矿井火灾过程可视化模拟关键技术的实现方法.pdf

－31－ 矿井火灾过程可视化模拟关键技术的实现方法 范 宁 1，2 袁树杰 1，2 （1、 安徽理工大学能源与安全学院， 安徽 淮南 2320012、 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 232001 ） 1 概述 随着我国煤矿开采规模的不断扩大， 火灾 发生的机率也在不断增加，当火灾发生时如何 迅速准确的掌握矿井通风网络内各种烟气的流 动状态及分布，从而实现正确的指挥现场救灾 尤为重要。 最近几年， 可视化技术和计算机硬件 的高速发展使得三维模拟技术应用得到了飞速 的发展，使我们可以精确地模拟井下火灾的发 展。矿井火灾过程可视化仿真模拟技术是运用 流体力学、 传热学、 燃烧学和矿井通风学的基本 原理，结合数学和计算机可视化技术来实现火 灾过程的仿真模拟。 由于 OpenGL （开放性图形库） 能实现高性 能的三维图形功能和 VC 语言强大的开发功 能， 可以把火灾现场模拟得更加真实， 同时也兼 顾了系统的通用性、 可扩展性， 从而可以很好地 满足矿井火灾模拟系统的设计要求。 2 主要技术的实现方法 2.1 外部三维图形的输入与处理 目前三维技术在国内工程中的应用较为 广泛， 3DS已经成为一种非常普遍的数据格式， 在微机上直接利用 3DS Studio Max 软件制作 3DS格式的三维图形文件也非常容易，因此矿 井工程设计图也可以采用 3DSMAX 软件来绘 制，这样我们就可以很方便地读取和操作这些 已经绘制好的矿井三维图形文件，而不需要在 自己在模拟系统中绘制这些复杂的三维图形， 这样将极大的缩短模拟时间、 降低人力成本， 从 而很快的形成生产力。 要想能够在火灾模拟系统中读取和操作 3DS格式文件首先要对 3DS文件数据结构有一 个清楚地认识， 然后才能设计相关程序。 3DS文 件有一个如图 1 的层次结构。基本块是整个文 件的开头， 其 ID是 4D4D， 编辑程序块表明了程 序数据（物体形体数据定义） 的开始， ID 是 3D3D， 而关键帧块的 ID 是 B000， 其中三角形 列表块和光源块包含的子块在图中没有列出 来， 它们及其 ID分别是 顶点列表块 （4110 ） 、 顶 点选项块 （4111 ） 、 面列表块 （4120 ） 、 面材质块 （4130 ） 、纹理映射坐标（4140 ） 、面平滑组块 （4150 ） 、局部坐标轴块 （4160 ） 、标准映射 （4170 ） 、 RGB颜色块 （0010 ） 、 24 位 RGB 颜色块 （0011 ） [1]。 在了解其文件结构后，就可以通过编写 VC 和 OpenGL 结合的程序来实现文件内容 的读入。首先要在程序中先定义要绘制对象的 一系列数据结构， 如材质、 位置矢量、 RGBA、 颜 色、 关键帧等， 然后根据这些数据结构通过三角 形近似， 在模拟系统中显示 3DS 文件图形。首 先先定义一个对象类 CTriObject , 主要用于处 理 3DS文件中的各种对象， 主要包括以下成员 变量 Float* x,y,z// 对象的几何坐标 Float* nx,ny,nz// 对象的法向量 Int* faces// 对象面的数目 Int numfaces tMaterials materials// 对象的材质 再 定 义 一 个 3DS 文 件 的 读 入 类 C3dsReader 主要将 3DS 文件中的内容读入到 上述 CTriObject 类中，根据内容不同采用不同 的读入函数， 部分读入函数如下 Int is3DSfilefile* fp Int Read3DSChunkfile* fp,Chunk3DS fori0;inumfaces;ii3{ glColor3f0.0f,0.0f,0.0f glVertex3fx[faces[i]],y[faces[i]],z [faces[i]] glVertex3fx[faces[i1]],y[faces [i1]],z[faces[i1]] glVertex3fx[faces[i2]],y[faces[i2]],z[faces[i2]] } glEnd 2.2 烟气及火焰的模拟 2.2.1 模型的建立 建立恰当的烟气及火焰模型， 是矿井可视 化模拟的重要组成部分，根据烟气流及火焰的 特点， 目前最优的模型应该是粒子模型了， 粒子 系统算法是由 Reeve 于 1983 年提出的为模拟 不规则模糊物体建模的算法，其基本思想是把 模糊物体看作是不规则的、 随机分布的粒子团， 把粒子看作是简单的点，并忽略粒子间的相互 作用， 各粒子均有自己的属性， 如颜色、 形状、 大 小、 生命周期、 速度等， 系统在不同时刻的状态 由粒子的动力学性质决定，粒子随时间的推移 而不断地运动并改变状态。粒子模型的这些特 征， 使得烟气流及火焰的模拟更加逼真。 用于模拟火焰和烟流的粒子具备以下几 个特征参数 位置、 大小、 速度、 加速度、 颜色等 [2]。 每个特征参数都要给出确定的变化范围。 因 此可以定义粒子模型的基本结构如下 Partic {Position , Size , Speed , Accel- erateSpeed , Color , Life }; Position{pX,pY,pZ}; Speed{sX,sY,sZ}; AccelerateSpeed{aX,aY,aZ}; Color{cRed,cBlue,cGreen}; Speed{sX,sY,sZ}; AccelerateSpeed{aX,aY,aZ} 我们可以根据这一基本结构利用程序来 实现烟气流和火焰的模拟，首先我们需要分别 为火焰和烟气流建立一个类，在类中有这样一 些函数粒子的初始化、描述粒子运动时的状 态， 管理生命周期。其中初始化应该包括 根据 给出粒子各属性值的范围，在范围内根据一定 的随机过程初始化粒子的所有属性。 粒子的运动由粒子的动力学性质决定， 先 仅考虑风力和重力， 首先定义风的基本结构 Wind { Speed , AccelerateSpeed }; Speed{sX,sY,sZ}; AccelerateSpeed{aX,aY,aZ} 假定重力加速度是一常矢量 g{0,9.8,0}， 风力随时间不断变化， 引入风力加速度 Wt{ Wxt,Wyt,Wzt}。速度反映了粒子运动时的状 态， 而加速度反映了粒子运动的趋势。 设粒子的 速度和加速度分别为 vt和 at， atWtg， t 为 时间参数，则有 vv0∫adt ;s s0∫vdt. 粒子消亡有两种情形 一种是其生命到了 尽头而自然消失； 另一种是生命尚存在， 但由于 超出了屏幕边界而中途夭折，第一种情况可以 设置它的生命长度，随着时间的推移生命时间 的减少来控制，而第二种可以根据检测粒子是 否到了屏幕的边界设置它是否死亡。在粒子场 中， 随着旧粒子的不断消亡， 活的粒子数量将不 断减少，因此必须根据实际情况不断地产生一 定数量的新粒子， 以模拟火灾不断燃烧的过程。 2.2.2 碰撞过程设计 在火焰和烟流的模拟中， 对于如何判断粒 子在流动过程中是否遇到了障碍，采取的是以 固定的空间限制烟流的运动来实现[3]。 具体方法 是， 火焰燃烧的空间是已知的， 也即受限空间的 高度和宽度已知，当烟流粒子的高度等于受限 空间的高度时， 获得一个 摘要论述了矿井火灾可视化关键技术的实现方法， 包括外部三维图形的输入与处理、 烟气及火焰的模拟， 给出了相关模型及参数。 关键词矿井火灾； 模拟； 可视化 （下转34页）图 1 3DS 文件的层次结构 科技论坛 －34－ 反弹力 N， 它产生了加速度 f， 这个反弹力同样是一个随机的、大小局限在一 定范围的弹力， 此时 atWtgf。 用程序语言描述为 ifPosition.pYWallHeight atWtg; else atWtgf; 对于水平方向的碰撞可以采用相同的方 法解决。 3 结论 通过以上论述， 采用通过从外部读入模型 文件的方法和粒子算法基本可以解决火灾的实 时可视化问题。但是， 由于火灾模拟相当复杂， 笔者只是对火灾可视化一些关键技术应用做了 初步探索，要使软件系统能够完全适用于火灾 实时可视化， 还需要解决很多问题。 参考文献 [1]和平鸽工作室.OpenGL 高级编程与可视化系 统开发 高级编程篇[M].北京 中国水利水电出 版社. 2002 68-75. [2]张芹， 吴慧中， 谢隽毅待.基于粒子系统的火 焰模型及其生成方法研究[J]. 计算机辅助设计 与图形学学报， 2001， 13 （1 ） 78-82. [3]杜红兵， 戚宜欣， 马国超等.粒子系统算法在 建筑火灾可视化研究中的应用[J]. 中国安全科 学学报， 2002， 12 （3 ） 19-22. 作者简介范宁 （1985 ） ， 男， 安徽繁昌人， 2006.7 毕业于安徽理工大学信息与计算科学专 业，现为安徽理工大学安全工程及技术专业硕 士研究生， 研究方向为计算机在安全中的应用， 主要研究火灾的可视化技术及实现方法。 袁树杰 （1963） ， 男， 安徽蒙城人， 博士， 2005 年 5 月在波兰 AGH 理工大学获得安全工 程博士学位。现为安徽理工大学能源与安全学 院教授， 硕士生导师， 波兰 AGH 理工大学客座 教授， 研究方向为安全技术及工程。 生物医用镁合金材料熔炼技术研究 李 智 （成都医学院 药学院， 四川 成都 610083 ） 镁作为医用植入材料， 与现在已投入临床 使用的各种金属植入材料相比，具有许多优点 由于其生物学性能较好，作为生物材料的研究 也成为近年的热门[1]。 为了获得杂质含量少， 纯洁度高， 成分准 确的优质金属材料，一般熔炼方法已不能满足 要求，采用真空熔炼是获得优质材料的有效手 段。 真空熔炼使在常压下进行的物理化学反 应条件有了变化，主要体现在气相压力的降低 方面。 随着气相压力的降低， 使一切反应都向存 在气相的方向发展。 对冶金过程来讲， 这不仅影 响热力学条件的变化，而且影响冶金生产中更 有现实意义的动力学条件的变化。 1 真空熔炼过程相关问题 合金熔体中组元的挥发损失量与熔体温 度、 真空室中的压力、 初始熔炼合金的量及熔炼 时间有关。为了减少合金在熔炼过程中成分的 变化，在合金熔炼过程中应该采取一些必要的 措施[2]。 1.1 往真空室反充氩气增加真空室中的压 力 气体总压力对组元挥发损失速率的大小 有着重要的影响，可以用下面的公式来表示某 一合金中所有挥发元素在熔体温度为时所需的 阻塞压力 Pimpe’ 即Pimpe C Pei’ max 式中 Pimpe熔体组元挥发的阻塞压力； Pei’ max熔体各个挥发组元的饱和蒸汽压 中的最大值； C大于 1 的常数，一般考虑到时间的因 素其取值在 1.31.5 之间。 在合金的熔炼保温过程中， 在设备允许的 条件下可以向真空室中充入惰性气体使得真空 室总压 P 的大小大于在该条件下的熔体组元挥 发的阻塞压力 Pimpe，并且维持真空室总压 P 的 不变，通过这样反充气体的方法可以明显的减 小熔体中元素的挥发损失量。 实践证明， 只要充 入 1.01104Pa 的惰性气体， 就能使挥发损失大 为降低[3]。 1.2 熔化室内氮气、 水蒸气、 氧气分压的控 制 为了控制镁合金熔体中氮气、水蒸气、 氧 气溶解度， 单靠熔化炉真空泵是远远不够的。 可 采用多次抽真空反充惰性气体氩气方法，来稀 释熔化室内的残留气氛，使熔化室内的实际氮 气、 水蒸气、 氧气分压降低很多。 1.3 控制加热功率不要让熔体温度过高 熔炼过程中都是采取阶梯加载的方式， 这 样做至少有两方面的好处，一方面可以让炉料 中的水分以及粘附的有机物有充足的时间挥发 掉；另一方面可以防止金属液的飞溅甚至 “ 热 爆 “ 的产生， 使熔炼过程平稳进行。 2 镁合金制备前的准备工作 2.1 配料 原材料中的纯镁用特级，纯锌用 0 号锌 锭， 稀土直接加入， 锰以 MnCl2加入。装料不得 超过其容量的 90， 以免操作时溢出。 2.1.1 制备镁合金的配料操作注意事项 a.根据所配合金的主成分要求， 来确定主 要元素的计算成分。 以 10g合金作为配料基数， 从而计算出该炉的合金总量。 b. 对于入炉的单质和中间合金或混合盐， 在加入前要预热到 120150℃。如 MnCl2加入 前， 必须经过烘烤。 2.1.2 制备镁合金各金属加入量的计算 各 金 属 加 入 按 Zn2.0 ， RE1.0 ， Mn 0.5， Ca0.5计算， 以 10g镁为基础。 Zn 加入 0.2g Zn， 则 （100.2 ） 10.2g 合金 中含 98.04Mg， 1.96Zn。 RE 加入 0.1g RE, 则 （100.20.1 ） 10.3g 合金中含 97.09Mg， 1.94Zn,0.97RE。 Ca 加入 0.05g Ca, 则 （100.20.10.05 ） 10.35g 合金中含 97.09Mg， 1.93Zn,0.97 RE,0.48Ca。 Mn 10g 特级镁中含有 0.0003gMn，加入 0.05gMn，则（100.20.10.050.05 ） 10.4g 合 金中含 96.15Mg， 1.92Zn,0.96RE,0.48Ca, 0.48Mn。 此种计算方法尽管理论上符合合金的成 分要求，但实际熔炼中还要考虑各种金属的损 失量。 镁的烧损率按 3计， 锌的烧损率按 0.5 计， 锰的损失量按 1计。钕的损耗随熔铸条件 而变， 一般为 10～15。 2.2 熔炼合金工艺 2.2.1 熔炉准备 将炉料放入炉内， 进行烘炉。烘炉时要缓 慢升温。并在 150～200℃保温以烘尽水分。 2.2.2 将坩埚预热 400500℃， 装上经过预 热的炉料， 镁， 锌， 钙等。炉料预热至 150℃以 上。 2.2.3 开始抽真空， 经过 5 次反充惰性气体 氩气使真空度分别至 103Pa， 102Pa ， 10Pa 再抽 真空。 2.2.4 通入氩气使炉内压力达到 1.01 105Pa 稳定后， 升温熔化。升温至 730～780℃， 保温 10～20min。 2.2.5 切断电源， 停止加热。 继续通入氩气， 使镁合金随炉冷却。 按照以上熔炼工艺， 可以熔炼出杂质含量 少， 成分稳定的镁合金。 能够满足生物医用材料 的要求。 参考文献 [1]李龙川， 高家诚， 王勇.医用镁合金的腐蚀行 为与表面改性[J].材料导报， 2003， 1710 29-32. [2]苏彦庆， 郭景杰， 刘贵仲.有色合金真空熔炼 过程熔体质量控制[M].哈尔滨 哈尔滨工业大 学出版社， 2005. [3]吴婕， 吴凤鸣.新型口腔生物医用材料镁 及镁合金[J].口腔医学， 2007， 27 （3 ） 159-161. 摘要镁合金具有优良的机械及加工性能且镁是可被人体吸收的常量元素。 在医用植入材料领域具有广阔的应用前景。 介绍了用高纯度的原 材料和高洁净度的熔炼技术来制备生物医用镁合金材料。 关键词镁合金； 生物医用材料； 熔炼； 密封炉 （上接31页） 科技论坛