面向虚拟应急演练的承压特种设备流体行为仿真

摘要

如今随着社会的飞速发展，特种设备的保有量在迅速增加以及使用范围越来越广泛。其中承压特种设备更是占到特种总量的百分之四十，数量巨大。由于承压特种设备内承载的是高压流体易发生泄漏爆炸等事故，因此在使用的过程当中潜在危险巨大、容易发生泄漏、火灾等重大灾难。而承压特种设备的应急演练可以提高特种设备人员对事故的处理能力，从而减小甚至避免因承压特种设备发生事故而造成的损失。由于虚拟可视化技术的发展，承压特种设备的虚拟仿真演练技术应用越来越广泛，本文主要丌发一套承压特种设备虚拟仿真应急演练系统，为特种设备人员应急演练提供沉浸的虚拟环境。并着重解决了承压特种设备在不同形状下的管内流体行为仿真，小孔泄漏、管道口喷流的管外流体行为仿真，并研究了三维仿真系统中的逻辑控制技术，具体研究的内容如下:
　　本文首先研究了承压特种设备在不同管形下的管内流体行为仿真。主要包括:等直径管、突扩管、弯管、环形管这些管内流体行为仿真。管内的流体流动行为主要采光滑粒子动力学方法进行仿真，并采用树形搜索算法进行优化处理。相比较基于网格的仿真方法，该方法性能稳定，搜索效率高，使用的范围大，仿真精度高。基本能够满足用户仿真需求。其次，研究了小孔泄漏、管道口喷流的管外流体行为仿真。采用光滑粒子动力学方法解决了圆形小孔泄漏下的流体流动行为仿真以及管道口喷流的流体流动行为仿真，得到了逼真的仿真效果，丰富了仿真内容。然后，三维仿真系统中逻辑控制技术的设计。为了合理地处理仿真中各个事件及状态之间的关系，对Unity中的逻辑控制原理进行了分析。针对压力容器仿真演练系统案例，设计仿真过程中各步骤和操作之问的逻辑关系，并利用脚本和组件来实现仿真过程中的逻辑控制。最后，利用Visual Studio2010实现了特种设备仿真系统的设计。包括系统界面的设计，系统结构和功能可视化的实现，网页基础知识学习功能的实现。并通过shader材质技术控制场景中模型的透明度，通过仿真场景中多个虚拟相机实现场景小窗口。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 流体行为仿真类型

1．3 国内外研究现状

1．3．1 承压特种设备仿真

1．3．2 液体仿真

1．3．3 气体仿真

1．4 仿真技术发展现状

1．5 论文的研究思路

1．5．1 论文的技术方案

1．5．2 论文研究的关键问题

1．6 课题来源

1．7 论文的章节安排

第二章 承压特种设备中管内流体仿真实现

2．1 流体仿真方法选取

2．1．1 流体仿真方法对比

2．1．2 光滑粒子流体动力学方法的选用

2．1．3 SPH中离散化的流体方程

2．2 Unity平台介绍

2．2．1 Unity中粒子系统思想原理

2．2．2 Unity中粒子系统参数介绍

2．3 等直径管道内流体仿真

2．3．1 等直径管道流体分析

2．3．2 等直径管道仿真方法描述

2．3．3 等直径管道流体仿真实现

2．4 突扩管中流体仿真

2．4．1 突扩管道流体分析

2．4．2 突扩管中仿真方法描述

2．4．3 突扩管中流体仿真实现

2．5 弯管中流体仿真

2．5．1 弯管中流体分析

2．5．2 弯管中仿真方法描述

2．5．3 弯管中流体仿真实现

2．6 环形管中流体仿真

2．6．1 环形管中流体分析

2．6．2 环形管中流体仿真方法描述

2．6．3 环形管中流体仿真实现

2．7 本章小节

第三章 承压特种设备中管外流体仿真实现

3．1 小孔泄漏流体仿真

3．1．1 小孔泄漏流体分析

3．1．2 小孔泄漏流体仿真描述

3．1．3 小孔泄漏流体仿真实现

3．2 管道口流体喷出仿真

3．2．1 管道口流体喷出分析

3．2．2 管道口流体喷出仿真描述

3．2．3 管道口流体喷出仿真实现

3．3 本章小节

第四章 三维仿真系统中逻辑控制技术

4．1 Unity中逻辑控制的原理分析

4．1．1 脚本控制

4．1．2 组件控制

4．2 压力容器应急演练中的逻辑控制

4．2．1 压力容器应急预案的流程

4．2．2 应急演练步骤的模块化

4．2．3 应急演练仿真过程逻辑控制的实现

4．3 本章小节

第五章 特种设备仿真系统的设计与实现

5．1 系统的界面设计

5．2 结构和功能可视化的实现

5．2．1 Unity中交互界面的制作

5．2．2 模型显隐及透明度调节

5．2．3 场景交互视角切换功能的实现

5．3 网页学习功能的实现

5．4 应急演练效果展示

5．5 本章小节

总结与展望

全文总结

工作展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢