气体爆炸模型研究及三维仿真实现

发布时间：2017-10-05 01:24

  本文关键词：气体爆炸模型研究及三维仿真实现

  更多相关文章： 燃气爆炸 算法实现并行化 三维仿真 Unity3D

【摘要】：近些年来,燃气在使用、存贮和运输过程中引发的爆炸事故时有发生,造成了大量的人员伤亡和经济财产损失,因此燃气的安全问题被普遍关注,引起了相关部门的极大重视。但由于燃气的应用领域广泛,且易受外界条件影响,要完全杜绝燃气爆炸事故的发生在现阶段还难以做到,因此研究燃气爆炸模型、分析影响爆炸强度的因素和爆炸的波及范围,以及对爆炸的推演过程进行三维仿真有很大的实用价值。本文的主要工作是编程实现燃气爆炸模型,并利用仿真平台对爆炸的推演过程进行三维展示。以上工作可以细分为四个方面,一是通过对流体动力学、爆炸学、物理力学和燃烧学等领域关键技术的分析研究,建立了由N-S模型、EBU-Arrhenius燃烧模型、k-ε湍流模型等组成的爆炸数值模型；二是在编程求解爆炸数值模型的过程中引入CPU+GPU异构编程机制,利用GPU的高度并行化特点,在CUDA平台上实现并优化燃气爆炸模型算法,克服了数值模型计算耗时长的缺点,大幅度的提高了计算的速度和精度,并保证了计算的实时性；三是提出爆炸事故可视化推演系统的设计方案,并利用Unity3D编程平台进行实现；四是完成与Fluent等平台的对比实验,并分析实验结果。本文的创新点主要有两个,一是首度实现了燃气爆炸物理模型与三维仿真系统的对接,提高了爆炸效果模拟的真实感,也达到了对燃气爆炸突发事件的科学控制。二是利用CPU+GPU异构编程技术对燃气爆炸算法进行了并行优化,克服了以往数值模型因计算时间过长而无法为三维仿真平台提供实时数据的缺点,也提高了算法在时间和精度上的优越性。
【关键词】：燃气爆炸 算法实现并行化 三维仿真 Unity3D
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O38;TP391.9
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-10
• 1 引言10-22
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-20
• 1.2.1 气体爆炸模型研究现状11-15
• 1.2.2 并行计算技术研究现状15-17
• 1.2.3 模型三维仿真领域研究现状17-20
• 1.3 研究目标和内容20-21
• 1.4 论文的组织结构21-22
• 2 基本原理综述22-34
• 2.1 气体爆炸基本原理22-28
• 2.1.1 气体爆炸的基本形式22-23
• 2.1.2 影响气体爆炸的因素23-24
• 2.1.3 气体爆炸的基本参数24-26
• 2.1.4 火焰燃烧加速原理26-28
• 2.2 CPU+GPU异构编程基本原理28-30
• 2.3 三维仿真基本原理30-32
• 2.3.1 层次细节技术31
• 2.3.2 粒子系统31-32
• 2.3.3 碰撞检测32
• 2.4 本章小结32-34
• 3 气体爆炸模型的建立34-44
• 3.1 雷诺平均的N-S方程34-36
• 3.2 湍流模型36-39
• 3.3 燃烧模型39-41
• 3.4 SIMPLE系列算法41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 4 气体爆炸模型的数值计算及并行优化44-62
• 4.1 数值计算44-52
• 4.1.1 确定计算域及边界条件44-45
• 4.1.2 偏微分方程的离散45-50
• 4.1.3 离散方程的求解50-52
• 4.2 并行优化及实现52-60
• 4.2.1 爆炸数值方程并行化设计53-57
• 4.2.2 并行化编程实现57-60
• 4.3 本章小结60-62
• 5 气体爆炸模型的三维仿真62-84
• 5.1 总体设计62-63
• 5.2 搭建三维场景63-69
• 5.2.1 外部场景设计63-68
• 5.2.2 室内场景设计68-69
• 5.2.3 GUI设计69
• 5.3 三维仿真69-83
• 5.3.1 燃气泄漏和扩散效果的实现69-73
• 5.3.2 燃气爆炸效果的实现73-83
• 5.4 本章小结83-84
• 6 效果展示及对比分析84-96
• 6.1 效果展示84-86
• 6.2 对比分析86-94
• 6.2.1 真实感86-88
• 6.2.2 准确度88-93
• 6.2.3 时间性能93-94
• 6.3 本章小结94-96
• 7 总结与展望96-98
• 参考文献98-102
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果102-106
• 学位论文数据集106

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本文编号：973996