩散的关键动力因素之一,溢油区风场的精确预报是油膜漂移轨迹预测的基础。本文对渤海及部分北黄海的历史风资料进行了相关分析,根据不同区域风的相关性和不同时段风的差异性,分别进行了研究海域风区划分和风时划分;根据风在每两个指定方向的转换概率、风的平均持续时间和能量水平,建立了风场的概率预测模型。模型预测出的六月份风时间序列中的高频风为4m/s的西南风,与历史样本一致。该预测模型生成的随机风时间序列可为海面溢油预报提供风动力环境。潮流是海上溢油运动的主要水动力因素。考虑到海上溢油常常发生在地形复杂的近岸水域,本文采用非结构有限体积海洋模型(FVCOM),充分发挥其拟合复杂边界的优势以及在计算区域质量动量守恒的特点,模拟预报溢油区的潮流场。基于该模型对渤海及部分北黄海的潮流进行了数值模拟,绘制了同潮图和潮流椭圆图,分析了1990年和2010年两个年代的地形岸线变化对渤海潮流的影响。基于FVCOM模型的潮流模拟可为海面溢油预报提供水动力环境。在风场预测模型和潮流水动力模型的基础上,建立了基于粒子追踪的溢油双层预报模型。为了精细模拟油在海面表层和水中悬浮层之间的交换过程以及蒸发、溶解、沉降、乳化和再悬浮等转化过程,模型采用油水分离双重网格技术。先在第一套网格中求解流场,然后在另一套更加精密的网格上,采用粒子追踪法模拟溢油的迁移和转化,以便使用油粒子和溢油网格浓度及油膜厚度实时转化技术。此外,模拟油膜扩展的经典理论大多都是基于圆形或椭圆形等较理想的油膜形状,与实际油膜形状不规则的情况不相符。为克服这一局限,本文模型采用油膜动态分块扩展技术,以便适应真实海域溢油后的油膜形状各异和油膜各处厚度不一的情况。通过模拟渤海海峡的撞船溢油事故,再现了观测油膜的运动趋势,一定程度上肯定了该溢油模型的合理性。溢油的累计蒸发量已经达到了溢油总量的50%,由此得出油膜蒸发是溢油归宿最主要的成分之一。建立的模型可以为环境敏感地区的灾前防护、灾中清油处理方式的恰当选择以及灾后应急措施的制定,提供有效的支持。

关键词：溢油扩展粒子追踪随机风 FVCOM模型概率预测

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基于散焦的三维显微粒子追踪测速

中国计量学院学报 2015年第4期26卷 428-434页

作者：赵攀杰王昊利中国计量学院计量测试工程学院浙江杭州310018

为了开展三维显微粒子追踪测速研究,设计了一种孔边缘厚度0.1mm,距挡板边缘间厚度成线性分布的三孔挡板,搭建了一套高速显微散焦粒子三维测速系统.通过光学和图像分析得到了工作介质粒子散焦图像构型参数和粒子深度方向的标定函数,并用... 详细信息

为了开展三维显微粒子追踪测速研究,设计了一种孔边缘厚度0.1mm,距挡板边缘间厚度成线性分布的三孔挡板,搭建了一套高速显微散焦粒子三维测速系统.通过光学和图像分析得到了工作介质粒子散焦图像构型参数和粒子深度方向的标定函数,并用二元多项式拟合获得了关于粒子平面位置的补偿函数,实现了粒子空间位置的识别和追踪.还针对倒置台阶结构的微通道流动进行了测量,采用20×0.4显微物镜和高速CMOS相机对通道内部播撒的2μm的荧光粒子进行了追踪,获得了粒子运动轨迹及三维速度分布.最后,采用数值仿真方法进行了验证,结果表明所搭建散焦测速系统和算法具有可行性和有效性.

关键词：散焦显微图像三维测速粒子追踪