Mô phỏng hiệu ứng lửa và ứng dụng trong giáo dục

Nhờ đó, lửa vừa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho những sinh hoạt văn hóa cộng đồng của người sơ khai… Ngoài duy trì sự sống lửa còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sản

Trang 1

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đỗ Năng Toàn

THÁI NGUYÊN - 2013

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài

Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào

Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Quản Thị Vui

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 10 chuyên ngành Khoa học máy tính Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, tôi đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo, dìu dắt, giảng dạy nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên và Viện công nghệ thông tin Việt Nam Các thầy cô giáo đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình công tác cũng như học tập Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - Đại học Thái Nguyên, các thầy cô giáo trong Viện công nghệ thông tin Việt Nam

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã cho tôi nhiều ý kiến đóng góp quý báu, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho

tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi các thiếu sót, rất mong tiếp tục nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô giáo, các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Quản Thị Vui

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 3

1.1 Khái quát thực tại ảo và ứng dụng 3

1.1.1 Khái niệm Thực tại ảo 3

1.1.2 Lịch sử phát triển 4

1.1.3 Các đặc tính chính của Thực tại ảo 7

1.1.4 Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo 8

1.1.5 Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo 9

1.1.6 Ứng dụng của Thực tại ảo 12

1.2 Mô phỏng lửa và ý nghĩa 13

1.2.1 Mô phỏng lửa 13

1.2.4 Ý nghĩa của mô phỏng lửa 14

1.3 Mô phỏng lửa trong giáo dục 15

1.3.1 Sách giáo khoa phổ thông 16

1.3.2 Giáo trình trong các trường chuyên nghiệp, dạy nghề 18

Chương 2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA 19

2.1 Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based 19

2.1.1 Kỹ thuật mô phỏng Physically-based 19

2.1.2 Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Physically-based 21 2.1.3 Cơ sở vật lý 23

2.1.4 Phương pháp mô phỏng 24

Trang 5

2.1.5 Thực hiện 30

2.2 Phương pháp Particle-based 41

2.2.1 Kỹ thuật mô phỏng Particle-based 41

2.2.2 Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Particle-based 43

2.2.3 Bối cảnh 46

2.2.4 Phương pháp mô phỏng 48

2.2.5 Phương pháp dựng hình 56

Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 61

3.1 Bài toán 61

3.2 Phân tích thiết kế và lựa chọn công cụ 62

3.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 62

3.2.2 Điều khiển mô hình bằng ngôn ngữ lập trình 63

3.3 Một số kết quả chương trình 63

KẾT LUẬN 66

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

Trang 6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4 16

Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa môn vật lý lớp 6 17

Bảng 1.3: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy 18

Bảng 2.1: Thống kê mô phỏng 60

Bảng 2.2: Các thông số mô phỏng 60

Trang 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D 3

Hình 1.2 Từ ảo đến thực 4

Hình 1.3 Morton L Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960 5

Hình 1.4 Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970 5

Hình 1.5 Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970 6

Hình 1.6 Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA 6

Hình 1.7 Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo 8

Hình 1.8 Các thành phần một hệ thống VR 8

Hình 1.9 DataGloves 9

Hình 1.10 3D Mouse và SpaceBall 10

Hình 1.11 Mouse 10

Hình 1.12 Shutter glasses 10

Hình 1.13 Head-Mounted Displays 10

Hình 1.14 Cave 11

Hình 1.15 CyberTouch 12

Hình 1.16 CyberGrasp 12

Hình 1.17 Ngọn lửa 14

Hình 1.18 Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm 15

Hình 2.1: Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa 22

Hình 2.2: Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu 25

Hình 2.3: Hút thuốc cùng với ngọn lửa khí 25

Hình 2.4: Khu vực phản ứng lõi màu xanh ngọn lửa tốc độ S 26

Hình 2.5: Khu vực màu xanh ngọn lửa trộn so với ngọn lửa khuếch tán 27

Hình 2.6: Đường dẫn cong do sự mở rộng của các khí như phản ứng 27

Hình 2.7: So sánh hình dạng ngọn lửa của việc mở rộng khí 28

Hình 2.8: Hai bản ghi sử dụng để phát ra nhiên liệu 30

Trang 8

Hình 2.9: Một quả bóng kim loại đi qua và tương tác với ngọn lửa khí 38

Hình 2.10: Một quả bóng dễ cháy đi qua ngọn lửa khí và bắt lửa 39

Hình 2.11: Vụ nổ bên cạnh bức tường 44

Hình 2.12: Sơ đồ vòng đời của hạt 51

Hình 2.13: Minh họa kết quả bơm chất lỏng 52

Hình 2.14: Một loạt các ảnh một vụ nổ duy nhất trên mặt phẳng vô hạn 55

Hình 2.15: So sánh side-by-side của kết quả mô phỏng 56

Hình 2.16: Một góc nhìn từ trên xuống của nổ mìn trong hình 2.15 56

Hình 2.17: Hai ví dụ súng phun lửa 57

Hình 2.18: Nhiều vụ nổ trên một mặt phẳng vô hạn 58

Hình 2.19: Vụ nổ dưới một vòm cố định 58

Hình 2.20: Vụ nổ giữa một nhóm các trụ cột cố định 59

Hình 2.21 Mặt cắt vụ nổ trong hình 2.17 59

Hình 3.1: Mô hình toàn cảnh bên ngoài phòng thí nghiệm 64

Hình 3.2: Mô hình toàn cảnh bên trong phòng thí nghiệm 64

Hình 3.3: Trạng thái quan sát chính diện với mô hình 65

Hình 3.4: Trạng thái quan sát vuông góc với mô hình 65

Trang 9

MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trong những năm gần đây đã ít nhiều làm thay đổi cuộc sống con người Có thể nói công nghệ thông tin đã tác động mạnh mẽ đến muôn mặt của đời sống xã hội và hệ thống giáo dục cũng không nằm ngoài tác động đó Sự phát triển của công nghệ thông tin và kinh tế xã hội đặt ra những yêu cầu mới về mục tiêu, nội dung, phương pháp dạy học Ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học góp phần nâng cao chất lượng dạy - học là công cụ, là phương tiện để làm cuộc “cách mạng” trong đổi mới phương pháp dạy học Nhờ sự hỗ trợ của công nghệ thông tin giáo viên và học sinh có thể nâng cao chất lượng dạy học, tăng cường tính tích cực nhận thức cho học sinh Công nghệ thông tin đã làm tích cực hóa quá trình dạy học, mang đến một luồng sinh khí mới cho hệ thống giáo dục hiện nay

Điển hình của ứng dụng công nghệ thông tin trong giáo dục là sử dụng công nghệ mô phỏng để tái tạo các sự vật, hiện tượng, trong thế giới thực Thông qua những thí nghiệm, những ví dụ mô tả sát thực, giải thích, minh họa những quá trình, hệ thống, hiệu ứng phức tạp trên máy tính giúp cho người học hứng thú hơn, kiến thức được thể hiện rõ ràng hơn, trực quan hơn, sinh động hơn, đầy đủ hơn

Có rất nhiều môi trường trong thế giới thực cần được mô phỏng, trong

đó lửa là một chất liệu phổ biến và quan trọng Lửa đã được người tiền sử phát hiện ra từ cách đây hàng nghìn năm Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân loại Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúp con người thoát khỏi đời sống nguyên sơ Nhờ đó, lửa vừa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho những sinh hoạt văn hóa cộng đồng của người sơ khai… Ngoài duy trì sự sống lửa còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất, vui chơi giải trí…

Có rất nhiều nguồn lửa khác nhau, để đảm bảo cho việc tính toán thiết

kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc

Trang 10

sống việc mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô cùng quan trọng Việc kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan khi đưa vào thực hiện nhằm giảm thiểu các rủi ro do lửa gây ra

Ứng dụng mô phỏng lửa trong giáo dục, đặc biệt là trong các trường phổ thông, trường công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạo máy, cơ khí động lực, công nghệ nhiệt lạnh… các mô phỏng về lửa với các đối tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ giúp cho học sinh có một cái nhìn trực quan

hơn, tiếp thu bài dễ hơn Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: "Mô phỏng hiệu ứng lửa

và ứng dụng trong giáo dục" để làm luận văn tốt nghiệp

Cấu trúc của luận văn gồm: Phần mở đầu, phần kết luận và 3 chương nội dung, cụ thể:

Chương 1: Khái quát thực tại ảo và mô phỏng lửa

Trong chương này em giới thiệu chung về thực tại ảo, các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo và giới thiệu về bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo

Chương 2: Một số phương pháp mô phỏng lửa

Trong chương này em trình bày các kỹ thuật mô phỏng lửa, gồm 2 phương pháp cơ bản là phương pháp physically-based và phương pháp particle-based

Chương 3: Chương trình thử nghiệm

Chương này thể hiện chương trình mô phỏng bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo

Trang 11

Chương 1 KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA

1.1 Khái quát thực tại ảo và ứng dụng

1.1.1 Khái niệm Thực tại ảo

Thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) là thuật ngữ miêu tả một môi trường mô phỏng bằng máy tính Đa phần các môi trường thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thông qua kính nhìn ba chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng có thêm các loại giác quan khác khác như âm thanh hay xúc giác

Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực y tế, giáo dục, kiến trúc, quân sự,

du lịch, giải trí,… Nhiều bài báo, chương trình giới thiệu TV, hội thảo, đã miêu tả VR theo nhiều cách khác nhau

Hiện nay, có nhiều định nghĩa về Thực tại ảo, một trong các định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có thể hiểu Thực tại ảo tương đối chính xác như sau: VR-Thực tại ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực có tương tác với người

sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác (ngũ giác) gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác [6]

Hình 1.1 Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D

Trang 12

Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian Ngược lại, môi trường

ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gian thực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực [6]

Hình 1.2 Từ ảo đến thực 1.1.2 Lịch sử phát triển

Mặc dù thực tại ảo được mô tả như một công nghệ mới mang tính cách mạng, nhưng ý tưởng về việc nhúng người sử dụng vào một môi trường nhân tạo đã ra đời từ rất sớm

Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới được quan tâm trong một vài năm gần đây xong nó lại có lịch sử từ khá lâu Cách đây khoảng gần 40 năm một nhà làm phim có tên là Morton Heilig (1926-1997) người Mỹ đã đưa ra ý tưởng

hệ thống mô phỏng bay (Flight Simulation) là tại sao không đưa con người bước sang một thế giới khác Sử dụng hệ thống này người quan sát có cảm giác ảnh đang sống động ngay trước mắt mình Do không có sự hỗ trợ về tài chính Heilig không thể hoàn thành ước mơ của mình, xong ông cũng đã tạo ra được một thiết bị mô phỏng gọi là "Sensorrama Simulator", thiết bị này được công bố vào khoảng đầu những năm 1960

Trang 13

Hình 1.3 Morton L Heilig và Thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960

Thiết bị mô phỏng Sensorrama sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ camera 35mm kết hợp thành một camera chính Bao gồm một hệ thống âm thanh kết hợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự Người nhìn có thể cưỡi một cái xe máy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy những đoạn đường có ổ gà Mặc dù đây còn là một cái máy đơn giản, thô

sơ xong nó đã mở ra nhiều ý tưởng nghiên cứu mới chưa từng có trên thế giới

Năm 1966 Ivan Sutherland (1938) một sinh viên tốt nghiệp Trường Utah tiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở Sutherland cho rằng cảnh quay tương tự không đáp ứng được yêu cầu thực tế Anh bắt đầu ý tưởng của một bộ tăng tốc đồ hoạ và đã chế tạo được hệ thống thiết bị Hiển thị đội đầu (Head Mounted Display-HMD) có thể kết nối tới máy tính

Năm 1970, Sutherland tiếp tục phát triển phần cứng của HMD tại trường đại học Utah, làm cho nó hoàn thiện hơn có màn hình là màn hình màu Sử dụng hiển thị này, một người có thể thấy một thế giới ảo hiện ra như thế giới vật lý thật Bao gồm: Một thế giới ảo mà ta có thể quan sát thông qua một HMD; một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực; Các khả năng cho người sử dụng để thao tác những đối tượng thực tế một cách trực quan nhất

Hình 1.4 Ivan Sutherland và Thiết bị mô phỏng HMD-1970

Trang 14

Cũng trong khoảng thời gian này Myron Kreuger (1942) đã phát triển một thiết bị có tên VIDEOPLACE Thiết bị này sử dụng một màn hình lớn đối diện với người dùng Trên màn hình hiển thị cái bóng người dùng Hệ thống cũng có khả năng hiển thị nhiều người sử dụng trên cùng một màn hình

Hình 1.5 Myron Kreuger và Thiết bị VIDEOPLACE-1970

Những ý tưởng này được hai nhà khoa học Mỹ ở NASA là Scott Fisher (1963) và McGreevy (1957) kết hợp lại trong một dự án có tên là “Trạm làm việc ảo” (Visual Workstation) vào năm 1984 Cũng từ đó NASA phát triển thiết

bị Hiển thị đội đầu có tính thương mại đầu tiên, thiết kế dựa trên mẫu hình mặt

nạ lặn với các màn hình quang học mà ảnh được cung cấp bởi hai thiết bị truyền hình cầm tay Sony Watchman Sự phát triển của thiết bị này đã thành công ngoài

dự đoán, bởi NASA đã sản xuất được một thiết bị HMD có giá chấp nhận được trên thị trường và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời

Hình 1.6 Scott Fisher, McGreevy và Thiết bị HMD-1984 của NASA

Công nghệ Thực tại ảo từ những năm 90 trở lại đây được phát triển mạnh mẽ và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũng như thương mại, giải trí, tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng trong dân dụng và quân sự của nó [6]

Trang 15

1.1.3 Các đặc tính chính của Thực tại ảo

VR là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng

để tạo ra một thế giới "như thật" Hay nói một cách cụ thể VR là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợ của thiết bị hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng để đưa người ta vào một thế giới nhân tạo với không gian như thật

Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống Thế giới

“nhân tạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của người sử dụng nhờ những cử chỉ, hành động, Tức là người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi

sự mô phỏng này Điều này có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi video game Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển, ) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn

sờ và cảm thấy chúng như có thật Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác)

Hai đặc tính chính của VR là Tương tác và Đắm chìm, đây là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều người đã biết Tuy nhiên VR cần có 1 đặc tính thứ 3 mà ít người để ý tới VR không chỉ là một hệ thống tương tác Người - Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự, Các ứng dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế, điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng Tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ 3 của VR Do

đó có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tương tác - Đắm chìm - Tưởng tượng, (3 I : Interactive - Immersion - Imagination)

Trang 16

Hình 1.7 Đặc tính cơ bản của một hệ thống thực tại ảo

1.1.4 Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo

Một hệ thống Thực tại ảo tổng quát bao gồm: Phần mềm (Software), phần cứng (HardWare), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng [6]

Trong luận văn này tôi chỉ tập chung vào phần cứng và phần mềm

Hình 1.8 Các thành phần một hệ thống VR Phần cứng (Hardware)

Phần cứng của một VR tổng quát bao gồm:

Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh)

Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo gồm có: Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử dụng Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) như găng tay dữ liệu (data glove) Thiết bị tương tác với máy tính thông qua thiết bị như chuột (SpaceBall), bàn phím,

Trang 17

Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (Kính mắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị HDM, ) để nhìn được đối tượng 3D Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,

Phần mềm (Software)

Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo cũng như đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào cũng phải bảo đảm hai công dụng chính là: Mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng trong VR

Các đối tượng của VR được mô hình hóa (modelling) tức là tạo dựng

mô hình nhờ chính phần mềm này hay mô hình hoá từ mô hình 2D thành mô hình 3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm như: Maya, 3D Max,…

1.1.5 Các thiết bị cơ bản của hệ thống Thực tại ảo

1.1.5.1 Thiết bị định hướng và chuyển động

DataGloves

Thiết bị đo lường bàn tay phải cảm nhận được cả độ cong của các ngón tay và vị trí, sự định hướng của cổ tay trong thời gian thực Thiết bị thương mại đầu tiên là DataGloves từ viện nghiên cứu VPL DataGloves bao gồm 1 găng tay nylon nhẹ có các cảm biến quang học được gắn ở các ngón tay

Hình 1.9 DataGloves

Trang 18

3D Mouse and SpaceBall

Hình 1.10 3D Mouse và SpaceBall

Chuột Logitech 3D dựa trên một mảng các vị trí siêu âm tham chiếu, là một cái kiềng gồm 3 loa siêu âm đặt ở 3 góc tam giác phát ra tín hiệu siêu thanh Nó được sử dụng để theo dõi thiết bị thu, định hướng và chuyển động

Nó quy định thành phần tỷ lệ gửi ra trong tất cả 6 mức tự do: X, Y, Z, Pitch, Yaw và Roll

Trang 19

Cave

CAVE là 1 nhà hát có kích thước 10 X 10 X 9 được đặt bên trong 1 phòng lớn hơn có kích thước 35 X 25 X 13 Phòng bên ngoài phải được chiếu sáng trong suốt quá trình sử dụng CAVE Các bức tường của CAVE được tạo bởi các màn chiếu và sàn nhà cũng là một màn chiếu thẳng đứng Máy chiếu

độ phân giải cao hiển thị hình ảnh lên toàn bộ nhứng màn ảnh khác bằng các tấm gương phản chiếu Người dùng sẽ đi vào bên trong CAVE và đeo 1 chiếc kính đặc biệt để có thể nhìn thấy những hình ảnh 3 chiều mà CAVE hiển thị Với những chiếc kính này người dùng có thể thấy các đối tượng thực sự nổi trong không khí và có thể đi lại xung quanh chúng Điều này la hoàn toàn khả

dĩ với các cảm biến điện tử Khi một người đi lại trong CAVE, chuyển động của họ được theo dõi bởi các cảm biến này và video sẽ điều chỉnh cho phù hợp Máy tính sẽ kiểm soát việc này của CAVE cũng như khía cạnh âm thanh Không chỉ có hình ảnh 3 chiều mà có cả âm thanh 3 chiều nhờ có rất nhiều loa được đặt trong CAVE dưới nhiều góc độ

Hình 1.14 Cave

1.1.5.2 Thiết bị tương tác và phản hồi

Các thiết bị này cảm nhận một số nhân tố sau của thiết bị khác gây ra: nhiệt độ, vận tốc di chuyển, sự chuyển động, áp lực và các ngoại lực khác

Trang 20

CyberTouch

Hình 1.15 CyberTouch

CyberGrasp

Hình 1.16 CyberGrasp 1.1.6 Ứng dụng của Thực tại ảo

Thực tại ảo được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí,…và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - thương mại Y học là lĩnh vưc ứng dụng truyền thống của Thực tại ảo Bên cạnh đó Thực tại ảo cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí Trong lĩnh vực quân sự Thực tại ảo cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của Thực tại ảo như: Thực tại ảo ứng dụng trong sản xuất, Thực tại ảo ứng dụng trong ngành rôbốt, Thực tại ảo ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ) Thực tại ảo có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Nói tóm lại: Mọi lĩnh vực

"có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "Thực tại ảo" để nghiên cứu

và phát triển hoàn thiện hơn [5]

Trang 21

1.2 Mô phỏng lửa và ý nghĩa

1.2.1 Mô phỏng lửa

1.2.3.1 Tìm hiểu về lửa

Lửa là nhiệt và ánh sáng phát sinh đồng thời từ vật đang cháy (Theo từ điển Tiếng Việt) Lửa (hay sự cháy) là quá trình biến đổi hóa học (thường là phản ứng ôxy hóa) nhanh của vật liệu, tỏa ra nhiệt, các sản phẩm phản ứng và phát ra ánh sáng Các quá trình ôxy hóa chậm khác như gỉ hay thủy phân không bao gồm trong định nghĩa này

Ngọn lửa là một phần biểu hiện thấy được (phát ra ánh sáng) của sự cháy, tạo ra từ các phản ứng hóa học có sự tỏa nhiệt cao (cháy, phản ứng oxy hóa tự duy trì) diễn ra trong môi trường hẹp Ngọn lửa là một trạng thái tồn tại của vật chất và được xếp như một loại khí plasma - bị ion hóa một phần

Để sự cháy xảy ra, phải cần và đủ 3 yếu tố, đó là: chất cháy, ôxy và nguồn nhiệt Thiếu một trong các yếu tố trên hoặc các yếu tố trên không đủ thì sự cháy sẽ không xảy ra Mỗi chất khác nhau có nhiệt độ bốc cháy khác

nhau Màu sắc của ngọn lửa theo nhiệt độ cũng khác nhau, chẳng hạn như:

Trang 22

Hình 1.17 Ngọn lửa

Phân loại: Có nhiều tiêu chí để phân loại lửa

Tự nhiên: Núi lửa, lửa mặt trời, lửa sấm sét, …

Nhân tạo: diêm,bật lửa; lửa hàn; hệ thống đánh điện động cơ, tên lửa…

1.2.3.2 Mô phỏng lửa

Mô phỏng lửa có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phức tạp nhất của mô phỏng Mô phỏng lửa ở dạng mô phỏng động theo thời gian thực hoặc không theo thời gian thực Để mô phỏng lửa mà chỉ yêu cầu dạng mô hình, không yêu cầu độ chính xác cao và không yêu cầu thể hiện đúng bản chất vật lý thì không quá khó Nhưng để mô phỏng được lửa đúng với các tính chất vật lý của nó và hiệu ứng của lửa theo thời gian thực thì quả

là một công việc không dễ dàng Đối với công việc này người ta phải nghiên cứu, xây dựng ra các phương pháp và sẽ cài đặt bằng các ngôn ngữ lập trình thì mới có thể thể hiện được yêu cầu

Cũng như các đối tượng khác, mô phỏng lửa cũng có 2 cách thức riêng biệt Một là sử dụng các công cụ đã được xây dựng sẵn với độ chính xác không cao, hai là sử dụng các ngôn ngữ lập trình thể hiện các phương pháp phức tạp dựa trên cơ sở lý thuyết chặt chẽ Trong giới hạn luận văn này, chúng ta tìm hiểu cách thứ nhất và tập trung chủ yếu nghiên cứu cách thứ hai

1.2.4 Ý nghĩa của mô phỏng lửa

Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhân loại Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúp con người thoát khỏi đời sống nguyên sơ Nhờ đó, lửa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho những sinh hoạt văn hóa cộng đồng của người sơ khai Ngoài duy trì sự sống lửa còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất, vui chơi giải trí…

Trang 23

Có rất nhiều nguồn lửa khác nhau, để đảm bảo cho việc tính toán thiết

kế các ứng dụng của lửa được chính xác và sử dụng có hiệu quả vào cuộc sống việc mô phỏng những ứng dụng của lửa trước khi đưa ra ứng dụng là vô cùng quan trọng Việc kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan khi đưa vào thực hiện nhằm giảm thiểu các rủi ro do lửa gây ra

Ứng dụng mô phỏng lửa trong giáo dục, đặc biệt là trong các trường công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạo máy, cơ khí,… các mô phỏng về lửa với các đối tượng khác hay các đối tượng lửa với nhau sẽ giúp người học

có một cái nhìn trực quan hơn, tiếp thu bài dễ hơn Ví dụ mô phỏng các loại đèn dùng trong quá trình đun nóng ở phòng thí nghiệm hóa học (Hình 1.28)

a Đèn dầu hỏa có thông phong

dài trong phòng thí nghiệm

b Đèn cồn

c Đèn khí Bunsen Hình 1.18 Mô phỏng các loại đèn dùng đun nóng ở phòng thí nghiệm

Tóm lại, việc xây dựng các mô hình mô phỏng lửa và các hiệu ứng của lửa đang là nhu cầu cấp thiết đối với ngành liên quan đến lửa, mà công nghệ

mô phỏng cần phải thực hiện Tuy nhiên, đây vẫn đang là một thách thức lớn của công nghệ mô phỏng

1.3 Mô phỏng lửa trong giáo dục

Như chúng ta đã biết chương trình học ở các cấp được thiết kế theo mô hình đồng tâm xoắn ốc Kiến thức vật lý về phần nhiệt học cũng không nằm

Trang 24

ngoài quy luật đó Qua tìm hiểu chương trình học phổ thông, các trường chuyên nghiệp, dạy nghề các thí nghiệm liên quan đến lửa xuất hiện khá nhiều trong lĩnh vực vật lý, hóa học việc thực hiện các thí nghiệm thật này nhiều khi gây khó khăn, nguy hiểm cho giáo viên và học sinh Chính vì vậy

sử dụng phương pháp mô phỏng cho các thí nghiệm này rất hiệu quả, an toàn

Trong khuôn khổ báo cáo luận văn này em xin tập trung thống kê một

số thí nghiệm trong lĩnh vực khoa học, vật lý về lửa có thể sử dụng phương pháp mô phỏng Cụ thể:

1.3.1 Sách giáo khoa phổ thông

Ở môn khoa học lớp 4 có thể sử dụng phương pháp mô phỏng để mô phỏng một số thí nghiệm liên quan đến lửa (bảng 1.1.)

Bảng 1.1: Một số thí nghiệm về lửa môn khoa học lớp 4

Cây nến trong lọ nhỏ tắt trước, trong lọ to cháy lâu hơn

Dùng một lọ thuỷ tinh không có đáy, úp vào cây nến đang cháy

Ngọn nến trong lọ bị tắt

vì không khí trong lọ không được lưu thông Dùng một lọ thuỷ tinh không có

đáy, úp vào cây nến đang cháy đế gắn cây nến khoét 1 góc

Không khí ở ngoài tràn vào tiếp tục cung cấp oxi để duy trì ngọn lửa

3 Bài 37:

Tại sao có gió?

Đặt 1 cây nến đang cháy dưới ống A, vài mẩu hương cháy đã tắt lửa nhưng còn bốc khói dưới ống B

Không khí ở ống A nóng lên, nhẹ đi và bay lên cao, không khí ở ống b lạnh, nặng hơn và đi xuống Môn vật lý lớp 6 trong phần nhiệt học có một số thí nghiệm liên quan đến lửa (bảng 1.2)

Trang 25

Bảng 1.2: Một số thí nghiệm về lửa môn vật lý lớp 6

đồng & thép), được tán chặt vào nhau dọc theo chiều dài tạo thành 1 băng kép

Quan sát hình dạng băng kép nếu được

hơ nóng trong 2 trường hợp sau:

+ Mặt đồng ở phía dưới + Mặt đồng ở phía trên

Băng kép bị cong

về phí thanh đồng

vì đồng giãn nở nhiều hơn

3 Bài 23: Thực hành

đo nhiệt độ

Đốt đèn cồn để đun nước trong 10 phút

Cứ sau 1 phút ghi lại nhiệt độ của nước vào bảng theo dõi nhiệt độ

Để băng phiến nguội dần theo dõi nhiệt

độ và trạng thái của băng phiến từ

Hiện tượng trên mặt nước

Hiện tượng trong lòng nước

40-70 Có 1 ít hơi nước bay lên Các bọt khí bắt đầu

xuất hiện ở đáy bình 71-83

Mặt nước bắt đầu xáo động Các bọt khí nổi lên

100 Mặt nước xáo động mạnh,

hơi nước bay lên rất nhiều

Các bọt khí nổi lên nhiều hơn, càng đi lên càng to ra, khi tới mặt thoáng thì

vỡ tung Nước sôi sùng sục

Trang 26

1.3.2 Giáo trình trong các trường chuyên nghiệp, dạy nghề

Giáo trình Lý thuyết cháy dùng cho SV các ngành Cơ khí Động lực và công nghệ Nhiệt - lạnh cũng có một số thí nghiệm liên quan đến lửa có thể dùng phương pháp mô phỏng để mô tả (bảng 1.3)

Bảng 1.3: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy

- Không hỗn hợp trước chảy tầng

- Không hỗn hợp trước chảy rối

Sự ổn định của ngọn lửa hỗn hợp trước

4.2 Cháy

khuếch tán

Cháy tầng Cháy khuếch tán rối

Sự ổn định ngọn lửa khuếch tán và vật giữ ngọn lửa 4.3 Ngọn lửa

- Cháy than trong buồng đốt lớp chặt

- Cháy than trong buồng đốt tầng sôi

- Cháy than trong buồng đốt than bụi

Trang 27

Chương 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA

2.1 Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based

Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based phù hợp cho ngọn lửa mịn và hỗn loạn Nó có thể được sử dụng để tạo hiệu ứng đốt nhiên liệu rắn hoặc khí Sử dụng phương trình Navier-Stokes không nén được để mô hình độc lập nhiên liệu bay hơi và các sản phẩm khí nóng Phát triển mô hình Physically-based cho việc mở rộng diễn ra khi nhiên liệu bốc hơi phản ứng để tạo thành sản phẩm khí nóng và một mô hình liên quan đến việc mở rộng tương tự diễn ra khi nhiên liệu rắn bay hơi vào trạng thái khí Sản phẩm khí nóng, khói và bồ hóng tăng dưới ảnh hưởng của sức nổi và kết xuất bằng cách sử dụng mô hình bức xạ vật đen

Mô hình và đưa ra các lõi màu xanh là kết quả của gốc tự do trong múi phản ứng hóa học trong đó nhiên liệu được chuyển đổi thành các sản phẩm Phương pháp Physically-based cho phép lửa và khói tương tác với các đối tượng và các vật dễ cháy có thể bắt lửa

2.1.1 Kỹ thuật mô phỏng Physically-based

2.1.1.1 Định nghĩa Physically System

Physically System được định nghĩa như sau:

Một Physically System là một hệ vật lý được mô phỏng lại (thông thường với kích cỡ được thu nhỏ) sao cho các lực chủ yếu tác dụng lên hệ được mô phỏng ở mô hình bằng một tỷ lệ chính xác với hệ vật lý thực tế

2.2.1.2 Đặc tính của Physically System

Mục tiêu dài hạn của Physically System là phát triển phương pháp cho phép xác định, thiết kế, xây dựng và kiểm soát mô hình tính toán của các hệ thống vật lý không đồng nhất của các đối tượng

Physically System đã trở thành thuật ngữ cho một loạt các kỹ thuật mà tất cả các phương pháp chia sẻ xác định các nguyên tắc vật lý về hành vi của

Trang 28

mô hình Một Physically System là đại diện toán học của một đối tượng (hoặc hành vi) trong đó kết hợp các đặc tính vật lý như lực tác động, lực truyền động và năng lượng vào mô hình, cho phép mô hình hành vi của đối tượng Trong đồ họa máy tính, các yếu tố phổ biến là động lực cổ điển (chuyển động dựa trên lực lượng, khối lượng, quán tính, …) với các cơ quan, cứng hoặc có linh hoạt, tương tác giữa các cơ quan kiểm soát…

Trong tầm nhìn máy tính tiền tố Physical-based được sử dụng để biểu thị hai phương pháp tiếp cận:

1 Trong phương pháp tiếp cận đầu tiên, hình ảnh được đưa vào xem xét để liên kết thế giới thực 3D cho hình ảnh đầu vào tới một hệ thống thị giác Mô hình hóa các tính chất của bề mặt và bộ cảm biến để khai thác các hiện tượng như màu sắc, che bóng, điểm nổi bật, phân cực và liên phản ánh… giải thích hình ảnh Các mô hình vật lý dẫn đến thuật toán mới cho phân khúc hình ảnh và thu được các kết quả của bề mặt như hình dạng, phản xạ quang phổ và vật chất

2 Cách tiếp cận thứ hai sử dụng các nguyên tắc vật lý để tạo thành mô hình trừu tượng Bề mặt của mô hình được cấu tạo từ vật liệu đàn hồi mô phỏng mà làm biến dạng để đáp ứng với lực áp dụng Xây dựng các mô hình, tạo ra khuôn mô hình mẫu mong muốn Ví dụ, sự phát triển của các mô hình thông qua thời gian có thể được mô tả bằng phương trình vi phân, có thể được giải quyết số lượng ước tính hình dạng và các thông số chuyển động của một đối tượng di chuyển

Mô hình mới này nhằm mục đích tạo ra khái niệm trừu tượng và các đại diện toán học của đối tượng di chuyển và hình dạng của chúng thay đổi theo thời gian Tính chất ràng buộc hình học, tính chất cơ học của các đối tượng, các thông số đại diện cho hình dạng của một đối tượng và sự kiểm soát của chuyển động của nó được đưa vào khuôn khổ khái niệm tương tự

Trang 29

2.1.2 Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Physically-based

2.1.2.1 Khái quát thuật toán

Cũng giống như các chương trình mô phỏng chất lưu khác, chúng ta chia thủ tục mô phỏng thành một số bước chính Đầu tiên trường vận tốc được cập nhật, và ở bước sau trường vận tốc này được sử dụng để cập nhật sự thay đổi của bề mặt

Trong phương pháp này, người ta sử dụng một lưới 3D Vận tốc của chất lưu được biểu diễn bằng mặt của các ô lưới Bề mặt giữa các chất lỏng - khí được biểu diễn bằng trường khoảng cách Trường khoảng cách là trung tâm của cách tiếp cận này vì nó là trường được thay đổi để tạo ra bề mặt ảo Tóm lại, lửa được thể hiện dựa vào bề mặt, việc tìm bề mặt được giải quyết bằng phương pháp ngoại suy bề mặt ảo và việc theo dõi sự vận động của bề mặt thoáng của chất lỏng được giải quyết bằng phương pháp level set

Ngoài ra, người ta còn có thể áp dụng các phương pháp cơ sở vào thuật toán này vẫn thực hiện được mục đích mô phỏng Ví dụ đầu tiên sử dụng phương pháp Implicit Euler [11] để giải quyết khuyếch tán mômen, phương pháp semi-lagrangian [11] để tính toán bình lưu vận tốc và cuối cùng là giải phương trình Possion

2.1.2.2 Mô hình mô phỏng lửa

Mô hình các hiện tượng tự nhiên như lửa và ngọn lửa vẫn còn là một vấn đề khó khăn trong đồ họa máy tính Mô phỏng hành vi của chất lỏng cho các hiệu ứng đặc biệt như mô tả khói, nước, lửa và các hiện tượng thiên nhiên khác Hiệu ứng lửa do tính chất nguy hiểm của nó, mô phỏng lửa cũng quan tâm các hiệu ứng thực tế ảo

Lực tác động Khuyếch tán Bình lưu Chiếu với sức căng bề mặt Tạo khoảng cách

Cập nhật vận tốc Cập nhật bề mặt

Trang 30

Quá trình đốt có thể được phân loại một cách lỏng lẻo thành hai loại riêng biệt chứ không phải hiện tượng: vụ nổ và bùng cháy Trong quá trình phản ứng hóa học chuyển đổi nhiên liệu thành sản phẩm khí nóng, bùng cháy

là những sự kiện tốc độ thấp như lửa và ngọn lửa, trong khi vụ nổ những sự kiện tốc độ cao là quan trọng như vụ nổ nơi sóng chấn động và các hiệu ứng nén khác Các sự kiện tốc độ thấp, bùng cháy có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình cho dòng chảy không nén, phương trình không nén nhớt Euler Phương trình này có thể được giải quyết một cách hiệu quả bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận dịch ổn định bán Lagrange

Hình 2.1: Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa

Một khía cạnh quan trọng thường bị bỏ quên của mô hình lửa và ngọn lửa liên quan đến việc mở rộng các nhiên liệu phản ứng để tạo thành sản phẩm khí nóng Mở rộng này là lý do cho sự viên mãn thị giác quan sát trong nhiều ngọn lửa và bảo vệ thị giác trước sự bất ổn Từ các phương trình không nén mở rộng, đề xuất mô hình ngọn lửa mỏng đơn giản Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một bề mặt tiềm ẩn đại diện cho khu vực phản ứng, nơi nhiên liệu khí được chuyển thành sản phẩm khí nóng Khu vực phản ứng thực tế có bề dày khác không (nhỏ), xấp xỉ ngọn lửa mỏng hoạt động tốt cho các mô hình trực quan

2.1.2.3 Mô hình mô phỏng ngọn lửa mỏng [11]

Thực hiện mô hình ngọn lửa mỏng như sau:

1 Đầu tiên, một mặt ngầm động được sử dụng để theo dõi các khu vực phản ứng, nơi nhiên liệu khí được chuyển thành sản phẩm khí nóng

Trang 31

2 Sau đó sử dụng phương trình dòng chảy không nén được mô hình hoá độc lập nhiên liệu khí và sản phẩm khí nóng

3 Cuối cùng, các phương trình dòng chảy không nén được cập nhật lại với nhau kết hợp sử dụng khối lượng thực tế và động lực bảo tồn như là khí phản ứng tại giao diện

Điều này khá phù hợp cho tìm kiếm ngọn lửa thành lớp (mịn), hạn chế xoáy Vì lý do hiệu quả trong máy tính mô phỏng đồ họa, mô hình quy mô cấu trúc ngọn lửa hỗn loạn lớn lưới thô khó có thể nắm bắt đối tượng sử dụng

Nó cũng bao gồm các tính năng khác quan trọng đối với mô phỏng hình ảnh, chẳng hạn như các tác động nổi được tạo ra bởi khí nóng và sự tương tác của lửa với vật dễ cháy và không cháy Ngọn lửa như một phương tiện tham gia với bức xạ vật đen, trong dựng hình chú ý thích ứng màu sắc của người quan sát để có được màu sắc chính xác của đám cháy

2.1.3 Cơ sở vật lý

Một ngọn lửa nhiều lớp kết cấu đơn giản đã được ánh xạ lên một ngọn lửa ngầm và sau đó áp dụng một mô hình vận tốc lan truyền từ đốt đến ngọn lửa Trao đổi nhiệt giữa các đối tượng bằng cách chiếu đến môi trường Sự lây lan của ngọn lửa là chức năng của nhiệt độ và nhiên liệu Một mô hình sáng tạo tương tự trong không gian ba chiều cho chữa cháy và lây lan của lửa Sự lây lan của ngọn lửa được điều khiển bởi lượng nhiên liệu có sẵn, môi trường không gian và các điều kiện ban đầu Trường vận tốc được xác định trước, sau đó các trường nhiệt độ và mật độ được bình lưu sử dụng một loại phương trình bình lưu - khuếch tán Tích hợp hệ thống tạo ra môi trường thiết kế dựa trên mô phỏng cho xây dựng hệ thống phòng cháy chữa cháy Một ứng dụng của ánh lửa vật lý chính xác, tác động của các loại nhiên liệu khác nhau về màu sắc của ngọn lửa và cảnh thắp sáng

Ở đây không xem xét hiện tượng đốt tốc độ cao như vụ nổ mà tập trung vào phần đám mây bùng nổ của các sự kiện nổ sử dụng phương pháp phân đoạn tiếng ồn Mô hình và hình dung phần sóng nổ của một vụ nổ dựa

Trang 32

trên phương pháp đường cong nổ Đồng thời kết hợp các mô hình sóng nổ với một thân mô phỏng chuyển động cứng nhắc để sản xuất hình ảnh động thực tế của mảnh vụn bay Mô hình một vụ nổ trong không khí bằng cách sử dụng động lực học chất lỏng để giải quyết các phương trình nén, dòng chảy nhớt

Hệ thống gồm hai cách khớp nối giữa các đối tượng rắn và chất lỏng xung quanh và sử dụng công nghệ gãy Trong khi các phương trình dòng chảy nén rất hữu ích cho mô hình sóng xung kích và hiện tượng nén khác, một bước thời gian hạn chế rất nghiêm ngặt liên quan đến sóng âm Sử dụng phương trình dòng chảy không nén được để tránh sự hạn chế này làm cho phương pháp tính toán hiệu quả hơn

2 Hiện tượng hình ảnh thứ hai là bức xạ vật đen phát ra bởi các sản phẩm khí nóng, đặc biệt là bồ hóng cacbon liên kết với lửa được đặc trưng bởi màu vàng - cam Để mô hình này đạt tới độ chính xác hình ảnh cần phải theo dõi nhiệt độ liên kết với một ngọn lửa (hình 2.2 từ trái sang phải) Nếu nhiên liệu rắn (lỏng) bước đầu tiên là làm nóng chất rắn (lỏng) cho đến khi nó chuyển sang trạng thái khí (đối với nhiên liệu khí, bắt đầu là trạng thái khí) Sau đó, khí nóng lên cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ đánh lửa tương ứng với

bề mặt tiềm ẩn và bắt đầu của vùng lõi màu xanh mỏng Nhiệt độ tiếp tục tăng

để thu được phản ứng đạt tối đa trước khi làm mát bức xạ và các hiệu ứng pha trộn làm giảm nhiệt độ

Trang 33

Hình 2.2: Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu

3 Khi nhiệt độ giảm, bức xạ vật đen rụng đi cho đến khi không nhìn thấy màu vàng - cam Các hiệu ứng hình ảnh thứ ba và cuối cùng cần giải quyết là khói hoặc muội Trong một số ngọn lửa sau khi nhiệt độ nguội đi tới điểm các bức xạ vật đen không còn nhìn thấy được Có thể mô hình hiệu ứng này bằng cách thực hiện cùng một biến mật độ tương tự như nhiệt độ Người

ta có thể dễ dàng thêm các phần tử đại diện cho mảnh nhỏ của bồ hóng, trọng tâm là ngọn lửa không khói Hình 2.3 cho thấy hút thuốc cùng với ngọn lửa khí, sản phẩm khí nóng và bồ hóng phát ra bức xạ vật đen chiếu sáng khói

Hình 2.3: Hút thuốc cùng với ngọn lửa khí

2.1.4.1 Lõi màu xanh

Bề mặt tiềm ẩn tách nhiên liệu khí từ các sản phẩm khí nóng và không khí xung quanh Ví dụ như bơm nhiên liệu khí vào một ống hình trụ Nếu nhiên liệu không được đốt cháy, bề mặt tiềm ẩn chỉ cần di chuyển với tốc độ tương tự như các nhiên liệu khí được bơm Tuy nhiên, khi nhiên liệu phản ứng, di chuyển trên bề mặt ngầm tại vận tốc của nhiên liệu không phản ứng cộng với tốc độ ngọn lửa S nhiên liệu nhanh chóng được chuyển đổi thành các sản phẩm khí S cho tốc độ của nhiên liệu khí không phản ứng được băng qua

bề mặt tiềm ẩn trở thành sản phẩm khí nóng

Trang 34

Diện tích xấp xỉ bề mặt lõi màu xanh A S được ước tính bằng công thức:

S f

A : khu vực, ví dụ A f là mặt cắt ngang của ống hình trụ

Kết quả từ phương trình này làm mất đi mật độ trong phương trình bảo toàn khối lượng Vế trái là nhiên liệu được bơm vào khu vực giới hạn bởi bề mặt tiềm ẩn và vế phải là nhiên liệu để lại khu vực này vượt qua bề mặt tiềm

ẩn biến thành sản phẩm khí Từ phương trình này, chúng ta thấy rằng việc bơm nhiều (ít) khí tương đương với tăng (giảm) v f

trong lõi màu xanh lớn hơn (nhỏ hơn) Tương tự như vậy, gia tăng (giảm) tốc độ phản ứng S trong lõi màu xanh nhỏ hơn (lớn hơn) Trong khi chúng ta có thể biến vận tốc lên hoặc xuống trên phản lực trụ, phản ứng tốc độ S là một thuộc tính của nhiên liệu

Ví dụ, S 0 44m/s cho nhiên liệu khí propan đã được trộn phù hợp với chất oxy hóa Hình 2.1.4 cho thấy ảnh hưởng của sự thay đổi các tham số S Giá trị nhỏ hơn của S cho lõi màu xanh với diện tích bề mặt thể hiện trong hình Khu vực phản ứng lõi màu xanh với các giá trị lớn (trái) và nhỏ (bên phải) của phản ứng ngọn lửa tốc độ S (sự bất ổn gia tăng về bên phải)

Hình 2.4: Khu vực phản ứng lõi màu xanh ngọn lửa tốc độ S

Xấp xỉ ngọn lửa mỏng này là khá chính xác với ngọn lửa sẵn sàng cho quá trình đốt cháy nơi nhiên liệu và chất oxy hóa được trộn để các khí được

Trang 35

thêm vào Với ngọn lửa không trộn (ngọn lửa khuếch tán) hơi khác Trong ngọn lửa khuếch tán, nhiên liệu được thêm vào có kết hợp với một chất oxy hóa xung quanh trước khi nó có thể đốt cháy Hình 2.5 cho thấy việc bơm nhiên liệu ra khỏi một ống hình trụ Đường cong hình nón là vị trí dự đoán của lõi màu xanh cho một ngọn lửa trộn trong khi các đường cong tròn lớn hơn là vị trí dự đoán của lõi màu xanh cho ngọn lửa khuếch tán Ngọn lửa khuếch tán lõi có xu hướng mất một thời gian lớn hơn để phun nhiên liệu và chất oxy hóa xung quanh để trộn Quá trình khuếch tán phân tử nhỏ này bị chi phối bởi thứ tự phương trình vi phân từng phần, thứ hai là mô hình tính toán tốn kém Do đó với mục đích hình ảnh, chúng tôi mô hình ngọn lửa khuếch tán có lõi màu xanh lớn hơn chỉ đơn giản bằng cách sử dụng một giá trị nhỏ hơn của S so với sử dụng cho một ngọn lửa trộn tương ứng

Mở rộng này là quan trọng để mô hình vì nó thay đổi quỹ đạo của khí

và cái nhìn tiếp theo và cảm nhận của ngọn lửa như các yếu tố riêng lẻ đi qua

hồ sơ nhiệt độ Các yếu tố riêng lẻ không đi thẳng lên khi đi qua phía trước phản ứng, thay vì chuyển ra bên ngoài do ảnh hưởng của việc mở rộng Rất

Trang 36

khó để có được ngọn lửa hỗn loạn thị giác đầy đủ mà không cần mô hình hóa tác dụng mở rộng này Trong thực tế, nhiều học viên trông nhờ đến một số khuôn mức thấp (và rất nhiều con số ngẫu nhiên) trong một nỗ lực để mô tả lại hành vi này, trong khi chúng ta có được hành vi bản chất bằng cách sử dụng các mô hình thích hợp Tham số mở rộng thường được coi là một tỷ lệ mật độ, f / h trong đó f là mật độ của nhiên liệu khí và h là mật độ của các sản phẩm khí nóng Hình 2.7 cho thấy ba ngọn lửa cạnh nhau (side- by-side) với số lượng ngày càng tăng của việc mở rộng từ trái sang phải Việc

mở rộng làm cho những ngọn lửa xuất hiện đầy đủ hơn Ở đây sử dụng

f =1kg/m3 (về mật độ không khí) cho tất cả ba ngọn lửa với hlần lượt từ trái sang phải 0.2kg/m3, 0.lkg/m3 và 0.05kg/m3

Hình 2.7: So sánh hình dạng ngọn lửa của việc mở rộng khí

Sử dụng tập hợp các phương trình dòng chảy không nén để mô hình nhiên liệu, mô hình sản phẩm khí nóng và luồng không khí xung quanh Mô hình cho các khớp nối hai bộ phương trình dòng chảy không nén được cùng nhau qua giao diện theo cách mô hình mở rộng diễn ra trên mặt trước phản ứng Giả sử khối lượng và động lực được bảo tồn chúng ta có thể lấy được các phương trình sau đây cho các khớp nối trên mặt trước ngọn lửa mỏng:

)(

)(V h D f V f D

f f

f h h

Trang 37

S V

D f : tốc độ bề mặt ngầm theo hướng thông thường

Những phương trình này chỉ ra rằng vận tốc và áp lực không liên tục trên mặt trước ngọn lửa Do đó, cần phải thận trọng khi dùng các dẫn xuất của các số lượng như được yêu cầu khi giải quyết các phương trình dòng chảy không nén được (Vận tốc tiếp tuyến là liên tục trên mặt trước ngọn lửa.)

2.1.4.3 Nhiên liệu rắn

Khi xem xét nhiên liệu rắn, có hai mở rộng cần phải được nhắc tới Bên cạnh việc mở rộng trên mặt trước ngọn lửa, mở rộng tương tự xảy ra khi các chất rắn được chuyển thành chất khí Tuy nhiên, S tương đối nhỏ (hầu hết các chất rắn đốt cháy từ từ trong một cảm giác trực quan), vì vậy có thể sử dụng các ranh giới của các nhiên liệu rắn như trước phản ứng Vì không nhận thấy

mô hình áp lực trong chất rắn, chỉ có phương trình 2 được áp dụng Viết lại phương trình này như sau:

) (

) ( Vf D s Vs D

s

s,V : mật độ và tốc độ của nhiên liệu rắn Thay thế D (V s S), ta có:

S V

Vf s ( s / f 1 ) (5)

Thay đổi mô hình giai đoạn này bằng cách bơm khí ra khỏi nhiên liệu rắn với vận tốc thích hợp Điều này có thể được sử dụng để thiết lập tùy ý các vật thể rắn có hình dạng trên lửa miễn là chúng có bề mặt phù hợp gán cho mỗi hướng của phun khí

Trong Hình 2.8, mô phỏng một đống lửa trại sử dụng hai bản ghi (log) hình trụ như nhiên liệu rắn bơm khí ra khỏi các bản ghi trong một hướng đi phù hợp với các đơn vị bề mặt cục bộ thông thường Các cuộn ngọn lửa hiện thực từ cơ sở các bản ghi Khả năng bơm (hoặc không bơm) nhiên liệu khí riêng lẻ trên bề mặt của một vật rắn phức tạp cho phép làm cử động vật thể bắt lửa, đốt cháy các phần khác nhau của một đối tượng ở mức độ khác nhau hoặc không gì cả (bằng cách sử dụng không gian vận tốc bơm khác nhau) và dập tắt nhiên liệu rắn chỉ đơn giản bằng cách tắt vận tốc bơm

Trang 38

Hình 2.8: Hai bản ghi sử dụng để phát ra nhiên liệu

2.1.5 Thực hiện

Sử dụng rời rạc hóa không gian ô thể tích 3 chiều với khoảng cách h đồng đều Bề mặt ngầm, nhiệt độ, mật độ và áp suất được quy định tại các trung tâm ô thể tích và được ký hiệu là j k , T j,k, j k và p j,k; i,j,k = 1,

,N Vận tốc được xác định vào bề mặt ô và sử dụng chỉ số ký hiệu nửa chiều:

k j,

2.1.5.1 Phương trình Level Set

Trong mô phỏng chất khí việc theo dõi khu vực phản ứng (lõi màu xanh ) bằng cách sử dụng phương thức thiết lập mức độ để theo dõi bề mặt ngầm di chuyển là tích cực trong khu vực không gian đầy nhiên liệu, tiêu cực ở nơi khác và = 0 tại khu vực phản ứng

Di chuyển trên bề mặt ẩn với vận tốc

Sn u

Trang 39

thiết, ví dụ như x ( i+1,j,k i-1,j,k) / 2h Giá trị trung bình tiêu chuẩn xác định

f

u tại các trung tâm bề mặt, ví dụ như ui,,j,k ui-1/2, k ui1/2, k) / 2

Chuyển động của bề mặt tiềm ẩn được xác định thông qua

.

w

t t (6) và được giải quyết tại mỗi điểm lưới sử dụng

) ( 1 x 2 y 3 z

old new

w w

ưu và hiệu quả giải phương trình bậc hai và phân loại điểm với một cấu trúc

dữ liệu nhị phân Sau đó xây dựng sự khác biệt hữu hạn của thuật toán này đang sử dụng

2.1.5.2 Phương trình Euler

Sử dụng một bộ riêng biệt của phương trình Euler không nén đối với từng mô hình dòng chảy của nhiên liệu khí và sản phẩm khí nóng Không nén được thực thi thông qua bảo toàn khối lượng (hoặc thể tích), tức là .u=0 Trong đó u=(u,v,w) là vận tốc Các phương trình vận tốc

Được giải quyết cho hai phần Đầu tiên, sử dụng phương trình này để tính vận tốc trung gian u* bỏ qua các đại lượng áp lực và sau đó sử dụng thêm

áp lực

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	1,07 MB