基于数值模拟的矿井火灾虚拟再现方法研究.pdf

★煤矿安全 ★ 基于数值模拟的矿井火灾虚拟再现方法研究 王海燕 赵洪泽 中国矿业大学北京资源与安全工程学院,北京海淀区, 100083 摘 要 研究了虚拟现实技术与CFD技术耦合原理,提出了利用数值模拟结果真实再 现矿井火灾场景的方法。在矿井火灾流场中引入了离散颗粒相,利用颗粒位置、速度、温度 参数控制虚拟环境中烟气的运动特征和色彩特征。以综采工作面及联络巷道为模拟场景,再 现了矿井巷道火灾烟流流动现象。 关键词 矿井火灾 数值模拟 虚拟现实 耦合 国家自然科学基金项目项目编号 50474031 1 虚拟现实技术与CFD技术耦合特征 虚拟现实技术是在计算机图形学、计算机仿真 技术、人 机接口技术、多媒体技术以及传感技术 的基础上发展起来的一门交叉技术,其基本技术特 征是Immersion - Interaction - Imagination 沉浸 交互 构想。通过虚拟现实的手段可以生动地 表现科学数据的内部规律与计算过程,主要表现系 统中,信息的种类、结构、流程以及相互间的作用 等,从而解决无法定量,且定性又很难准确表达的 问题。 CFD通过计算机模拟获得某种流体在特定条 件下的有关信息。其模拟的目的是建立理论和模拟 的数学模型,在工程上支持设计过程并做出决断。 CFD模拟能够基于自然界的基本定律对流场中各 参数的变化做出近似的计算。通常CFD模拟软件 后处理功能可以看到流场中面上或切面上的浓度 场、速度矢量场、温度场、压力场等的静态画面, 但是却无法看到这些场随时间的动态变化。尽管有 些CFD软件已经可以做流场变化的动画,但是也 仅限于对某一个断面的动态显示,而且只是场变量 的变化,而没有物体实际的特征,因此看起来仍不 能更为直观和真实,使用者也不能与其进行交流和 互动。 将虚拟现实技术与CFD模拟技术相结合,可 以真实再现巷道中烟气的运动和变化规律,为非专 业人员提供更为直观的现场状况。 2 矿井火灾虚拟现实技术与CFD技术耦合方法 矿井火灾过程中,燃料通常不会发生完全燃 烧,存在诸如析出的碳颗粒、灰等固体颗粒。因 此,可以利用这些颗粒在流场中随烟流流体的运动 以及颗粒与高温烟流间的换热、建立起颗粒与烟流 温度场变化的规律,这些颗粒的位置、速度变化和 温度变化可以体现出流体运动的外部变化特征。 加入微小颗粒的流场变化除遵循质量守恒、能 量守恒、动量守恒三大定律外,对颗粒运动与流场 运动的关系采用以下方法进行模拟。为尽量减小加 入的颗粒对流场产生大的影响,考虑颗粒粒径为1 10 - 7 m均匀分布的球形灰粒,其在每隔一定时间 随燃料一同进入流场,颗粒随流场流动过程中不发 生磨蚀或沉积,但要考虑重力的影响。 当颗粒穿过流体单元时,颗粒吸收或释放的热 量作为源相作用到连续相的能量方程中。颗粒在壁 面边界巷道壁上碰撞后的动量作反射处理,即 碰撞后保持法向和切向动量大小不变,到达入口和 出口边界上,则颗粒生命周期停止,停止对该颗粒 的轨道计算。根据获得的颗粒随时间变化的位置、 速度和温度信息,为矿井火灾虚拟环境中烟气运动 提供基础。 粒子系统是迄今为止被认为模拟不规则景物最 成功的一种图形生成算法,它采用了一套完全不同 47 中国煤炭第33卷第7期2007年7月 于以往造型、绘制系统的方法构造、绘制景物。景 物被定义为由成千上万个不规则的、随机分布的粒 子组成,它们不断改变形状、不断运动。利用矿井 火灾数值模拟过程,可以得出固定间隔时间段的火 焰或烟流粒子的空间位置和温度、速度等详细参数 值,并可按照文本文件格式进行存储,因此可以从 中提取出需要的颗粒的位置参数、速度矢量参数和 温度参数。用已经模拟好的火焰及烟流的粒子点的 轨迹位置文本文件中的粒子位置参数,在虚拟场景 中绘出粒子点,对两个时间之间粒子运动轨迹采用 速度值进行平均插值。 火灾燃烧过程中,产生的烟气的颜色随着温度 而变化。因此对粒子的颜色,根据温度参数来控 制。颜色与温度的相关性较大,通常用色温来计 算。但是目前的科学水平对于色温的计算方法还不 是很成熟,通常借助于查表的方式进行。对于数值 模拟的大量温度数据而言,直接由温度确定粒子色 彩的三色比还存在困难,因此对色彩、温度的依赖 性进行简单处理,采取分段的方式进行,即对应某 一温度段,采用某种色彩表示。 3 矿井火灾的虚拟再现 311 矿井火灾虚拟现实系统构成 对煤矿巷道和工作面火灾、烟雾的模拟,需要 建立三维井巷和工作面场景。主要对燃烧、火焰、 烟雾的运动与CFD模拟结果的结合进行研究。因 此,根据结合的特点,采用WTK虚拟现实软件包 和Microsoft公司的Visual C 作为主要的开发 工具, WTK作为实现最终体现的软件平台, Vis2 ual C 完成相关代码的编写。 由于煤矿井下场景复杂、光线控制较多,应用 计算机进行矿井环境三维建模难度较大。对于模拟 矿井火灾燃烧场景,由于火灾的瞬时发生和实时变 化,并且无固定形状,模拟难度更大。因此,采用 MultiGen Creator实现井下场景如巷道物理模 型的三维建模,利用粒子系统表现矿井火灾中火烟 的模型,应用Visual C 610语言完成调用 OpenGL图形库中的粒子函数表现烟气及其与 CFD数值模拟结果的结合以及WTK软件相关代 码的编制,在微机上实现矿井火灾的重现。 烟流绘制程序如下 CStdioFile file; CString temp , strX, strY, strZ; file1Open“fireData1txt “ ,CFile modeRead , NULL ; int n 0 ; double dX 010 , dY 010 , dZ 010 ; glPushMatrix ; glPushAttrib GL _ COLOR _ BUFFER _ BIT |GL _ CURRENT _ BIT ; glPointSize 510 ; glTranslatef 010 , 174510 , 500010 ; glRotated 180 , 110 , 010 , 010 ; glRotated 90 , 010 , 110 , 010 ; glBegin GL _ POINTS ; { for int j 0 ; j 20 ; j { file1ReadString temp ; file1ReadString strX ; file1ReadString strY ; file1ReadString strZ ; for int i 0 ; i 56 ; i { n strX1Find “ “ , 1 ; temp strX1Left n ; dX atof temp ; strX strX1Mid n 1 ; n strY1Find “ “ , 1 ; temp strY1Left n ; dY atof temp ; strY strY1Mid n 1 ; n strZ1Find “ “ , 1 ; temp strZ1Left n ; dZ atof temp ; strZ strZ1Mid n 1 ; glColor3f 0115 , 0115 , 0115 ; glVertex3d rand / 20000 dX, rand / 20000 dY, rand / 20000 dZ ; } } } glEnd ; glPopAttrib ; glPopMatrix ; 火焰部分采用动态纹理贴图的方法实现,实现代码为 WTtexture _ cache “ fire/f01tga“ , FALSE ; ⋯⋯; WTgeometry _settexture WTnode _getgeometry node ,“ fire/f01tga“ , FALSE , TRUE ; 57 基于数值模拟的矿井火灾虚拟再现方法研究 在mytask函数中交替变换火焰纹理 WTgeometry _ changetexture WTnode _ getgeometry node ,“ fire/f11tga“ , FALSE , TRUE ; 312 场景模拟案例 我国目前大中型煤矿在煤层地质条件允许的条 件下均采用综合机械化采煤,而综合机械化采煤工 作面的瓦斯爆炸在全部煤矿瓦斯爆炸中所占的比率 比较大。因此场景模拟位置为综采工作面及其相关 的运输巷道和设备。 综合机械化采煤就是把回采工作面的落煤、装 煤、运煤、支护和处理采空区等几个主要工序全部 实行机械化连续作业。综采工作面的主要设备包 括双滚筒机体两端各一个采煤机、可弯曲刮 板输送机和液压自移支架等。运输也是综合机械化 采煤的一个重要环节和工艺。采煤机截割的煤经由 刮板输送机到运输回风巷道,通过桥式转载机到胶 带输送机运送到运输大巷或直接到井底车场储煤仓 中。运输巷道底主要设备有皮带输送机和桥式转载 机。其余还有其他的辅助设备,包括工字钢支护、 防爆水袋等见图 1 。 313 烟流流动现象的虚拟再现 图2为根据CFD计算软件FLUENT模拟的 结果完成的综采工作面巷道内烟流滚退现象的虚拟 现实重现效果图。 4 结论 1分析了虚拟现实技术与CFD技术耦合再 现矿井火灾过程的可行性。虚拟现实技术具有沉浸 交互 构想的特征,利用虚拟现实技术平台可以 构建实际物理模型,用户可进入模型内部观察内部 的变化状态。CFD技术是基于自然界基本守恒定 律求解复杂流动现象的基础,其模拟结果反映了真 实流体的实际流动特征。因此,可以利用虚拟现实 平台实现实际物体形状的表现,对其中烟气等流体 的变化,包括位置、颜色等,采用烟气的CFD模 拟结果进行控制。 2研究了矿井火灾虚拟现实技术与CFD技 术耦合方法。提出利用矿井火灾过程中,燃料并未 完全燃烧而析出的碳颗粒、灰等固体颗粒的状态参 数,控制虚拟环境中矿井火灾烟气运动和外部特征 变化。在矿井火灾数值模拟过程中在流场中加入微 小固体颗粒,获得火灾过程中颗粒随时间变化的运 动轨迹和温度。利用粒子系统代表虚拟环境中高温 烟气,固体颗粒的运动轨迹和温度赋予粒子,从而 实现了矿井火灾过程烟气流动的真实再现。 3根据上述方法,以综合机械化采煤工作面 及运输巷为基础,采用MultiGen Creator和Visual C 610语言以及CFD数值模拟结果,在WTK 虚拟现实平台上再现了矿井巷道火灾烟流流动现 象,证明了虚拟现实技术与CFD技术耦合方法的 可行性和正确性。 参考文献 [1 ] Timothy Walsha1Virtual reality for explosion/fire prevention and management [Doctor degree thesis ]1Uni2 versity of Nottingham , 1999 [2] 戚宜欣,夏征义1 虚拟现实技术在安全工程中的应 用[J ]1 中国安全科学学报, 199916 , Vol19 , No16 49 - 53 [3] 杜红兵,戚宜欣,马国超等1 粒子系统算法在建筑 火灾可视化研究中的应用 1 中国安全科学学报, 2002 , Vol112 , No13 19 - 22 [4] 张茂军1 虚拟现实系统[M]1 北京科学出版社, 2001 [5] FLUENT1Inc1The FLUENT user guide [ M ]1 CenterraResourcePark10CavendishCourtLebanon , NH0376612001 [6] S1A1Morsi , A1J1Alexander1An investigaton of particle trajectories in two - phase flow systems1J1Fluid Mech1, 197219 , 55 2 193 - 208 [7] W1E1Ranz , W1R1Marshall , Jr1Evaporation from drops , part 11Chem1Eng1Prog1, 48 3 141 - 146 , 195213 [8] W1E1Ranz , W1R1Marshall , Jr1Evaporation from drops , part 21Chem1Eng1Prog1, 48 4 173 - 180 , 195214责任编辑 孔晋华 67 中国煤炭第33卷第7期2007年7月