流体仿真在煤矿火灾场景模拟中的研究
发布时间：2021-06-17 05:19
流体仿真作为计算机图形学研究的热点问题,常常用于火焰、烟雾等自然现象的模拟仿真。矿井火灾一直是煤矿危害最大的灾害之一,不仅带来巨大的财产损失,还会导致重大的人员伤亡。运用流体仿真技术进行矿井火灾的模拟有着重大的现实意义,也具有一定的挑战性。本文首先对流体仿真的理论知识和相关技术进行了研究分析,然后基于Unreal Engine 4平台设计并实现了矿井火灾模拟的研究。本文的主要内容有:为了使得最终的火焰仿真效果更具真实感,通过分析火焰的物理属性,本文采用N-S方程与密度方程相结合的火焰模拟方法,并建立了相应的火焰模型。对建立的火焰模型进行数值解算得到火焰仿真的速度场和密度场,采用修正的Mac Cormack方法求解N-S方程的平流项,采用基于V循环的多重网格法进行压力项的求解。在外力项的求解过程中,添加了漩涡力,利用UE4所见即所得的优点,将漩涡抑制力的强度参数通过编写代码,使其在蓝图中可视化,仿真过程中可以实时的修改参数值,增强了仿真的交互性。在UE4平台上实现火焰仿真,提出一种光线投射算法与UE4相结合的渲染方法,把物理解算所得到的速度场和密度场结果进行纹理映射,通过采样密度值,进行...
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１基于粒子系统的具体步骤??Ｆｉｇ．２．１?Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｓｔｅｐｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｓｙｓｔｅｍ??
流项、扩散项、外力项和投影项，其中求解投射项Ｉ７＿Ｓ＝Ｆ２ｐ的求解，其实就??是对压力泊松方程的求解，本文中把投影项的求解过程改变为压力项的求解。??速度场的具体求解步骤如图３．１所示：??外力作用?平流作用?扩散作用?压力作用??？?ｕｌ?？?ｕｌ?？?ｕｌ??图３．１火焰模拟速度场的求解步骤??Ｆｉｇ３．１?Ｔｈｅ?ｓｏｌｖｉｎｇ?ｓｔｅｐｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｆｉｅｌｄ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｌａｍｅ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ??图中的％为初始化速度场，Ｗ是外力作用影响之后的速度场，Ｗ是平流作??用对速度的影响之后更新的速度场，ｇ是网格之间产生物质交换，扩散作用影??响之后的速度场，￥是压力项求解之后，得到一个无散度的速度场，即流体运??动的速度。??２０??
ＵＰＲＯＰＥＲＴＹ（ＥｄｉｔＡｎｙｗｈｅｒｅ，?ＢｌｕｅｐｒｉｎｔＲｅａｄＷｒｉｔｅ，?Ｃａｔｅｇｏｒｙ?＝?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ）??ｆｌｏａｔ?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ；??改变此值火焰绘制情况，如图３．２所示：??Ｈｉｍ??Ｕ１Ｉ９Ｉ９??Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ＝０?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ＝５?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ＝ｌ?１??图３．２不同漩涡抑制力的火焰仿真情况??Ｆｉｇ３．２?Ｆｌａｍｅ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｖｏｒｔｅｘ?ｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇ?ｆｏｒｃｅｓ??通过上图可知漩涡抑制力的强度越大，火焰的细节表现越好，漩涡效果越明显。??３．２．２平流项求解??平流项为：＝?－即火焰和烟雾模拟时的速度场，速度场是??火焰模拟中最重要的一部分，平流项的作用是使流体沿着速度方向传送密度、??温度、压强等物理量。平流项的求解通常采用Ｓｔａｍ提出的半拉格朗日法｜５５１，此??方法是拉格朗日法和欧拉方法的结合，用逆向追踪和隐式枳分来求解，从每个??网格单元逆向追踪速度场
【参考文献】：
期刊论文
[1]UE 4粒子系统与外部数据通信研究[J]. 孙农亮,玄令岐,刘一清. 郑州大学学报(理学版). 2017(03)
[2]井下烟道在巷道火灾中的作用数值模拟[J]. 张辛亥,丁峰,张玉涛,万旭,苗于惠. 煤矿安全. 2017(04)
[3]矿井胶带运输巷火灾蔓延规律的数值模拟研究[J]. 齐庆杰,王欢,董子文,周新华,李兴华. 中国安全科学学报. 2016(10)
[4]上行风流火灾3D矿井通风系统灾变过程仿真[J]. 李宗翔,王雅迪,李林. 煤炭学报. 2015(01)
[5]多重网格求解动力方程方法研究[J]. 杨强,党亚民,赵文娇,杜彬. 测绘工程. 2014(01)
[6]基于物理的火焰实时渲染[J]. 陈勇,杨克俭. 计算机与现代化. 2011(05)
[7]虚拟煤矿安全培训系统的设计与实现[J]. 唐超礼,黄友锐,李继云,曲立国. 煤矿安全. 2011(02)
[8]虚拟仿真在煤矿安全培训教育中的应用[J]. 沈学利,张纪锁. 计算机系统应用. 2010(11)
[9]地下矿CA粒子系统火灾蔓延仿真[J]. 黄光球,葛亚飞,陆秋琴. 计算机工程与应用. 2010(04)
[10]体绘制方法研究与实现[J]. 丁媛媛,张文强. 电脑知识与技术. 2009(25)
硕士论文
[1]基于粒子系统的煤矿火灾与烟雾仿真关键技术研究[D]. 玄令岐.山东科技大学 2017
[2]流体仿真在火灾场景模拟中的研究与实现[D]. 宋高.电子科技大学 2015
[3]基于GPU的三维烟雾模拟加速技术研究[D]. 姚迪.长安大学 2014
[4]基于N-S方程的实时火焰模拟[D]. 王俊.安徽大学 2014
[5]基于虚拟现实的矿井火灾逃生路径模拟系统的研究[D]. 齐二伟.河南理工大学 2011
[6]虚拟校园系统的研究与实现[D]. 刘福臻.西南交通大学 2008
[7]煤矿安全虚拟现实仿真系统总体设计及关键技术的研究[D]. 代昌标.中国地质大学 2007
本文编号：3234553
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１基于粒子系统的具体步骤??Ｆｉｇ．２．１?Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｓｔｅｐｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｓｙｓｔｅｍ??
流项、扩散项、外力项和投影项，其中求解投射项Ｉ７＿Ｓ＝Ｆ２ｐ的求解，其实就??是对压力泊松方程的求解，本文中把投影项的求解过程改变为压力项的求解。??速度场的具体求解步骤如图３．１所示：??外力作用?平流作用?扩散作用?压力作用??？?ｕｌ?？?ｕｌ?？?ｕｌ??图３．１火焰模拟速度场的求解步骤??Ｆｉｇ３．１?Ｔｈｅ?ｓｏｌｖｉｎｇ?ｓｔｅｐｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｆｉｅｌｄ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｌａｍｅ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ??图中的％为初始化速度场，Ｗ是外力作用影响之后的速度场，Ｗ是平流作??用对速度的影响之后更新的速度场，ｇ是网格之间产生物质交换，扩散作用影??响之后的速度场，￥是压力项求解之后，得到一个无散度的速度场，即流体运??动的速度。??２０??
ＵＰＲＯＰＥＲＴＹ（ＥｄｉｔＡｎｙｗｈｅｒｅ，?ＢｌｕｅｐｒｉｎｔＲｅａｄＷｒｉｔｅ，?Ｃａｔｅｇｏｒｙ?＝?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ）??ｆｌｏａｔ?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ；??改变此值火焰绘制情况，如图３．２所示：??Ｈｉｍ??Ｕ１Ｉ９Ｉ９??Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ＝０?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ＝５?Ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ?Ｓｔｒｅｎｇｔｈ＝ｌ?１??图３．２不同漩涡抑制力的火焰仿真情况??Ｆｉｇ３．２?Ｆｌａｍｅ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｖｏｒｔｅｘ?ｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇ?ｆｏｒｃｅｓ??通过上图可知漩涡抑制力的强度越大，火焰的细节表现越好，漩涡效果越明显。??３．２．２平流项求解??平流项为：＝?－即火焰和烟雾模拟时的速度场，速度场是??火焰模拟中最重要的一部分，平流项的作用是使流体沿着速度方向传送密度、??温度、压强等物理量。平流项的求解通常采用Ｓｔａｍ提出的半拉格朗日法｜５５１，此??方法是拉格朗日法和欧拉方法的结合，用逆向追踪和隐式枳分来求解，从每个??网格单元逆向追踪速度场
【参考文献】：
期刊论文
[1]UE 4粒子系统与外部数据通信研究[J]. 孙农亮,玄令岐,刘一清. 郑州大学学报(理学版). 2017(03)
[2]井下烟道在巷道火灾中的作用数值模拟[J]. 张辛亥,丁峰,张玉涛,万旭,苗于惠. 煤矿安全. 2017(04)
[3]矿井胶带运输巷火灾蔓延规律的数值模拟研究[J]. 齐庆杰,王欢,董子文,周新华,李兴华. 中国安全科学学报. 2016(10)
[4]上行风流火灾3D矿井通风系统灾变过程仿真[J]. 李宗翔,王雅迪,李林. 煤炭学报. 2015(01)
[5]多重网格求解动力方程方法研究[J]. 杨强,党亚民,赵文娇,杜彬. 测绘工程. 2014(01)
[6]基于物理的火焰实时渲染[J]. 陈勇,杨克俭. 计算机与现代化. 2011(05)
[7]虚拟煤矿安全培训系统的设计与实现[J]. 唐超礼,黄友锐,李继云,曲立国. 煤矿安全. 2011(02)
[8]虚拟仿真在煤矿安全培训教育中的应用[J]. 沈学利,张纪锁. 计算机系统应用. 2010(11)
[9]地下矿CA粒子系统火灾蔓延仿真[J]. 黄光球,葛亚飞,陆秋琴. 计算机工程与应用. 2010(04)
[10]体绘制方法研究与实现[J]. 丁媛媛,张文强. 电脑知识与技术. 2009(25)
硕士论文
[1]基于粒子系统的煤矿火灾与烟雾仿真关键技术研究[D]. 玄令岐.山东科技大学 2017
[2]流体仿真在火灾场景模拟中的研究与实现[D]. 宋高.电子科技大学 2015
[3]基于GPU的三维烟雾模拟加速技术研究[D]. 姚迪.长安大学 2014
[4]基于N-S方程的实时火焰模拟[D]. 王俊.安徽大学 2014
[5]基于虚拟现实的矿井火灾逃生路径模拟系统的研究[D]. 齐二伟.河南理工大学 2011
[6]虚拟校园系统的研究与实现[D]. 刘福臻.西南交通大学 2008
[7]煤矿安全虚拟现实仿真系统总体设计及关键技术的研究[D]. 代昌标.中国地质大学 2007
本文编号：3234553
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