一种三维虚拟训练环境中模拟有毒有害气体扩散浓度的计算方法

摘要

本发明公开一种三维虚拟训练环境中模拟有毒有害气体扩散浓度的计算方法，S1、确定有毒气体扩散有效影响因素；S2、构建对应训练环境的物理模型，导出气体扩散有效影响因素；S3、依据气体毒害剂量和遮挡物尺寸划分疏密网格，区分网格密度；S4、构建CFD模型，计算模拟有害气体扩散浓度；S5、建立一段时间的浓度值时序态势结果离线数据库，存储气体浓度态势结果；S6、训练时，在虚拟环境中快速显示。本发明方法可考虑地形、建筑物、气象等影响气体浓度扩散情况，可实时测量空间任意一点的气体扩散浓度值，并且其扩散浓度值逼真实际，使虚拟现实的化学危害仿真训练环境中有害气体扩散浓度值仿真效果更加真实可信，提高训练效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维虚拟训练环境中模拟有毒有害气体扩散浓度的计 算方法，尤其是一种在化学危害三维虚拟现实仿真训练环境中模拟有毒有害 气体扩散浓度数值的精准计算方法。

背景技术

虚拟现实(VR，Virtual Reality)技术因其沉浸式的逼真场景和自然的 交互方式，被广泛地应用于各种各样的具有一定危险性的训练中，生成大量 三维虚拟环境场景。相关部门为此开发了一些基于虚拟现实的仿真训练系统， 其训练内容主要包括化学危害坏境下各救援力量的指挥协调、救援装备使用 等，但是这些训练一般都在化学救援简单环境和理想扩散模型下完成，而真 实的情况是充分考虑不同种类的气体性质、扩散的地形、建筑物遮挡等等诸 多因素的影响，所以这种有毒有害气体扩散浓度模型的不准确会使救援环境 仿真失真，因而对救援训练的判断实施产生根本性的影响。例如：某化工厂 爆炸事故的化学救援行动中，有毒有害气体在源位置向外扩散，当遇到集装 箱、建筑物后，会因为遮挡产生不同于平面地形的扩散效果，这对于化学救 援训练中有害物质标定、溯源等有重要应用价值。

如何在已有的虚拟化学危害仿真环境中考虑其中建筑遮挡、风速等因素 对气体扩散影响，使有害气体扩散的浓度值动态变化的实时逼真，达到类似 真实环境中有害气体浓度扩散的效果，从而形成逼真的气体扩散仿真训练场 景成为一个难题。

当前对气体扩散计算的常用方法包括采用高斯扩散模型、计算流体力学 (CFD)以及很多针对不同特定场景的简化和衍生模型等等。不同的方法适 用情境会有所不同，例如高斯扩散模型计算相对简单，但是可调参数比较有 限，很难考虑复杂环境(建筑、气流等)对扩散过程的影响，模拟精度不高。 当前国际上通常采用计算流体动力学(CFD)的方法精准计算气体扩散浓度 值。多方验证利用CFD数值仿真软件对气体泄漏扩散在复杂地形下的计算 具有高度的准确性和有效性。CFD软件专门用于流场分析、流场计算和流场 预测的软件，例如Fluent、Openfoam等CFD软件。Fluent软件是目前国际 上比较流行的商用CFD软件包，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的 工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理 功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛 的应用。CFD数值仿真软件可以对各种复杂的环境因素进行建模，但是需要 涉及复杂方程的求解，计算量比较大，主要基于静态计算，用于对真实环境 中的气体扩散科学研究。其不能满足虚拟现实训练实时性、动态变化的要求。

现有部分虚拟现实训练中，有害气体的浓度值变化通常是基于时间和位 置给一个数值，有采用高斯方法计算，初步考虑了气象和简易地垫面的影响， 有毒有害气体扩散场景的数值逼真度不够，场景中扩散态势通过随机算法虚 构得到，或者扩散态势浓度值并不能像现实一样体现建筑遮挡、风速等因素 对其影响。

如果想要构设出更加真实的化学危害救援的虚拟仿真环境，就需要通过 研究大气扩散的机理和定量规律，充分考虑有害气体扩散的浓度值变化，受 地形高低、建筑物遮挡、气体种类、气体分子大小、温度、风等气象因素等 各类影响因素，建立扩散浓度的计算方法，以此实现虚拟环境中化学危险品 在大气中的浓度分布仿真。

化学危害三维虚拟训练环境应该包含基于时空效应的有毒有害气体扩 散浓度的计算方法，主要考虑以下因素：首先，虚拟场景中可以设置的参数 众多，包括地形、建筑、天气等，这些相互组合形成了一个巨大的可能性组 合库，并且因为要考虑VR中的显示效果，这些势必造成数学模型算法在场 景中的实时计算复杂度以指数级别递增，如何将场景中必须考虑的影响因素 提取和抽象成为计算因子是一个难点。其次，由于虚拟空间是对物理空间的 仿真，所有变化需要实时动态呈现，因此，需要仿真的数学模型在关键数据 演化上与真实世界的时间尺度一致，而且能以约每30ms一次的频率提供数 据(满足VR系统视觉平滑的最低需求)，这对仿真浓度值计算时效提出了较 高的要求。

本发明是针对化学危害仿真训练中，基于unity3d已构建好的虚拟现实 环境，判断虚拟环境中地形遮挡物等影响因素，实现一种依据三维虚拟环境 的扩散影响因素情况模拟有毒有害气体扩散浓度数值较为精准计算的方法， 可实时测量虚拟空间任意一点的气体扩散浓度值，并且其扩散浓度值能逼真 实际，可以使虚拟现实的化学危害仿真训练环境中有害气体扩散浓度值仿真 效果更加真实可信。系统支持空间任一点污染浓度的数据测量，用于实际训 练反馈。

在这样的救援环境中，仿真系统能够快速地仿真有害气体扩散过程和浓 度动态分布，受训人员就可以在一定的指挥流程下通过虚拟救援装备进行侦 察监测，对化学危害进行评估等训练。

发明内容

本发明的目的在于提出一种三维虚拟训练环境中模拟有毒有害气体扩 散浓度的计算方法，能够在基于虚拟化学危害环境中，依据地形、建筑物 遮挡、天气、有害气体气体种类和性质等复杂变量对气体扩散的影响，准 确地计算出三维虚拟化学危害仿真训练环境中任意点有害气体气体的浓度 值及动态变化。

本发明所提供的一种三维虚拟训练环境中模拟有害气体气体扩散浓度 的计算方法，包括以下几个步骤：

1、化学危害三维虚拟训练环境中有毒气体扩散有效影响因素确定

在虚拟训练环境中，要选择对气体扩散影响最为典型的因素进行考虑。 有毒气体在空气中的湍流扩散受很多因素的影响，如地形、建筑物、风向、 风速、空气湿度、气体物理性质等，首先需要考虑地形高低变化以及建筑物 遮挡对于气体扩散及浓度值的影响；其次要考虑气体类型、气体分子颗粒大 小、泄漏源、扩散持续时间及扩散形式这些决定气体性质的因素；再次考虑 温度、风等气象因素对于浓度值的影响；最后对有毒气体扩散数值模拟，在 模型尺寸效应、网格划分精度会对模拟结果的准确性和稳定性产生很大的影 响。具体如下：

(1)建筑物到计算域边界的距离太短会产生边界效应，建筑物密度会 对有毒物质的扩散稀释速度有明显影响。建筑物的尺寸与其在计算域中的相 对位置会对风场模拟结果产生较大的影响，其中最主要包括对数值模拟结果 的稳定性、收敛性和准确性的影响，称之为边界效应。当计算域顶部高于建 筑物6倍以上、风速入口到建筑物迎风面距离大于建筑物高度8倍以上、下 风向边界到建筑物背风面的距离大于建筑物高度15倍以上时，数值计算能 达到收敛速度、结果稳定性和准确性的最优值。

(2)将研究对象视为不可压缩气体，各项参数的设置对应该不可压缩 气体。另外，气体分子量、密度和气体在空气介质中的扩散系数也是影响扩 散的因素。

(3)风向、风速、空气湿度和温度等气象条件都是影响气相有毒物质 湍流扩散的主要因素，根据化学危害事故统计数据和专家论证得出最不利气 象环境为：近地面10m高处风速为1.5m/s，温度25℃，大气稳定度为F类， 相对湿度为60％。以此气象条件为典型危害环境气象默认配置，模拟毒气体 扩散浓度场。

2、构建对应训练环境的物理模型，从CFD前处理软件中导出三维虚拟 训练环境中的地形、建筑物等气体扩散有效影响因素，实体为中间数据。

(1)二次开发实现三维图形引擎(如Unity3d)的地形导出功能。编程 实现在Unity3d中导出地形功能的代码，并将代码置于Editor文件夹下。

(2)导出地形为.OBJ二维地形曲面。根据地形、建筑物等实体的特征 选择导出三角形还是四边形结构，根据模拟精度需求选择导出地形分辨率， 从unity化学危害三维虚拟训练环境中导出地形、建筑物等气体扩散有效影 响因素实体为.OBJ格式的二维地形曲面。

(3)坐标转换。采用坐标转换的方法解决CFD与Unity3d坐标系不统 一导致的浓度数据与虚拟场景不匹配的问题。首先，将.OBJ格式的地形导 入到CFD前处理软件中，然后，将地形文件的左手坐标系转换为CFD软件 中的右手坐标系。

(4)二维地形文件转化为三维模型文件。由于CFD数值模拟的环境为 三维地形环境，而unity3d导出的.OBJ地形图是二维曲面，因此需采用CFD 前处理软件处理地形文件：在CFD前处理软件中添加地形图的高度(高度 数据可由unity3d通过内置API计算获得，并传给CFD)，并设置模拟有害 气体的释放位置和环境风进口。

3、依据气体毒害剂量和遮挡物尺寸划分疏密网格，区分网格密度

CFD仿真是基于网格计算的，在处理好地形后，还需要进行网格划分。 网格越密，仿真计算精度越高，但是网格不能过密，否则系统的内存占用过 大，会导致数据的延迟和系统的卡顿，所以既要保证计算精度，网格又不能 过密，因此采用疏密网格，对有害气体释放源位置浓度高处以及地面附近位 置需要检测的主要部位进行网格加密，将其他空间区域网格做的稀疏一些， 并在地面附近添加边界层。通过区分网格密度计算出来的气体浓度值，接近 现实中气体的浓度变化趋势。

考虑气体浓度危害效应划分疏密网格，依据有毒有害气的致死、半致死 剂量和有害阈值范围区分网格密度。在致死剂量边界内部稀疏，有害阈值边 界外稀疏，致死剂量边界到有害阈值边界的中间部分加密。

网格划分当然是越密精度越高，越稀疏精度越低，但是在计算域中有建 筑物和复杂结构时就不是单纯的对应关系，而是存在一个最佳网格尺寸。试 验中发现：当划分网格的基本尺寸在建筑物特征尺寸的0.25倍左右时，计 算得出结果最接近实际情况，此时网格收敛性最好，能量方程的残差能够收 敛到10

4、依据气体性质及参数设置构建CFD模型，计算模拟有害气体扩散浓 度

划分好网格后，设置相应的参数然后进行迭代计算。需要设置的参数包 括气体的组分、各组分的物性参数(密度、气体粘度)、有害气体的释放量、 外界环境风速等。不同的有害气体种类由于其物性参数不同，其扩散规律也 不同(物性参数是模拟仿真的基础条件，能够充分考虑密度、粘度等对有害 气体的扩散影响，如上浮、悬浮、下沉等效果)。

(1)读取网格到CFD工具，包括Ansys Fluent、Openfoam、CFX等。

(2)设置气体组分物理性质，包括模拟有害气体的分子量、密度、比 热容、粘度和在空气中的扩散系数。

式中：

D为有毒有害气体对空气的扩散系数，单位为m

M

T为热力学温度，单位K；P为压强，单位Pa；

∑v

(3)根据虚拟训练需要的环境条件设置模拟流场边界条件，包括风速 入口、质量入口、压力出口、壁面边界条件和其他需要的边界条件。边界条 件中连续的量直接设置，变化的量采用UDF(用户自定义函数)输入。例 如，连续的风速直接设置，不同高度的风速廓线通过设计UDF(用户自定义 函数)输入。

(a)风速入口边界条件根据训练需求设置环境风速、风向和温度。

(b)质量入口根据模拟事故的规模设置，包括模拟有害气体气体释放 速度或释放量、释放方向、气体温度、压强和组分比例，组分比例用以模拟 混合有害气体气体的各组分占比。释放方式分为两种，连续释放和瞬时释放。 瞬时释放设置释放量，连续释放设置释放速度。

其中，气体释放速度关键，依据实际情况的各项参数采用下式计算：

式中：Q为模拟有毒有害气体泄漏速率，单位kg/s；P为容器压力，单 位Pa；C

(c)压力出口设置压力和温度。

(d)壁面条件根据地形设置建筑物壁面和地面粗糙度。

(4)建立模拟有害气体扩散计算的数学模型。

建立模拟有害气体在虚拟训练空间输运扩散的质量守恒方程、动量守恒 方程、能量守恒方程、湍流k-e方程和组分输运模型，描述气体分子在三维 空间的物理运动规律。

(a)质量守恒方程：

式中：t为时间，单位s；u为速度矢量，u

(b)动量守恒方程：

式中：P为静压压强；τ

(c)能量守恒方程：

式中：c

(d)湍流k-ε方程：

k方程：

ε方程：

式中：G

(e)组分输运模型：

式中：Y

(5)计算模型内稳态风场。要求：能量方程的残差收敛到10

(6)瞬态扩散场浓度计算。确定保存空间浓度数据的时间间隔，设置 数值计算迭代步长、最长迭代步数以及总的计算时间，开始计算。

5、建立虚拟训练环境中模拟有害气体空间一段时间的浓度值时序态势 结果离线数据库，用于存储空间中按时序变化的气体浓度态势结果

由于CFD计算准确但数据量大运算时间长，造成数值显示慢，满足不 了虚拟现实训练要显示浓度数值要快速，准实时的需求，从训练效果上采用 下述方法解决静态CFD计算变为动态CFD数据效果。

(1)CFD按时间间隔，数据导出时序态势结果，作为计算模型的中间 结果数据，并转化为定义的时序态势结果的格式。

将CFD计算出时序扩散态势的结果，从而得到一段时间内某区域空间 中气体浓度分布的.data数据，计算每个网格点上面的有毒气体浓度，自动生 成反映有毒气体质量浓度分布的等间距网格。在每个网格节点上存储浓度数 值It(ai,aj,ak)，其中ai,aj,ak表示网格节点三维坐标的索引，t表示时间点。 这样，我们就得到一个时序的空间网格数据结构，存储了空间中气体浓度值 按时序变化的态势结果。通过Excel转换为txt格式。按此方法得到一个时 序的空间网格数据结构，存储了一段时间内某区域空间中浓度数值按时序变 化的态势结果。

(2)使用SQLite Studio建立数据库，读入不同情况设置条件的计算结 果并分类，每种情况设置条件产生有害气体的数据按时间顺序排列，通过建 立索引表的方式保存每种情况设置条件的数据，方便unity3d调取数据。

6、训练使用时，基于有害气体空间浓度值时序态势结果离线数据库， 结合空间插值算法对现场环境位置与时间映射快速计算并显示。

训练使用时，由于CFD等复杂方法计算量大，我们先离线将序列结果 计算好，然后系统将该序列结果导入并结合空间插值计算，大大减少计算时 间并能满足训练需求，就可以做实时的可视化和检测应用。

在模拟检测装备中实时显示该位置的模拟有害气体气体浓度值。根据时 间、空间位置信息读取浓度值unity3d引擎实时读取离线数据库中CFD计算 的空间浓度数据，化学扩散计算结果加载位置时序结构格式。

在unity3d构建的虚拟环境中根据时间、空间位置信息对应读取其数据 库的数据，传递浓度值，包括x,y,z三维坐标和对应的浓度值。

考虑到数据量的问题，一般我们的网格不会过于稠密，为此，这里还需 要依赖于空间插值技术，使得我们可以得到基于有限的网格点上的浓度值 It(ai,aj,ak)，计算得到整个空间中任意点的浓度值。

空间插值的理论假设是空间位置上越靠近的点，越可能具有相似的特征 值；而距离越远的点，其特征值相似的可能性越小。空间插值的一般数学表 达如下:

式中，W是每个网格点处的数值对空间中(x,y,z)处点的影响，根据具 体插值算法的不同，W权重值的计算方法也不一样，包括最临近点法，移动 平均插值法，样条函数插值法等等，无论哪种方法，都可以使我们计算出空 间任意点处的浓度值，这对于可视化渲染和虚拟检测的应用来说是非常重要 的。默认情况下，我们可以取此点所处在的最小空间立方体的8个网格顶点 处的数值，做线性插值，这样的做法计算简单而且快。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明综合考虑地形、建筑物遮挡、天气、有害气体气体性质等复 杂因素对气体扩散的动态影响，计算出逼真的模拟有害气体扩散浓度场，并 根据浓度场数据在unity3d虚拟化学危害仿真训练环境中逼真模拟有害气体 气体扩散浓度动态情况，更加逼近现实中的有害气体浓度扩散规律，进一步 缩小了模拟训练与真实训练的差距。

2、本发明所涉及的方法可根据需要提高感兴趣区域的浓度数值计算精 度，不用以提高整体计算域的计算精度方式成倍地增加计算量作为代价。 CFD模型采用网格离散化的方法计算每个小区域内的流场数据，采用网格 局部加密的方式就可以提高局部计算精度，且计算量变化不大。这对于提高 仿真训练局部环境浓度数值计算效率很有意义。

3、依据本发明方法计算的数据为基于插值的浓度时序态势结果，我们 可以将计算过程和显示/检测过程进行分隔，这样得到了很大的灵活度。对 于高斯等简单的方法，我们可以进行实时计算并且实时载入显示结果；而对 于CFD等复杂方法，基于此方法，无论之后实现什么样的算法，都可以沿 用同样的接口，接收参数设置，并且输出空间网格的时序态势结果，其他系 统部分不受影响，这样最大程度的保证了系统的拓展性。甚至我们可以将计 算流体力学常用的Ansys、Fluent、Openfoam等专业软件计算结果，转化为 我们所定义的时序态势结果的格式，进而导入到我们的系统中进行利用，就 可以做到实时动态的浓度数据变化效果。

4、依据本发明的方法，可拓展用于在真实训练环境中为虚拟检测装备 提供实时实地的准确浓度数据。在这个环境中，除有毒有害气体为仿真数据， 其余都为实物环境，训练人员手持虚拟检测设备在任意位置可得到符合当时 环境的有毒有害气体浓度数据，这对于应急救援分队战术训练和指挥决策具 有现实意义。

附图说明：

图1：本发明方法流程步骤框图

图2：x-y平面网格划分图

图3：释放点附近网格加密示意图

图4：使用记事本打开ASCAII数据截图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚明白的描述，显而易见地， 所描述的实施例仅是本发明涉及内容的一部分，用以说明本发明，而不是限 定本发明。

实施例：本例设定一典型化学危害环境为高速公路槽罐车泄漏事故处置 场景，主要用于仿真如下训练场景：

1、训练背景介绍：在高速公路场景环境下，运输危化品槽罐车泄漏后 产生化学有毒气体，救援人员从入场侦察、操作有毒气体检测仪测量浓度、 划定各危害浓度的危害范围以及最后控制危险源(堵漏)。

2、虚拟环境构设：进行高速公路槽罐车化学泄漏事故处置的化学救援 虚拟现实(VR)仿真训练。利用unity3d构建了虚拟的环境，包括：罐车模 型、高速路、建筑区以及河流、岩石、植被等地形。硬件主要包括空间定位、 VR眼镜、VR背包电脑、人员行走和姿态动作捕捉设备以及有毒气体检测 仪模拟器等。

3、训练参数设置：设定高速公路槽罐车泄漏事故处置科目的具体参数， 如泄漏物种类、泄漏位置、泄漏速率、风速、风向等参数，具体为：一辆装 载总量(折纯)为1000kg一甲胺的化学罐车在桥上侧翻，坠落到地面导致 罐体出现直径约5厘米的孔洞，一甲胺气体受气压剧烈变化的影响从孔洞中 大量泄漏，天气状况为晴，受西北风影响(风力设为1-2级)，其泄漏的气 体浓度值在300秒达到峰值，其影响的核心区域为下风向约1130平方米内， 在其下风1100m处有60m*15m*20m的建筑区。

本训练主要为逼真模拟有毒有害气体扩散动态情况，考虑各种对气体扩 散影响因素，其扩散浓度值能逼真实际，可以使虚拟现实训练环境中泄漏的 有害气体扩散浓度值仿真效果更加真实可信，从而提高训练效果。采用CFD 专业软件为Fluent。具体步骤如下：

1、确定槽罐车泄漏事故仿真训练环境中影响气体扩散的有效因素，包 括：

罐车模型、建筑区以及河流、岩石、植被；有毒有害气体为一甲胺；风 力设为1-2级；训练设置未提到的按默认配置，近地面10m高处风速为1.5m/s， 温度25℃，大气稳定度为F类，相对湿度为60％。

2、将虚拟场景中包含罐车模型、建筑区以及河流、岩石、植被的大地 形导出为CFD可识别的标准格式.OBJ，在CFD前处理软件中构建对应的物 理模型。

(1)二次开发实现三维图形引擎(如Unity3d)的地形导出功能。编程 实现在Unity3d中导出地形功能的代码，并将代码置于Editor文件夹下。

(2)导出地形为.OBJ二维地形曲面。根据地形、建筑物等实体的特征 选择导出三角形还是四边形结构，根据模拟精度需求选择导出地形分辨率， 从unity化学危害三维虚拟训练环境中导出地形、建筑物等气体扩散有效影 响因素实体为.OBJ格式的二维地形曲面。

(3)坐标转换。采用坐标转换的方法解决CFD与Unity3d坐标系不统 一导致的浓度数据与虚拟场景不匹配的问题。首先，将.OBJ格式的地形导 入到CFD前处理软件中，然后，将地形文件的左手坐标系转换为CFD软件 中的右手坐标系。

(4)二维地形文件转化为三维模型文件。根据风向为西北风，风力为 1-2级，确定罐车的泄漏点坐标(x＝37f，y＝1.9f，z＝89f)之后，将进风口设 在罐车左侧。由于设置泄漏源接近地面，一甲胺较之空气比重为1.09(空气 为1)，其扩散影响的核心区域高度小于20m，因此添加的地形高度值上限 为20m。

3、依据气体毒害剂量和遮挡物尺寸划分疏密网格区分网格密度以供快 速计算精准的浓度值

在网格划分软件中离散化计算域，采用结构化体网格的Block划分方法。 首先，根据计算精度需求设置基本网格尺寸为10m；然后确定计算域：高于 建筑物6倍以上、风速入口到建筑物迎风面距离大于建筑物高度8倍、下风 向边界到建筑物背风面距离大于建筑物高度15倍；之后，对罐车泄漏点和 建筑物区域附近的网格进行加密，在以罐车的泄漏点为中心向外延伸的区间 内，每间隔0.5至1米取若干离散点加密划分网格，超过上述区间的部分， 分别以间隔2米、5米、10米等自定义步长划分网格，即距离上述区间越远 的地方网格越稀疏，直至到达地形边缘；最后，在地面附近添加边界层。考 虑到模拟精度和计算效率，划分所得共计755200个网格，如图2所示。释 放点附近网格加密示意图，如图3。

4、利用CFD专业软件Fluent构建CFD模型，计算模拟有害气体气体 扩散浓度

(1)读取网格到CFD处理器Ansys Fluent。

(2)设置组分物理性质，包括模拟一甲胺的分子量31.058、密度 1.4061kg/m

扩散系数是对一甲胺蒸气在空气中扩散速度快慢的描述，对于二元气体 扩散系数的确定，本文采用Fuller公式如下，进行计算：

式中，D为一甲胺蒸气对空气的扩散系数，单位为m

(3)根据虚拟训练需要的晴天环境设置模拟流场边界条件。

环境风入口边界条件为velocity-inlet；出口边界条件为presure-outlet； 地面和建筑物边界条件设置为wall；计算域其他边界条件为symmetry；泄 漏物入口边界条件为massflow-inlet，由源强计算公式计算得到。

a.风速入口边界条件设置，近地面10m高处风速为1.5m/s，各高度的风 速按照下面公式设置，风向为西北风，温度为25。模拟一甲胺垂直于泄漏面 连续泄漏5min的工况。

b.质量入口根据模拟事故的规模设置，模拟有害气体释放量为1kg，释 放方向为瞬时释放，组分比例为1。

c.压力出口设置：压力为大气压，温度25。

d.壁面条件选择无滑移壁面，草地地面粗糙度取0.7。

(4)组分输运模型中的混合组分设置为一甲胺和空气的混合组分，由 于本例中的扩散环境可近似为完全湍流，因此选用标准k-ε方程作为一甲胺 气体在空气中扩散的湍流控制方程。

(5)数值计算得能量方程残差收敛至10

(6)设置空间浓度数据的时间间隔为10s，数值计算迭代步长为0.1s、 最长迭代步数为20s，总的计算时间为300s，在CFD界面选择三维双精度 求解器，开始瞬态扩散场浓度值的计算。

5、建立虚拟环境中模拟有害气体空间一段时间的气体浓度值时序态势 结果的离线数据数据库

(1)将CFD计算得到的浓度场.data数据通过Excel转换为txt格式。

(a).data转ASCAII。在Fluent中选择导出网格节点空间坐标和对应 有毒气体质量浓度数据为ASCAII格式的数据。

(b)ASCAII转.txt。利用记事本打开ASCAII数据，并且另存为.txt格 式。图4为用记事本打开的ASCAII数据，其中有70多万行数据，每行数 据表示一个网格节点的x，y，z坐标与此节点处有毒气体质量浓度值。

(2)使用SQLite Studio建立数据库，通过命令行代码将txt格式的数 据文件按时间顺序导入成数据表，建立三维位置点的索引，方便untiy3D通 过代码获取某一点的气体浓度值数据。

6、训练使用时，基于有害气体空间浓度值时序态势结果离线数据库， 对现场环境位置与时间映射并结合空间插值快速计算进行仿真训练

训练使用时，训练人员手持测量仪器模拟器，测量气体浓度值。测量仪 器模拟器内置的训练系统将人员在Unity3d所构建虚拟环境中的位置和时间 信息，映射到已计算好结果的浓度值离线数据库，实时读取数据库中CFD 计算的空间浓度数据，结合空间插值快速计算，在测量仪器模拟器上显示浓 度值，就可以做实时的检测应用。

计算结果也验证了在有风的条件下，有害气体随地形起伏和遮挡向下风 向扩散。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进 和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

利用本发明的方法，开发人员只需要从unity3d获取虚拟环境模型，按 照上述步骤转换格式、设置训练需要的环境条件、进行计算、再转换数据格 式，即可准确计算出unity3d虚拟环境中模拟有害气体气体扩散的浓度场， 计算中考虑了虚拟环境中地形、建筑遮挡、天气、有害气体气体性质等复杂 因素对气体扩散的动态影响。本发明可用于渲染逼真的模拟有害气体扩散动 态浓度场和虚拟训练中有害气体的检测。

本发明可以不限于使用虚拟现实引擎unity3d和某一计算流体力学工具， 他人也可以使用Unreal engine 4等虚拟现实引擎和Fluent、Openfoam等CFD 工具，按照本发明方法，同样可计算出虚拟环境中逼真的气体扩散浓度数据。