矿井火灾通风动态模拟并行计算及其可视化.pdf

第 1 期 蝶扩安全2 0 0 0年 1 月 新产品 新工艺 矿井火灾通风动态模拟并行计算及其可视化 西安交通大学电信学院 西 安 科 技学 院 李学文郑宁淇 常心坦 摘要本文描述了对矿井火灾的发展过程进行数学模拟的软件系统， 本系统 充分利用了 计算机网络和可视化技术， 对模拟计算过程进行了并行化设计及可视化 表达， 在运算速度、 精度、 可操作性等方面比同类研究有了很大的提高。 关键词并行通风模拟可视化 近年来， 国内外对于火灾模拟的研究侧重 于矿井巷道风流的风网解算、 风网中烟流浓度 和温度分布的模拟计算、 风流与围岩的热交换 计算、 热风压对风流状态的干扰及烟流浓度、 风 温和风量变化计算等方面。美国矿井火灾专家 D r . R . E . G r e u e r 教授领导的课题小组研究得出 了高温烟流与巷壁非稳态热交换的数学模型及 热风压的数值计算方法， 又进一步发展成较成 熟的矿井火灾风流稳态、 准稳态、 动态模拟的理 论和计算方法。并开发出了模拟软件 M F I R E 作为美国矿业局的推广成果。国内类似的主要 研究成果有 西安科技学院的“ 矿井通风安全救 灾软件C F I R E “ ， 淮南矿业学院的“ 多风井复杂 通风系统正常与灾变时期通风模拟与控制” ， 中 国矿业大学的“ 矿井通风防火系统” 等。 随着矿井安全防灾要求的提高以及当今计 算机水平的迅猛发展， M F I R E等类似研究成果 系统逐渐落后于应用需求。例如 计算封闭于 自身系统内依靠单机实现运算， 不易实现基于 网络的并行分布式处理; 对于模拟结果的表现 形式及与现代网络化、 分布式计算机系统结构 相适应的算法缺乏研究; 与相关重大通风安全 课题的关联及计算结果的展示与分析等方面非 常不便等。这些都限制了此类研究成果在矿井 中的进一步推广应用。 本文论述 了 通风模拟计算软件面向应用现 场， 采用了严谨的软件系统分析理论和数学模 化方法， 以并行处理和可视化技术大大提高了 火灾通风模拟软件的运算速度和分析能力。 1 设计思想及主要功能 矿井火灾模拟运算是一种数值计算密集型 的计算机应用， 在计算过程中产生大量的数据 信息 。这种状态既影响了 处理速度， 又不利于 ， 、 . 刀书口 汗 乍. 声 ， 遭刀， 调刀 今 沙 卒月 尸， 、 口 户 ， 乍门刁月 泞 书 月于令扭命、. 冲 暇月 产 卜口 冲， 、 . 刀， 必 净，心‘ 甲 书J 才 卜自 冲 书口产节月 泞 乍.净争 山冲书口 刀 卒 口 专书月甲峨皿砰， 诩 冲乍.甲俄 . 冲、 口 碑平 泪 ，， 刃汗毕 魂个书 .，叭‘ 冲卜翻刀‘ . 冲华 诩冲 令目 碑咬 、 岛个， 刁 禅叭自甲、. 声 ， j产 4 经济实用。铁皮加工的分流器每台造 价只需4 0 0 -7 0 0 元， 仅为胶质风筒分流器的2 倍。使用胶质风筒分流器， 每条造价虽然只有 2 8 0 元左右， 但每个高瓦斯掘进工作面每月需 更换3 - - 4 条， 仅材料费每月就多消耗9 0 0 一1 2 0 0 元， 现在使用铁质风筒分流器， 可一直用到 巷道完工， 之后还能继续回收复用。 5 低噪声。由于铁质风筒分流器风阻小， 风流稳定， 同时也消除 r 胶质风筒分流器内部 双层风筒的甩打声， 所以使用时噪声低， 很适合 井下的工作环境。 作者简介穆朝云、 男， 1 9 6 3 年出生， 1 9 8 8 年毕业 于准南矿业学院矿升通风与安全专业， 毕业后一直从 事矿井通风工作。 现任准北矿业集团公司童亭煤矿安 监处通防科科长。地址 安徽省淮北市; 邮编 2 3 5 1 3 7 收稿日 期1 9 9 9 - 0 8 - 1 0 ; 责任编辑邹瑞年 2 8 第 1 期 蝶扩安全2 0 0 0 年 1 月 对模拟结果进行分析。为提高处理速度， 可将 串行算法重新设计为基于网络的并行算法。为 了获得数值模拟的研究结果， 可借助于科学计 算可视化手段， 将模拟计算中所涉及的和所产 生的数据信息转变为直观的、 以图像或图形信 息表现的、 随时间和空间变化的物理现象或物 理量呈现出来， 使得模拟和计算过程可见， 同 时， 提供出与模拟计算的视觉交互手段。这祥 才能使这一技术的应用从专家推广到一般工程 技术人员中。 采用这种思想设计的本软件系统既可服务 于矿井火灾预案分析、 方案制定、 事故调查及救 灾决策辅助， 又可用于日常通风安全管理、 风h 7{ 调配、 气候条件预测工作。本软件主要功能有 1 矿井井巷系统内气候条件与通风参数 的分布计算; 2 任意复杂矿井通风网络系统火灾烟气 流动与风流分配变化动态过程的实时模拟计 i f -, 3 网络结构与参数变化对系统内风流参 数动态影响的实时计算; 4 防灭火措施的动态效果实时计算; 5 救灾应变方案参数计算， 用于区域危险 性分析指示、 最佳紧急撤退方案和救灾建议方 案制定、 火灾预案分析及系统抗灾特性分析等。 2 关键技术 本软件实现了矿井火灾通风计算与图、 文、 数据库的协调应用， 为达到这一目的， 本软件系 统充分利用了当今飞速发展的计算机网络技 术， 基于传统的串行算法对矿井火灾时期风流 动态模拟算法进行了基于计算机网络的并行化 设计， 可做到高效率地完成模拟计算， 并将计算 结果进行可视化处理。 其技术关键表现为以下4 个方面 1 对模拟计算过程进行面向对象化的建 模。根据选定的时空区域， 对原始数据输入、 确 立网孔个数、 风机曲线输入、 风阻大小排列、 选 择网络最小树、 构成独立网孔、 初拟风量、 自然 风压处理、 风量迭代计算、 风道风量处理等过程 进行分离与封装， 将关于同一过程的接口、 数据 及操作过程封装为一个可独立操作的对象， 以 对象为实体进行相关过程的组织。这种方式处 理将彻底解决串行处理过程中许多不足之处。 2 完善火灾通风热传、 火源及网络模型。 综合运用了计算科学、 流体力学、 热力学、 传热 学、 燃烧学、 通风理论等学科的知识， 对矿井火 灾的火源模拟、 传热过程模拟、 网络模型解算进 行了完善， 并着重增强了实战性火灾控制方案 的动态模拟分析功能， 在理论水平及实践应用 方面有新的突破。 3 对基于对象的计算过程进行分布式并 行处理求解。为与可视化的数据需求相适应， 需要将基于对象的网络求解算法在网络中多台 工作站或多个进程中实现。根据给定的向题规 模， 着重解决了分隔计算量和负载平衡， 可形成 对同一计算流程的流水线式分隔处理或多个计 算流程的并行处理。 ‘ 采用静态负载平衡方法和 基于任务缓冲池的动态负载平衡方法保证了各 工作站均匀负载。 4 对模拟计算结果的可视化解释与评价。 对分布式并行处理结果实现了从模拟数据到图 像的变换， 使技术人员可以视觉图像方式对模 拟结果进行观察， 以便于解释和评价。这一过 程中经过了数据操纵， 完成网络化、 插值、 梯度 计算等数据过滤功能， 使原始数据得到了加细 或增强。然后将过滤导出的数据转换为抽象可 视化对象， 用以描述想象中的通风网络及火灾 状况， 这些抽象对象属性有 几何、 颜色、 透明 度、 照明度、 反射系数、 表面纹理等。最后将抽 象可视化对象利用图形图像处理技术转换为可 显示的直观图形和图像。 作者简介 李学文， 男 , 1 9 7 1 年1 月生， 讲师, 1 9 9 7 年毕业于西安科技学院 原西安矿业学院 ; 现为西 安交通大学电信学院博士研究生， 从事计琴机并行葬 法及其可视化方向研完， 曾发表论文多篇。地址 西安 市雁塔路 1 4号; 由 踌 编 7 1 0 0 5 4 0 收稿日期1 9 9 9 一 0 4 一 0 6 ; 责任编样郭瑞年