礦井火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)重現(xiàn)技術(shù)的研究

1、礦井火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)重現(xiàn)技術(shù)的研究王海燕，周心權(quán)中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京，100083摘要：論文研究了礦井火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)重現(xiàn)的技術(shù)，提出了利用CFD數(shù)值模擬結(jié)果控制虛擬世界中火煙運(yùn)動(dòng)的方法。通過將離散相模型引入礦井火災(zāi)數(shù)值模擬過程，初步建立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與CFD技術(shù)耦合理論。在WTK虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了礦井火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括火煙表現(xiàn)、煙氣運(yùn)動(dòng)控制、立體沉浸效果、紋理控制、光線控制、碰撞檢測等方面內(nèi)容

2、。以礦井綜采工作面及其聯(lián)絡(luò)巷道為場景，利用建立的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)再現(xiàn)了礦井火災(zāi)時(shí)期煙流滾退現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：礦井火災(zāi)；虛擬現(xiàn)實(shí)；CFD；耦合StudyonTheApplicationTechnologyofVirtualRealityinMineFireWangHaiyanZhouXinquanResourcesSafetyEngineeringSchoolChinaUniversityofMiningTechnologyBeijingChin

3、a100083Abstract:InthispapertheVirtualReality(VR)Technologywasappliedinminefire.ThemethodwhichCFDnumericalresultsareutilizedtocontrolthemovementofflamesmokeinVirtualEnvironmentisputfward.Bymeansofthediscretephasemodelinnu

4、mericalsimulationofminefirethecouplingtheyofVRCFDisrealized.TheminefireVRsystemwhichincludesflamesmokerepresentationsmokemovementcontrol3DimmersioneffecttexturecontrollightcontrolcollisiondetectionissetuponthebasisofWTKs

5、oftwareplatfm.MeoverthefullymechanicalcoalminingfaceroadwaysarecreatedinminefireVRenvironmentthesmokerollbackphenomenonduringminefireisrecurred.Keywds:minefirevirtualrealityCFDcoupling1引言礦井火災(zāi)不僅能使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時(shí)也是導(dǎo)致井下職工傷亡的

6、重大淵源。礦井火災(zāi)發(fā)生都非常突然，常常出人預(yù)料，而且發(fā)展迅猛、激烈，由于井下風(fēng)流熱力學(xué)狀態(tài)的急劇變化而可能造成更大的事故，如可燃?xì)怏w爆炸。因此，在災(zāi)害發(fā)生后，如何采取及時(shí)準(zhǔn)確的救災(zāi)措施，將災(zāi)害事故造成的損失降低以及如何從礦井設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理上預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生成為維護(hù)煤炭安全生產(chǎn)、保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)免受災(zāi)害威脅需要解決的主要問題。在這些問題中，人們已經(jīng)取得了豐富的研究安全工程的技術(shù)和理論，但多從抽象的理論和數(shù)值模擬上進(jìn)行。對(duì)于現(xiàn)場工作人員和管理者

7、來說，多數(shù)人并非流體力學(xué)方面的專家，他們?cè)诶斫膺@些數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)所代表的理論或現(xiàn)象時(shí)會(huì)顯得比較困難，并且使用這些數(shù)據(jù)時(shí)常需要更多的時(shí)間并可能導(dǎo)致失誤，國家十五科技攻關(guān)項(xiàng)目專題（編號(hào)：2004BA803B041）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：50474031）在火災(zāi)過程中，燃料通常不會(huì)發(fā)生完全燃燒，存在諸如析出的碳顆粒、灰等固體顆粒。這些顆粒在流場中隨煙流流體部分發(fā)生運(yùn)動(dòng)，并與高溫?zé)熈鏖g發(fā)生換熱，因此，顆粒的運(yùn)動(dòng)與流體部分是息息相關(guān)的

8、，可以建立起顆粒與煙流溫度場變化的規(guī)律，并解出這些顆粒的位置、速度變化和溫度變化。顆粒的位置、速度和溫度可以間接體現(xiàn)出流體運(yùn)動(dòng)的外部變化特征。因此，考慮到對(duì)虛擬環(huán)境中煙氣控制的難易性，本文在火災(zāi)流場中加入顆粒運(yùn)動(dòng)的離散相模型。加入微小顆粒的流場變化除遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒三大定律外，對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)與流場運(yùn)動(dòng)的關(guān)系采用以下方法進(jìn)行模擬。為盡量減小加入的顆粒對(duì)流場產(chǎn)生大的影響，考慮顆粒為均勻分布的球形灰粒，其在每隔一定時(shí)間隨燃料一同進(jìn)

9、入流場，顆粒隨流場流動(dòng)過程中不發(fā)生磨蝕或沉積，考慮重力的影響?；伊Ｔ诹鲌鲋凶饔昧ζ胶夥匠蹋▁方向）[4]為：（1）xppxpDpFguuFdtdu????????)()(式中：FD(uup)——顆粒的單位質(zhì)量曳力，N，；u——流體速度，ms；μ——流體動(dòng)力粘性，24182eDppDRCdF???Pa.s；ρ——流體密度，kgm3；ρp——顆粒密度，kgm3；dp——顆粒直徑，m；Re——相對(duì)雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)），定義為；CD——曳力系數(shù)

10、，采用如下的表達(dá)式，a1，a2，a3對(duì)于球形??uudpp??ReReRe221aaaCD???顆粒，在一定范圍雷諾數(shù)內(nèi)為常數(shù)[5]；Fx——其他作用力，N，這里主要考慮視質(zhì)量力，即附加質(zhì)量力，它是由于要使顆粒周圍流體加速而引起的附加作用力，，另外，在流場中存在的流體壓力梯)(21ppxuudtdF????度也會(huì)引起附加作用力，為。xuuFppx?????????????假設(shè)灰粒內(nèi)部溫度處處相等，灰粒溫度Tp(t)與灰粒表面與流體間的對(duì)

11、流和輻射換熱的關(guān)系滿足一個(gè)簡單的熱平衡方程：（2）)()(44pRpppppppTATThAdtdTCm????????式中：mp——顆粒質(zhì)量，kg；Cp——顆粒比熱，kJkgK；Ap——顆粒表面積，m2；T∞——連續(xù)相的當(dāng)?shù)販囟?，K；h——對(duì)流傳熱系數(shù)，Wm2K；εp——顆粒的黑度；σ——斯蒂芬森—波爾茲曼常數(shù)（5.67108Wm2K4）；θR——輻射溫度，等于（G4σ）14，G為入射輻射，，I為輻射強(qiáng)度，Ω為空間立體角。??????

12、4IdG通過公式（1）（2）可以建立起灰粒與流場中流體狀態(tài)參數(shù)的聯(lián)系。對(duì)于公式（1）可以進(jìn)一步積分，獲得灰粒在流場中軌跡方程，從而得到某一確定時(shí)刻灰粒的速度和位置。公式（2）對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，可獲得不同時(shí)刻灰粒溫度。當(dāng)顆粒穿過流體單元時(shí)，顆粒吸收（或釋放）的熱量作為源相作用到連續(xù)相的能量方程中。顆粒在壁面邊界（巷道壁）上碰撞后的動(dòng)量作反射處理，即碰撞后保持法向和切向動(dòng)量大小不變，到達(dá)入口和出口邊界上顆粒生命周期停止，停止對(duì)該顆粒的軌道計(jì)算