基于室内环境下火焰烟雾扩散和仿真模拟研究

邹 宁，周 飞，韩庆阳，赵建国

（河南师范大学，河南 新乡 453007）

据相关资料可知，火灾是人类所面临的最严重的灾害之一，室内环境下发生的火灾，其产生的浓烟危害性非常大。火灾中被浓烟熏死呛死的人数是烧死者的4～5倍。在一些火灾中，很多被“烧死”的人实际上是先烟气中毒窒息死亡之后又被火烧的。本文模拟仿真烟雾的扩散过程，使得室内环境下求生者在火灾发生中，懂得如何去应对自救，更好地脱离危险。

1 烟雾扩散研究现状

近年来，国内外对烟雾扩散和仿真的研究和分析越来越多。Barnes等[1]提出了一种计算粒子间作用力的方法，它用树结构来存储每个粒子，对每个粒子通过周游树的各个子区域的质心来计算其所受到的力。这样会造成粒子提前碰撞，降低碰撞检测的精度。Stam等[2]等给烟雾微粒定义了浓度函数，在微粒绘制时根据其浓度的大小来调节微粒颜色的深浅，湛永松等[3]在前者的基础上加入了风力对浓度的影响，但这类算法都不能从物理层面真实模拟微粒的运动。为保证系统绘制效果的真实性及实时性，本文采用纹理映射技术以提高图形的真实感。

2 烟雾粒子的扩散

2.1 纹理映射技术

纹理映射技术是由美国犹他大学的Catmull提出的一种计算机图形学技术，可有效提高计算机图形真实感。纹理映射技术通过将二维图像映射到三维物体的表面来产生真实感较强的三维效果[4]。纹理映射技术优势在于避免用多边形表示场景模型的每个细节，减少了场景模型的多边形数目，使图形的显示速度得到较大提高。该技术在不增加模型的基本几何复杂度的前提下增加了模型的真实感。

2.2 烟雾粒子的初始属性

烟气流动是室内环境火灾中的主要现象之一，火灾烟气运动的数值模拟有利于人们了解火灾的发生、发展及烟气扩散过程。烟雾通过无数小颗粒随机运动产生，每个粒子具有一定的属性，其属性在粒子诞生时会被初始化，火焰产生的烟雾透视图如图1所示。

粒子的外观属性是形状、大小、透明度；运动属性是位置和速度。其速度包括大小和方向，是模拟粒子动态变化的关键属性。本文主要针对粒子的位置、形状、大小、透明度和生命周期进行分析。

图1 火焰烟雾透视图

烟雾粒子系统的维度和粒子生成区域决定烟雾粒子初始位置，粒子的前一位置和速度决定下一粒子的位置；烟雾粒子系统中的粒子初始形状可定义为点，其大小决定生成图像的分辨率和粗糙度，应根据烟雾模拟效果的要求和系统的计算能力进行折中；粒子初始亮度最亮，透明度为假设为1.0；粒子生成时可人为定义粒子的初始生命，本文定义其为1.0。

2.3 粒子属性的变化及消亡

粒子产生并进行初始化后，按照预定运动模式在系统中运动。每一帧中，粒子属性都随着运动和行为状态的变化而改变。粒子前一帧的速度和受力情况决定其下一帧的运动速度；前一帧的位置和运动速度决定其下一帧的位置。

2.3.1 外观属性的变化

粒子外观属性的形状和大小如果不发生粒子碰撞和融合，基本不会发生变化。随时间不断发生变化的为粒子的颜色和透明度。透明度变化的公式如下：

2.3.2 生命周期的变化

粒子生命周期随时间不断减少，当其值为零时粒子生命结束，变化公式如（2）式所示。

其中L(i+1) 为(i+1)时刻粒子的生命值，L(i)为i时刻粒子的生命值，ΔL为每一帧的粒子生命的衰减值，T为系统时间。

2.3.3 粒子消亡

粒子的消亡是粒子产生后由于某种原因从系统中被删除的过程。其消亡的原因主要有两种：（1）粒子的生命周期已减少到零，粒子寿命已尽。（2）粒子的生命还存在，但随着烟雾扩散，粒子透明度不断降低，当粒子的透明度降为零时，粒子消亡。

2.4 粒子的绘制

本文对火焰、烟雾的粒子模拟过程大致如下：（1）新粒子生成并加入到系统中；（2）系统为新粒子赋初值；（3）删除系统中寿命结束的粒子；（4）根据运动规律及相关算法对剩余粒子进行位置移动和状态更新；（5）绘制、显示有效粒子组成的图像。

3 烟火仿真模拟

3.1 烟雾模拟流程

在室内环境下，火灾发生时，烟雾粒子具有流动性和运动的无规律性。故可以利用粒子系统对火焰进行模拟并绘制，刻画其烟雾粒子的运动规律，最后利用纹理映射技术增强火焰粒子模拟效果的真实感与实时性[5]。

根据烟雾粒子的属性，运用纹理映射技术进行绘制其生成、运动、消亡的过程，模拟出烟雾轨迹。纹理贴图烟雾模拟流程如图2所示。

图2 纹理贴图烟雾模拟流程

3.3 N-S方程

烟雾在扩散过程中出现涡流效果，若只考虑烟雾所受外力对其运动的影响不能很好描述其涡流效果[6]。为形象描述涡流效果，基于牛顿第二定律定义烟雾为不可压缩的气体，利用纳维-斯托克（Navier-Stokes，N-S）方程，描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程。通过对模型方程进行求解来描述烟雾的运动过程。

N-S方程表示为：

其中ρ是烟雾粒子的密度，p是压力；u，ω是烟雾粒子在t时刻，在点（x，y，z）处的速度分量。T和T0分别是当前时间和初始时间，Z是外力的分量，常数μ是动力黏性系数。式中g为重力加速度；h为单位质量流体克服阻力做功而引起的机械能损失。

本研究基于物理的烟雾模拟算法对上述方程求解，得到烟雾粒子的运动模型。

4 结语

本文基于仿真模拟烟雾的扩散过程，较为真实地刻画出烟雾粒子的运动轨迹及其粒子初始、变化、消亡的过程，加深人们对烟雾本身属性和其扩散方式感性的认识，克服在室内环境下发生火灾时对火焰的恐慌心理。人们可根据烟雾的扩散方式，采取更有效、更合理的自救措施。本文集中研究了烟雾的扩散、模拟烟雾的变化和N-S方程求解烟雾运动过程，对以后烟雾扩散和浓度的进一步研究有着重要的理论参考作用。

[参考文献]

[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，费广正.基于物理模型的实时卡通烟雾模拟算法[J].中国图象图形学报，2007（2）：261-265.

[4]中国建材网.寺庙建筑防火对策及灭火技术研究[EB/OL].（2015-10-27）[2018-04-17].https://www.bmlink.com/zt/25354/zq131326.html.

[5]胡春花，陈晓梅，陈仕鸿.虚拟现实技术在儿童室内火灾逃生教育中的应用研究[J].系统仿真学报，2016（4）：934-939.

[6]刘斓，徐健锋，刘群.基于微粒群优化的烟雾扩散的实时研究[J].计算机工程与应用，2012（2）：179-181，234.