基于室內環境下火焰煙霧擴散和仿真模擬研究

鄒 寧，周 飛，韓慶陽，趙建國

（河南師范大學，河南 新鄉 453007）

據相關資料可知，火災是人類所面臨的最嚴重的災害之一，室內環境下發生的火災，其產生的濃煙危害性非常大。火災中被濃煙熏死嗆死的人數是燒死者的4～5倍。在一些火災中，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散過程，使得室內環境下求生者在火災發生中，懂得如何去應對自救，更好地脫離危險。

1 煙霧擴散研究現狀

近年來，國內外對煙霧擴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，它用樹結構來存儲每個粒子，對每個粒子通過周游樹的各個子區域的質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，在微粒繪制時根據其濃度的大小來調節微粒顏色的深淺，湛永松等[3]在前者的基礎上加入了風力對濃度的影響，但這類算法都不能從物理層面真實模擬微粒的運動。為保證系統繪制效果的真實性及實時性，本文采用紋理映射技術以提高圖形的真實感。

2 煙霧粒子的擴散

2.1 紋理映射技術

紋理映射技術是由美國猶他大學的Catmull提出的一種計算機圖形學技術，可有效提高計算機圖形真實感。紋理映射技術通過將二維圖像映射到三維物體的表面來產生真實感較強的三維效果[4]。紋理映射技術優勢在于避免用多邊形表示場景模型的每個細節，減少了場景模型的多邊形數目，使圖形的顯示速度得到較大提高。該技術在不增加模型的基本幾何復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

煙氣流動是室內環境火災中的主要現象之一，火災煙氣運動的數值模擬有利于人們了解火災的發生、發展及煙氣擴散過程。煙霧通過無數小顆粒隨機運動產生，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，是模擬粒子動態變化的關鍵屬性。本文主要針對粒子的位置、形狀、大小、透明度和生命周期進行分析。

圖1 火焰煙霧透視圖

煙霧粒子系統的維度和粒子生成區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；煙霧粒子系統中的粒子初始形狀可定義為點，其大小決定生成圖像的分辨率和粗糙度，應根據煙霧模擬效果的要求和系統的計算能力進行折中；粒子初始亮度最亮，透明度為假設為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

粒子產生并進行初始化后，按照預定運動模式在系統中運動。每一幀中，粒子屬性都隨著運動和行為狀態的變化而改變。粒子前一幀的速度和受力情況決定其下一幀的運動速度；前一幀的位置和運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生粒子碰撞和融合，基本不會發生變化。隨時間不斷發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，當其值為零時粒子生命結束，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為系統時間。

2.3.3 粒子消亡

粒子的消亡是粒子產生后由于某種原因從系統中被刪除的過程。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，但隨著煙霧擴散，粒子透明度不斷降低，當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中；（2）系統為新粒子賦初值；（3）刪除系統中壽命結束的粒子；（4）根據運動規律及相關算法對剩余粒子進行位置移動和狀態更新；（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

在室內環境下，火災發生時，煙霧粒子具有流動性和運動的無規律性。故可以利用粒子系統對火焰進行模擬并繪制，刻畫其煙霧粒子的運動規律，最后利用紋理映射技術增強火焰粒子模擬效果的真實感與實時性[5]。

根據煙霧粒子的屬性，運用紋理映射技術進行繪制其生成、運動、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

煙霧在擴散過程中出現渦流效果，若只考慮煙霧所受外力對其運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動方程。通過對模型方程進行求解來描述煙霧的運動過程。

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（x，y，z）處的速度分量。T和T0分別是當前時間和初始時間，Z是外力的分量，常數μ是動力黏性系數。式中g為重力加速度；h為單位質量流體克服阻力做功而引起的機械能損失。

本研究基于物理的煙霧模擬算法對上述方程求解，得到煙霧粒子的運動模型。

4 結語

本文基于仿真模擬煙霧的擴散過程，較為真實地刻畫出煙霧粒子的運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散方式感性的認識，克服在室內環境下發生火災時對火焰的恐慌心理。人們可根據煙霧的擴散方式，采取更有效、更合理的自救措施。本文集中研究了煙霧的擴散、模擬煙霧的變化和N-S方程求解煙霧運動過程，對以后煙霧擴散和濃度的進一步研究有著重要的理論參考作用。

[參考文獻]

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

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

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

[4]中國建材網.寺廟建筑防火對策及滅火技術研究[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.虛擬現實技術在兒童室內火災逃生教育中的應用研究[J].系統仿真學報，2016（4）：934-939.

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