基于室內(nèi)環(huán)境下火焰煙霧擴(kuò)散和仿真模擬研究

鄒 寧，周 飛，韓慶陽，趙建國

（河南師范大學(xué)，河南 新鄉(xiāng) 453007）

據(jù)相關(guān)資料可知，火災(zāi)是人類所面臨的最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，室內(nèi)環(huán)境下發(fā)生的火災(zāi)，其產(chǎn)生的濃煙危害性非常大?；馂?zāi)中被濃煙熏死嗆死的人數(shù)是燒死者的4～5倍。在一些火災(zāi)中，很多被“燒死”的人實際上是先煙氣中毒窒息死亡之后又被火燒的。本文模擬仿真煙霧的擴(kuò)散過程，使得室內(nèi)環(huán)境下求生者在火災(zāi)發(fā)生中，懂得如何去應(yīng)對自救，更好地脫離危險。

1 煙霧擴(kuò)散研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外對煙霧擴(kuò)散和仿真的研究和分析越來越多。Barnes等[1]提出了一種計算粒子間作用力的方法，它用樹結(jié)構(gòu)來存儲每個粒子，對每個粒子通過周游樹的各個子區(qū)域的質(zhì)心來計算其所受到的力。這樣會造成粒子提前碰撞，降低碰撞檢測的精度。Stam等[2]等給煙霧微粒定義了濃度函數(shù)，在微粒繪制時根據(jù)其濃度的大小來調(diào)節(jié)微粒顏色的深淺，湛永松等[3]在前者的基礎(chǔ)上加入了風(fēng)力對濃度的影響，但這類算法都不能從物理層面真實模擬微粒的運(yùn)動。為保證系統(tǒng)繪制效果的真實性及實時性，本文采用紋理映射技術(shù)以提高圖形的真實感。

2 煙霧粒子的擴(kuò)散

2.1 紋理映射技術(shù)

紋理映射技術(shù)是由美國猶他大學(xué)的Catmull提出的一種計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，可有效提高計算機(jī)圖形真實感。紋理映射技術(shù)通過將二維圖像映射到三維物體的表面來產(chǎn)生真實感較強(qiáng)的三維效果[4]。紋理映射技術(shù)優(yōu)勢在于避免用多邊形表示場景模型的每個細(xì)節(jié)，減少了場景模型的多邊形數(shù)目，使圖形的顯示速度得到較大提高。該技術(shù)在不增加模型的基本幾何復(fù)雜度的前提下增加了模型的真實感。

2.2 煙霧粒子的初始屬性

煙氣流動是室內(nèi)環(huán)境火災(zāi)中的主要現(xiàn)象之一，火災(zāi)煙氣運(yùn)動的數(shù)值模擬有利于人們了解火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展及煙氣擴(kuò)散過程。煙霧通過無數(shù)小顆粒隨機(jī)運(yùn)動產(chǎn)生，每個粒子具有一定的屬性，其屬性在粒子誕生時會被初始化，火焰產(chǎn)生的煙霧透視圖如圖1所示。

粒子的外觀屬性是形狀、大小、透明度；運(yùn)動屬性是位置和速度。其速度包括大小和方向，是模擬粒子動態(tài)變化的關(guān)鍵屬性。本文主要針對粒子的位置、形狀、大小、透明度和生命周期進(jìn)行分析。

圖1 火焰煙霧透視圖

煙霧粒子系統(tǒng)的維度和粒子生成區(qū)域決定煙霧粒子初始位置，粒子的前一位置和速度決定下一粒子的位置；煙霧粒子系統(tǒng)中的粒子初始形狀可定義為點(diǎn)，其大小決定生成圖像的分辨率和粗糙度，應(yīng)根據(jù)煙霧模擬效果的要求和系統(tǒng)的計算能力進(jìn)行折中；粒子初始亮度最亮，透明度為假設(shè)為1.0；粒子生成時可人為定義粒子的初始生命，本文定義其為1.0。

2.3 粒子屬性的變化及消亡

粒子產(chǎn)生并進(jìn)行初始化后，按照預(yù)定運(yùn)動模式在系統(tǒng)中運(yùn)動。每一幀中，粒子屬性都隨著運(yùn)動和行為狀態(tài)的變化而改變。粒子前一幀的速度和受力情況決定其下一幀的運(yùn)動速度；前一幀的位置和運(yùn)動速度決定其下一幀的位置。

2.3.1 外觀屬性的變化

粒子外觀屬性的形狀和大小如果不發(fā)生粒子碰撞和融合，基本不會發(fā)生變化。隨時間不斷發(fā)生變化的為粒子的顏色和透明度。透明度變化的公式如下：

2.3.2 生命周期的變化

粒子生命周期隨時間不斷減少，當(dāng)其值為零時粒子生命結(jié)束，變化公式如（2）式所示。

其中L(i+1) 為(i+1)時刻粒子的生命值，L(i)為i時刻粒子的生命值，ΔL為每一幀的粒子生命的衰減值，T為系統(tǒng)時間。

2.3.3 粒子消亡

粒子的消亡是粒子產(chǎn)生后由于某種原因從系統(tǒng)中被刪除的過程。其消亡的原因主要有兩種：（1）粒子的生命周期已減少到零，粒子壽命已盡。（2）粒子的生命還存在，但隨著煙霧擴(kuò)散，粒子透明度不斷降低，當(dāng)粒子的透明度降為零時，粒子消亡。

2.4 粒子的繪制

本文對火焰、煙霧的粒子模擬過程大致如下：（1）新粒子生成并加入到系統(tǒng)中；（2）系統(tǒng)為新粒子賦初值；（3）刪除系統(tǒng)中壽命結(jié)束的粒子；（4）根據(jù)運(yùn)動規(guī)律及相關(guān)算法對剩余粒子進(jìn)行位置移動和狀態(tài)更新；（5）繪制、顯示有效粒子組成的圖像。

3 煙火仿真模擬

3.1 煙霧模擬流程

在室內(nèi)環(huán)境下，火災(zāi)發(fā)生時，煙霧粒子具有流動性和運(yùn)動的無規(guī)律性。故可以利用粒子系統(tǒng)對火焰進(jìn)行模擬并繪制，刻畫其煙霧粒子的運(yùn)動規(guī)律，最后利用紋理映射技術(shù)增強(qiáng)火焰粒子模擬效果的真實感與實時性[5]。

根據(jù)煙霧粒子的屬性，運(yùn)用紋理映射技術(shù)進(jìn)行繪制其生成、運(yùn)動、消亡的過程，模擬出煙霧軌跡。紋理貼圖煙霧模擬流程如圖2所示。

圖2 紋理貼圖煙霧模擬流程

3.3 N-S方程

煙霧在擴(kuò)散過程中出現(xiàn)渦流效果，若只考慮煙霧所受外力對其運(yùn)動的影響不能很好描述其渦流效果[6]。為形象描述渦流效果，基于牛頓第二定律定義煙霧為不可壓縮的氣體，利用納維-斯托克（Navier-Stokes，N-S）方程，描述黏性不可壓縮流體動量守恒的運(yùn)動方程。通過對模型方程進(jìn)行求解來描述煙霧的運(yùn)動過程。

N-S方程表示為：

其中ρ是煙霧粒子的密度，p是壓力；u，ω是煙霧粒子在t時刻，在點(diǎn)（x，y，z）處的速度分量。T和T0分別是當(dāng)前時間和初始時間，Z是外力的分量，常數(shù)μ是動力黏性系數(shù)。式中g(shù)為重力加速度；h為單位質(zhì)量流體克服阻力做功而引起的機(jī)械能損失。

本研究基于物理的煙霧模擬算法對上述方程求解，得到煙霧粒子的運(yùn)動模型。

4 結(jié)語

本文基于仿真模擬煙霧的擴(kuò)散過程，較為真實地刻畫出煙霧粒子的運(yùn)動軌跡及其粒子初始、變化、消亡的過程，加深人們對煙霧本身屬性和其擴(kuò)散方式感性的認(rèn)識，克服在室內(nèi)環(huán)境下發(fā)生火災(zāi)時對火焰的恐慌心理。人們可根據(jù)煙霧的擴(kuò)散方式，采取更有效、更合理的自救措施。本文集中研究了煙霧的擴(kuò)散、模擬煙霧的變化和N-S方程求解煙霧運(yùn)動過程，對以后煙霧擴(kuò)散和濃度的進(jìn)一步研究有著重要的理論參考作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]BARNES J，HUT P.A hierarchical O（NlogN）force calculation algorithm[J].Nature，1986（324）：446-449.

[2]STAM J，F(xiàn)IUME E.Turbulent wind fields for gaseous phenomena[J].Computer Graphics，1993（4）：369-373.

[3]湛永松，石民勇，費(fèi)廣正.基于物理模型的實時卡通煙霧模擬算法[J].中國圖象圖形學(xué)報，2007（2）：261-265.

[4]中國建材網(wǎng).寺廟建筑防火對策及滅火技術(shù)研究[EB/OL].（2015-10-27）[2018-04-17].https://www.bmlink.com/zt/25354/zq131326.html.

[5]胡春花，陳曉梅，陳仕鴻.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在兒童室內(nèi)火災(zāi)逃生教育中的應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2016（4）：934-939.

[6]劉斕，徐健鋒，劉群.基于微粒群優(yōu)化的煙霧擴(kuò)散的實時研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2012（2）：179-181，234.