基于粒子系统瓦斯爆炸模拟的研究与实现

论文摘要

我国是煤炭生产大国,但存在严重的煤矿安全生产问题(如矿井火灾、瓦斯爆炸等),造成大量的人员伤亡和财产损失。要保证煤矿工作人员的安全,需要对他们进行安全教育、救生训练。由于煤矿中发生的一些事故,人们不可能在真实的危险环境中进行训练或验证,因而需要一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。正在发展的虚拟现实技术为从事煤矿安全工作研究的人员提供了一个很好的工具。本文以管状空间内气体爆炸理论为基础,系统地研究了矿井巷道瓦斯爆炸的传播规律。首先分析瓦斯爆炸传播的物理机制,在此基础上,建立矿井巷道瓦斯爆炸传播的物理模型。其次,根据瓦斯爆炸传播过程的基本原理,对独头巷道中的瓦斯爆炸传播建立数学模型,利用有限差分法对建立的非线性偏微分方程进行计算机求解,从而实现对瓦斯爆炸传播过程进行数值计算。最后,本文结合对瓦斯爆炸传播的数值计算结果,运用粒子系统对瓦斯爆炸现象进行了可视化显示,并且分析了不同瓦斯浓度下爆炸火焰的传播速度、温度和爆炸冲击波压力的变化情况。应用虚拟现实技术模拟井下场景和瓦斯爆炸过程,不仅投资少、安全可靠、可重复操作,还可以充分利用信息技术的优势对矿工、救护队安全培训提供全新的手段。这对于加强煤矿瓦斯爆炸的研究、预防瓦斯爆炸事故的发生和促进煤矿安全生产具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外发展概况和发展趋势
• 1.2.1 VR 技术的发展概况和发展趋势
• 1.2.2 瓦斯爆炸研究的发展概况
• 1.3 本文的研究内容和研究目标
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.4 本章小结
• 2 矿井瓦斯爆炸传播的物理机制
• 2.1 瓦斯爆炸三要素
• 2.2 瓦斯爆炸的特征参数以及爆炸界限的确定
• 2.2.1 瓦斯爆炸的爆源特征
• 2.2.2 瓦斯爆炸的爆炸特征
• 2.2.3 爆炸界限的确定
• 2.3 瓦斯爆炸过程的主要影响因素及后果
• 2.3.1 瓦斯爆炸过程的主要影响因素
• 2.3.2 瓦斯爆炸的后果
• 2.4 瓦斯爆炸的两个阶段
• 2.5 无障碍物存在时瓦斯爆炸传播过程
• 2.5.1 冲击波形成过程
• 2.5.2 爆炸火焰的传播
• 2.5.3 爆炸产物的膨胀
• 2.5.4 空气冲击波的传播
• 2.6 本章小结
• 3 矿井瓦斯爆炸传播模型的建立与数值计算
• 3.1 气体爆炸传播的研究思路
• 3.2 矿井瓦斯爆炸传播的物理模型
• 3.2.1 矿井瓦斯爆炸事故的统计分析
• 3.2.2 矿井瓦斯爆炸传播的特点总结
• 3.2.3 矿井瓦斯爆炸传播的物理模型
• 3.3 数学模型的建立
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 直角坐标系的控制方程
• 3.3.3 控制方程的无量纲化
• 3.3.4 任意坐标下的控制方程
• 3.3.5 初始条件和边界条件的确定原则
• 3.4 气体爆炸传播过程的数值计算研究
• 3.4.1 数值计算的局限性
• 3.4.2 有限差分法
• 3.4.3 网格生成
• 3.5 本章小结
• 4 基于粒子系统瓦斯爆炸的模拟
• 4.1 粒子系统分析与结构设计
• 4.1.1 粒子系统分析
• 4.1.2 粒子系统的结构设计
• 4.1.3 粒子系统的基本原理
• 4.2 粒子系统的基本模型
• 4.2.1 粒子的产生
• 4.2.2 粒子的属性
• 4.2.3 粒子的存储结构
• 4.2.4 粒子的运动与更新
• 4.2.5 粒子的消亡
• 4.2.6 粒子的渲染
• 4.3 瓦斯爆炸传播过程的模拟
• 4.3.1 瓦斯爆炸环境的模拟
• 4.3.2 瓦斯爆炸的模拟
• 4.4 结果分析以及结论
• 4.4.1 瓦斯浓度对爆炸火焰传播速度的影响
• 4.4.2 瓦斯浓度对爆炸波压力的影响
• 4.5 本章小节
• 5 结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士期间所发表的论文