Mô phỏng lửa bằng Particle Based và Physical Based

Thực tại ảo (Virtual Reality) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới “như thật”. Hơn nữa, thế giới “nhân tạo” này không tĩnh lại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,…). Điều này xác định một đặc tính chính của. Thực tại ảo, đó là tương tác thời gian thực (realtime interactivity). Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. 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. 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.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BLEVE Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trong những năm gần đây đã ít nhiềulàm thay đổi cuộc sống con người 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 tậphuấn Điển hình của ứng dụng công nghệ thông tin là sử dụng công nghệ môphỏng để tái tạo các sự vật, hiện tượng, trong thế giới thực Thông qua những thínghiệm, những ví dụ mô tả sát thực, giải thích, minh họa những quá trình, hệthống, hiệu ứng phức tạp trên máy tính giúp cho người học hứng thú hơn, kiếnthức 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 đólửa 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 minhquan trọng nhất của nhân loại Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúpcon người thoát khỏi đời sống nguyên sơ Để đảm bảo cho việc tính toán thiết kếcác 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 quantrọng Ngoài ra, việc mô phỏng lửa cũng giúp cho lực lượng phòng cháy chữacháy hiểu rõ để công tác tốt trong việc phòng cháy chữa cháy

Tại Việt Nam, trong thời điểm gần đây xảy ra rất nhiều vụ cháy Việc tìmhiểu kỹ thuật mô phỏng lửa, các phương pháp mô phỏng để mô phỏng lửa trêncác vật liệu cháy khác nhau giúp cho lực lượng phòng cháy chữa cháy thực hiệntốt công việc Bài toán đặt ra đối với lực lượng cảnh sát phòng cháy chữa cháyphải hiểu rõ bản chất cháy trên các vật liệu, tốc độ cháy để kịp thời ứng phó vàchữa cháy Vậy nên, nhóm em chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lửa ”làm đề tài nghiên cứu Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm em tập trung trình bàytổng quan kỹ thuật mô phỏng lửa, phương pháp mô phỏng lửa

2 Mục tiêu của Chuyên đề

- Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứu tổng quan về thực tại ảo và kỹ thuật

Muốn hoàn thành được mục tiêu trên, bài báo cáo phải thực hiện nhiệm vụsau:

- Tìm hiểu chung về thực tại ảo, các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo vàgiới thiệu về bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo

- Phương pháp mô phỏng lửa phương pháp Physically-based và phươngpháp Particle-based

- Tìm hiểu công cụ mô phỏng Unity3D

3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lửa và phương pháp môphỏng lửa

4 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu chủ yếu áp dụng trong học tập và ngành Công an đặc biệtlực lượng phòng cháy chữa cháy Sản phẩm bao gồm 01 bản báo cáo và Demo,sản phẩm phục vụ học tập, nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

∗ Phương pháp chủ đạo

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

+ Tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng lửa và phương pháp mô phỏng lửa

+ Tìm hiểu công cụ để mô phỏng

+ Từ các hệ thống giáo trình thực tải ảo

+ Từ các nghiên cứu của những người nghiên cứu trước đó, các sách, tạpchí, các đề tài khoa học có liên quan đến đề tài

+ Từ các thông tin trên mạng Internet

∗ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+ Tiến hành thử nghiệm trên công cụ mô phỏng được chọn

+ Đánh giá kết quả đạt được

6 Nội dung nghiên cứu

- Trình bày các hướng nghiên cứu cơ bản giới thiệu chung về thực tại ảo,các ứng dụng cơ bản của thực tại ảo và giới thiệu về bài toán mô phỏng lửatrong thực tại ảo

- Trình bày và phân tích các phương pháp mô phỏng lửa Đề tài sẽ tập trungphân tích vào 2 phương pháp cơ bản là phương pháp Physically-based vàphương pháp Particle-based

- Trình bày về công cụ mô phỏng, bài toán mô phỏng lửa trong thực tại ảo;Đánh giá các kết quả đạt được

7 Dự kiến sản phẩm đạt được

Bao gồm 2 sản phẩm chính:

- Thứ nhất: Bản báo cáo tổng hợp nội dung nghiên cứu

- Thứ hai: Chương trình Demo

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT THỰC TẠI ẢO VÀ MÔ PHỎNG LỬA 1.1 Khái niệm thực tại ảo

1.1.1 Khái niệm Thực tại ảo [ 1 ]

Thực tại ảo (Virtual Reality) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họamáy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới “như thật” Hơn nữa, thế giới

“nhân tạo” này không tĩnh lại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tín hiệuvào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,…) Điều này xác định một đặctính chính của Thực tại ảo, đó là tương tác thời gian thực (real-timeinteractivity) Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biếtđược tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người

sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bịthu hút bởi sự mô phỏng này

Thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện phát triển mạnh trong vòng vàinăm trở lại đây, đang trở thành một ngành công nghệ mũi nhọn nhờ khả năngứng 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 VRtheo nhiều cách khác nhau

Hiện nay, có nhiều định nghĩa về Thực tại ảo, một trong các định nghĩađược chấp nhận rộng rãi là của C.Burdea và P.Coiffet thì có thể hiểu Thực tại ảotương đối chính xác như sau: Thực tại ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữaNgười sử dụng và Máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượngtheo thời gian thực có tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảmgiác (ngũ giác) gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác

Hình 1.1.1.1.1 Giao diện giữa người và thực tế ảo

Một cách lý tưởng, người sử dụng có thể tự do chuyển động trong khônggian ba chiều, tương tác với các vật thể ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ởnhững 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 vàocác giác quan thị giác, thính giác, xúc giác của người sử dụng trong thời gianthực làm người sử dụng có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực.

1.1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ Thực tại ảo

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

Thuật ngữ “Thực tại ảo” mới được quan tâm trong một vài năm gần đâyxong nó lại có lịch sử từ khá lâu Cách đây khoảng gần 40 năm một nhà làmphim 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 mộtthế giới khác Sử dụng hệ thống này người quan sát có cảm giác ảnh đang sốngđộng ngay trước mắt mình Do không có sự hỗ trợ về tài chính Heilig không thểhoàn thành ước mơ của mình, xong ông cũng đã tạo ra được một thiết bị môphỏng gọi là “Sensorrama Simulator”, thiết bị này được công bố vào khoảng đầunhững năm 1960

Hình 1.1.2.1.1 Hình ảnh về thiết bị mô phỏng Sensorrama-1960

Thiết bị mô phỏng Sensorrama sử dụng hình ảnh 3D, thu được từ camera35mm kết hợp thành một camera chính Bao gồm một hệ thống âm thanh kếthợp với những cảnh quay 3 chiều thực sự Người nhìn có thể cưỡi một cái xemáy, có thể cảm thấy gió khi chuyển động, thậm chí họ có thể cảm thấy nhữngđoạn 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 Utahtiếp tục nghiên cứu vấn đề Heilig đã bỏ dở Sutherland cho rằng cảnh quaytương tự không đáp ứng được yêu cầu thực tế Anh bắt đầu ý tưởng của một bộtăng tốc đồ hoạ và đã chế tạo được hệ thống thiết bị hiển thị đội đầu (Head

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

Hình 1.1.2.1.2 Ivan Sutherland và thiết bị mô phỏng HMD-1970

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

Hình 1.1.2.1.3 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 làmviệc 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 truyềnhình 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 đượctrên thị trường và như vậy ngành công nghiệp Thực tại ảo đã ra đời

Hình 1.1.2.1.4 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 rãitrong mọi lĩnh vực như: nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo cũngnhư thương mại, giải trí, tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng trongdân dụng và quân sự của nó

1.1.3 Các đặc tính chính của Thực tại ảo [ 1 ]

VR (Virtual Reality) là một hệ thống mô phỏng trong đó đồ họa máy tínhđược sử dụng để tạo ra một thế giới “như thật” Hay nói một cách cụ thể VR làcông nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều, với sự hỗ trợcủa thiết bị hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng để đưa người ta vàomột thế giới nhân tạo với không gian như thật

Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quansát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống Thế giới “nhântạo” này không tĩnh tại mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của người sửdụng nhờ những cử chỉ, hành động, Tức là người sử dụng nhìn thấy sự vậtthay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏngnày 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 dụngđang trải nghiệm Nhưng VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác độnglên tất cả các kênh cảm giác của con người Trong thực tế, người dùng khôngnhững nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển, ) đượcđối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như cóthật

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 đặctính 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 đềthật 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 conngười, 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, (Interactive Immersion - Imagination).

-Hình 1.1.3.1.1 Các đặc tính chính của Thực tại ảo 1.1.4 Phân loại hệ thống Thực tại ảo

Hệ thống VR được phân ra 3 loại chính là: Hệ thống VR không nhập vai(non - Immersive), Hệ thống VR bán nhập vai (Semi-Immersive) và Hệ thống

VR nhập vai (Immersive) Một số cách phân loại khác dựa vào mức độ phức tạphoặc phương thức hoạt động của hệ thống Mức độ phức tạp của hệ thống phụthuộc vào mức độ khó trong việc phát triển ứng dụng Phân loại theo mức độphức tạp bao gồm hệ thống Thực tại ảo mức sơ khai, mức cơ bản, mức tiên tiến,mức nhập vai và mức làm việc như một hệ điều hành cho môi trường Thực tại

ảo Phân loại theo phương thức bao gồm hệ thống hoạt động dựa trên mô phỏng,dựa trên hệ thống máy chiếu, dựa trên hình ảnh thay thế (avatar-image) hoặc dựatrên máy tính để bàn [1] [2]

Hệ thống VR không nhập vai: Hệ thống VR không nhập vai được xây dựngcho máy tính để bàn Hệ thống này được biết với tên là Windown on World(WoW) hay Desktop VR Trong hệ thống này, môi trường ảo được quan sátthông qua màn hình có độ phân giải cao Việc tương tác được thực hiện thôngqua các phương tiện như bàn phím, chuột hoặc joystick

Hệ thống VR bán nhập vai: Hệ thống VR bán nhập vai bao gồm hệ thốngmáy tính hỗ trợ đồ họa tương đối mạnh đi kèm với một hoặc nhiều màn hìnhhoặc hệ thống máy chiếu để tạo ra màn hình lớn Hệ thống màn hình này đượcđặt xung quanh người dùng để tạo cảm giác hòa mình vào môi trường 3D ảo

Hệ thống VR nhập vai: Hệ thống VR nhập vai là hệ thống tạo cho ngườidùng trải nghiệm trong môi trường ảo giống với thực tế nhất Trong hệ thốngnày, người dùng đeo HMD hoặc sử dụng BOOM để nhìn vào môi trường ảo Tấtnhiên, so với 2 hệ thống trên, hệ thống này là phức tạp và đòi hỏi chi phí lớn đểtạo các ứng dụng

1.1.5 Các thành phần của một hệ thống Thực tại ảo

Tổng quan một VR gồm những thành phần sau:

Hình 1.1.5.1.1 Các thành phần của một hệ thống VR (Virtual Reality)

1.1.5.2 Phần cứng (Hardware) [ 2 ]

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 kíchthích 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 máytính thông qua thiết bị như chuột (SpaceBall), bàn phím,

- Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm thiết bị hiển thị đồ họa (Kínhmắt Shutter Glasses, màn hình rộng, thiết bị HDM,…) để nhìn được đối tượng3D 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 tạoxúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạolực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,

1.1.5.3 Phần mềm (Software)

Phần mềm luôn là linh hồn của Thực tại ảo cũng như đối với bất cứ một hệthống máy tính hiện đại nào Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lậptrình hay phần mềm đồ họa nào cũng phải bảo đảm hai công dụng chính là: Môhình 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 môhình nhờ chính phần mềm này hay mô hình hoá từ mô hình 2D thành mô hình3D nhờ công cụ đặc biệt từ các phần mềm như: Maya, 3D Max,…

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

1.1.6.1 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 đầutiên là DataGloves từ viện nghiên cứu VPL DataGloves bao gồm 1 găng taynylon nhẹ có các cảm biến quang học được gắn ở các ngón tay

đi lại xung quanh chúng Điều này là 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 cảmbiến này và video sẽ điều chỉnh cho phù hợp Máy tính sẽ kiểm soát việc nàycủa 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 1.1.6.1.5 Cave

1.1.6.2 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

- CyberTouch

Hình 1.1.6.2.1 Thiết bị CyberTouch

- CyberGras

Hình 1.1.6.2.2 Thiết bị CyberGras 1.1.7 Một số ứng dụng chính của VR [ 3 ] [ 1 ]

Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trongmọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí,… và đáp ứng mọinhu cầu: Nghiên cứu - Giáo dục - Thương mại Y học là lĩnh vực ứng dụngtruyền thống của Thực tại ảo Bên cạnh đó Thực tại ảo cũng được ứng dụngtrong giáo dục, nghệ thuật, giải trí Trong lĩnh vực quân sự Thực tại ảo cũngđược ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyềnthống 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 dụngtrong 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.Mọi lĩnh vực trong cuộc sống đều có thể ứng dụng “Thực tại ảo” để nghiên cứu

và phát triển hoàn thiện hơn

1.1.7.1 Quân sự

Với việc phát triển của VR, các binh sĩ sẽ được huấn luyện một cách trựcquan nhất các kĩ năng cần thiết như: lái máy bay, lái xe tăng,… trước khi thamgia công việc thực tế Điều này vừa đảm bảo an toàn cho binh sĩ, vừa tiết kiệmđược chi phí cho các khóa huấn luyện thực tế Lầu Năm Góc đã đưa ra quyếtđịnh sẽ đầu tư 36 triệu USD cho quân đội mỹ để phát triển một game đặc biệtnhằm huấn luyện binh sĩ chống lại khủng bố dưới dạng chiến thuật thực tế ảo.Với hệ thống trò chơi đặc biệt này, những binh sĩ có thể tập luyện những bài tậpcủa mình ngay tại nhà nhằm chống lại những tình huống có thể phát sinh ratrong thực tế Đây sẽ là một game rất sống động, có tính hành động cao với môitrường và bối cảnh bám sát thực tế Những người lính sẽ phải vận dụng tất cảnhững kỹ năng đã được rèn giũa trong quân đội

Hình 1.1.7.1.1 Kính thực tế ảo Oculus Rift sử dụng cho quân đội

1.1.7.2 Giáo dục

Ở các nước phương Tây ở việc nhà học Internet không còn là điều mới mẻnữa Và công nghệ VR sẽ làm cho việc này trở nên thú vị hơn rất nhiều Giốngnhư một game MMORPG bạn điều khiện một nhân vật đại diện cho bạn đi lạitrong 1 trường học ảo được xây dựng trên máy tính Bạn có thể tham gia vào bất

cứ lớp học ảo nào mà bạn thích, nói chuyện với các thành viên khác trong lớp

Hình 1.1.7.3.1 Ứng dụng trong xây dựng và kiến trúc

1.1.7.4 Y học

Thực tại ảo giải quyết được rất nhiều vấn đề trong y học: cung cấp môitrường thực hành cho nghiên cứu và học tập, rất hữu ích trong việc mô phỏngcác ca phẫu thuật tránh gây rủi ro trong thực tế

Như vậy Thực tại ảo có áp dụng trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống.Qua đó cũng nhận thấy được ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng Thực tại ảo, bởinhững vấn đề khó khăn mà nếu khó có Thực tế ảo thì rất khó giải quyết và hiệuquả không cao mà chi phí tốn kém

Hình 1.1.7.4.1 Ứng dụng trong Y học

Đây có thể nói là một trong những ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệthực tế ảo Trước đây việc cho những bác sĩ thực tập hoặc bác sĩ thiếu kinhnghiệm thực hành phẫu thuật trên cơ thể người luôn làm nảy sinh những lo ngại

về tính an toàn cũng như đạo đức Giờ thì mọi ca phẫu thuật cũng như các quytrình chăm sóc bệnh nhân đều có thể được mô phỏng trong môi trường thực tế

ảo Bác sĩ có thể nâng cao kỹ năng bản thân mà không có bất kỳ sự mạo hiểmnào đối với sức khỏe và tính mạng bệnh nhân Ngoài ra thực tế ảo còn có một sốứng dụng khác trong y tế như kết hợp với các mẫu scan để giúp bác sĩ quan sát

và chẩn đoán bệnh chính xác hơn

1.1.7.5 Khoa học kỹ thuật

Ứng dụng quan trọng nhất của thực tế ảo trong khoa học chính là hình ảnhhóa những số liệu khoa học (data visualization) Ứng dụng này giúp ta nắmđược bức tranh toàn cảnh và nhanh chóng phán đoán được các xu thế từ mộtkhối lượng dữ liệu đồ sộ và tưởng chừng như rời rạc dưới đôi mắt và trí nãothông thường Với những kỹ sư thì công nghệ thực tế ảo càng quan trọng hơnbởi nó giúp họ tạo ra mô hình cho những máy móc họ thiết kế trong một môitrường an toàn cũng như tiết kiệm thời gian và tiền bạc

Hình 1.1.7.5.1 Ứng dụng trong khoa học kỹ thuật

1.1.7.6 Thể thao

Cũng giống như trong quân sự, chiếc kính thực tế ảo chính là công cụ đắclực giúp những vận động viên thể thao luyện tập phản ứng trước những tìnhhuống thực với chi phí thấp và không ngại bị chấn thương không đáng có Hơnthế nữa thì sự phát triển của thực tế ảo cũng là một tin vui cho rất nhiều fan hâm

mộ thể thao bởi giờ đây họ có thể quan sát thần tượng của mình ở cự li gần vàngay giữa sân thi đấu thay vì theo dõi trên ghế sân vận động hoặc qua màn hình

vô tuyến

Hình 1.1.7.6.1 Ứng dụng trong thể thao

1.2 Mô phỏng lửa và ý nghĩa

1.2.1 Mô phỏng lửa

Lửa là nhiệt và ánh sáng phát sinh đồng thời từ vật đang cháy Lửa (hay sựcháy) là quá trình biến đổi hóa học (thường là phản ứng ôxy hóa) nhanh của vậtliệu, tỏa ra nhiệt, các sản phẩm phản ứng và phát ra ánh sáng Các quá trình ôxyhóa chậm khác như gỉ hay thủy phân không bao gồm trong định nghĩa này [2]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 tựduy trì) diễn ra trong môi trường hẹp Ngọn lửa là một trạng thái tồn tại của vậtchất 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 nguồnnhiệt 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 sắccủa ngọn lửa theo nhiệt độ cũng khác nhau, chẳng hạn như:

Phân loại của các dạng 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…

Mô phỏng lửa có thể coi là một trong những công việc khó khăn nhất, phứctạp nhất của mô phỏng Mô phỏng lửa ở dạng mô phỏng động theo thời gianthực hoặc không theo thời gian thực Để mô phỏng lửa mà chỉ yêu cầu dạng môhình, không yêu cầu độ chính xác cao và không yêu cầu thể hiện đúng bản chấtvật lý thì không quá khó Nhưng để mô phỏng được lửa đúng với các tính chấtvật lý của nó và hiệu ứng của lửa theo thời gian thực thì quả là một công việckhông dễ dàng Đối với công việc này người ta phải nghiên cứu, xây dựng ra cácphương pháp và sẽ cài đặt bằng các ngôn ngữ lập trình thì mới có thể thể hiệnđược yêu cầu

Cũng như các đối tượng khác, mô phỏng lửa cũng có 2 cách thức riêngbiệt 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 tạpdựa trên cơ sở lý thuyết chặt chẽ.

1.2.2 Ý nghĩa của mô phỏng lửa

Lửa được xem là một trong những phát minh quan trọng nhất của nhânloại Lửa trở thành nguồn sống của con người, giúp con người thoát khỏi đờisống nguyên sơ Nhờ đó, lửa là sản vật thiêng liêng, vừa là khởi điểm cho nhữngsinh 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 kếcác 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 quantrọng Việc kiểm duyệt các thiết kế, các dự án liên quan khi đưa vào thực hiệnnhằm giảm thiểu các rủi ro do lửa gây ra Ứng dụng mô phỏng lửa trong giáodục, đặc biệt là trong các trường công nghiệp, trường nghề đào tạo về chế tạomáy, cơ khí,… các mô phỏng về lửa với các đối tượng khác hay các đối tượnglửa với nhau sẽ giúp người học có một cái nhìn trực quan hơn, tiếp thu bài dễhơn Ví dụ mô phỏng các loại đèn dùng trong quá trình đun nóng ở phòng thínghiệm hóa học

Việc xây dựng các mô hình mô phỏng lửa và các hiệu ứng của lửa đang lànhu cầu cấp thiết đối với ngành liên quan đến lửa, mà công nghệ mô phỏng cầnphải thực hiện Tuy nhiên, đây vẫn đang là một thách thức lớn của công nghệ môphỏng

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA

Trong chương 2 chúng ta cùng tìm hiểu phương pháp mô phỏng lửa, dùng

kỹ thuật nào để thực hiện nó, tìm hiểu đặc tính của ngọn lửa để mô phỏng nóđược chính xác và xem một số mô hình mô phỏng

2.1 Phương pháp Particle-based

Mô phỏng lửa bằng phương pháp Particle Based phù hợp với việc tạo hiệuứng cho vụ cháy nổ Ở đây không mô hình hóa bằng số rắc rối mà phần lớn làsóng xung kích vô hình, phương pháp này sử dụng một mô hình chất lỏng khôngnén được tương đối ổn định vào phép tính toán cho các chuyển động của khôngkhí và khí nóng Lĩnh vực phân tán của chất lỏng được điều chỉnh trực tiếp vàophép tính toán cho vụ nổ và sự phát sinh, mở rộng các sản phẩm của quá trìnhđốt cháy khí Hạt thấm vào trong chất lỏng theo dõi chuyển động của hạt nhiênliệu và muội khi chúng được bổ sung thêm bằng chất lỏng Đốt là mô hình sửdụng một quá trình đơn giản nhưng hiệu quả chi phối bởi các hạt và hệ thốngchất lỏng Phương pháp này có đủ linh hoạt để xịt xấp xỉ của chất lỏng cháy.Báo cáo này tập trung vào một số ví dụ các vụ nổ khí, vụ nổ gần những trở ngại,hạn chế các vụ nổ và thuốc xịt cháy Bởi vì phương pháp này được dựa trên cácbước hội nhập thành phần cho phép thời gian lớn, nó chỉ đòi hỏi một vài giâytính toán cho mỗi khung hình cho các ví dụ được hiển thị

2.1.1 Kỹ thuật mô phỏng Particle-based

Mô hình hóa các hiện tượng như mây, khói, nước, lửa, điện với các kỹthuật tổng hợp hình ảnh hiện tại rất khó khăn Bề mặt của những đối tượng nàychưa được định nghĩa rõ ràng bằng các phương trình toán học mà rất phức tạp,không có quy luật Đặc biệt, chúng luôn chuyển động và hay thay đổi Do đó cácđối tượng không định hình như thế này không thể được mô hình bằng các kỹthuật biến đổi thông thường dành cho các vật thể cứng hay các hiện tượng thôngthường khác trong đồ họa vi tính Particle là một trong những phương pháp đặcbiệt được dùng để mô phỏng các đối tượng kiểu này

2.1.1.1 Định nghĩa Particle System

Particle System là một tập hợp các thành phần hay các hạt (particle) riêngbiệt Particle System điều khiển tập hạt đó, cho phép chúng hoạt động một cách

tự động nhưng với một số thuộc tính chung nhất định [2] [4]

2.1.1.2 Đặc tính của Particle System [ 2 ]

Particle System có ba đặc tính riêng khác hẳn với các kỹ thuật tổng hợphình ảnh thông thường khác Đó là:

1 Một đối tượng được biểu diễn không phải bởi một tập các thành phần bềmặt cơ bản như các đa giác hay các miếng nhỏ bề mặt để tạo ra bề mặt biên, màđược cấu thành từ tập các hạt để tạo hình khối

2 Particle System không phải là thực thể tĩnh mà chuyển động và thay đổihình dạng theo thời gian Các hạt liên tục "chết đi" và các hạt mới được "sinhra".

3 Một đối tượng được biểu diễn bằng Particle System không được xácđịnh hoàn toàn, cả về đường nét lẫn hình dạng Thay vào đó, nó được xác địnhbằng các tiến trình ngẫu nhiên

Trong việc mô hình hóa các đối tượng không định hình, phương phápParticle System có một số ưu điểm quan trọng so với các kỹ thuật hướng bề mặt

cổ điển:

1 Một particle là một thành phần nguyên tố đơn giản hơn cả đa giác thành phần đơn giản nhất của kỹ thuật mô hình dựa trên bề mặt Do đó, trongmột khoảng thời gian xử lí của máy tính, ta có thể tạo ra nhiều quá trình xử líhơn, xây dựng hình ảnh phức tạp hơn Cũng do đơn giản hơn nên việc tạo hiệuứng nhòe khi chuyển động cho particle sẽ dễ dàng hơn Việc tạo hiệu ứng nhòecho khi đối tượng di chuyển nhanh phần lớn đã bị bỏ qua trong kỹ thuật tổnghợp hình ảnh cho đến ngày nay

-2 Định nghĩa mô hình được xác định theo thủ tục và được điều khiển bởicác số ngẫu nhiên Do đó, việc nhận về một mô hình với độ chi tiết cao

3 Không yêu cầu một thời gian thiết kế lớn như trong các hệ thống hướng

bề mặt Vì nó là theo thủ tục, một Particle System có thể tự điều chỉnh mức độchi tiết của nó để phù hợp với tập các tham số đã được xác định cho việc quansát Cũng như với các bề mặt Fractal, càng phóng đại một Particle System càngcho ta những hình ảnh chi tiết hơn

4 Một đối tượng được mô phỏng bằng Particle System là một đối tượng

"sống", có nghĩa là chúng thay đổi theo thời gian Rất khó để có thể mô hình sựchuyển động phức tạp này bằng các kỹ thuật mô hình dựa vào bề mặt đối tượng.Particle System là một ý tưởng đã có từ lâu Khoảng 50 năm trước thìnhững trò chơi vi tính đầu tiên cũng đã sử dụng rất nhiều các pixel chuyển động

để tạo ra vụ nổ của vũ khí (SpaceWar - 1962, Asteroids - 1978 ) ParticleSystem cũng đã được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng 3D trong các bộ phim từnhững năm 1980 Alvy Ray Smith và Jim Blinn sử dụng particle để mô hình hóaviệc hình thành và chết đi của các vì sao trong các dải ngân hà trong Cosmos,một seri phim truyền hình về nguồn gốc sự sống và vị trí của trái đất trong vũ trụđược phát hành lần đầu năm 1980 Star Trek II, bộ phim nổi tiếng về đề tài chiếntranh vũ trụ được phát hành năm 1982 cũng sử dụng kỹ thuật Particle System đểxây dựng hiệu ứng các vụ nổ ngoài vũ trụ

2.1.2 Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng Particle-based

Trong môi trường tự nhiên với hầu hết mọi người các vụ nổ là may mắnxuất hiện hiếm hoi, song chúng xuất hiện ở khắp nơi trong môi trường nhân tạo,

do con người tạo ra Phim và các tình tiết của kịch bản truyền hình, trò chơivideo,… cũng không ngoại lệ Môi trường phát triển cho mô phỏng huấn luyện

thường xuyên tập trung vào các tình huống bạo lực hoặc nguy hiểm, vì vậy nócũng thường bao gồm một số hình thức của hiện tượng nổ Phương pháp Particlebased tạo hiệu ứng động cho các vụ nổ thực tế như thể hiện trong hình 2.1.

Hình 2.1.2.1.1 Vụ nổ bên cạnh bức tường

Định nghĩa chính xác về một vụ nổ khác nhau tùy thuộc vào hoàn cảnh,một vụ nổ nói chung bao gồm một bản phóng thích đột ngột của năng lượng tạo

ra một áp lực phía trước hướng ra bên ngoài lan truyền, hoặc sóng xung kích Vụ

nổ có thể phát sinh từ cơ học, hóa chất, hạt nhân, hoặc các sự kiện khác Sóngxung kích là hiệu ứng chính của một vụ nổ, nhưng nó di chuyển ở tốc độ siêu

âm và chỉ biểu hiện rõ ràng là một sự khúc xạ của ánh sáng Ngoại trừ trườnghợp đặc biệt, vụ nổ mạnh mẽ, hiệu ứng khúc xạ gần như hoàn toàn vô hình Tácdụng phụ có thể bao gồm nhấp nháy sáng của ánh sáng, lửa, bụi và các mảnhvụn bay Đáng chú ý những tác dụng phụ có thể được hiện ra khá rõ ràng

Theo thiết kế, các vụ nổ thực tế sử dụng cho hiệu ứng hình ảnh thường hạnchế tối đa sức mạnh của vụ nổ, tối đa hóa sự xuất hiện của tác dụng phụ Đặcbiệt, quả cầu lửa có ấn tượng lớn ngay cả khi sản xuất ngọn lửa số lượng tốithiểu Một lý do cho độ lệch từ thực tế này là sóng nổ mạnh rất khó để nhìn thấynhưng cực kỳ nguy hiểm, lực làm chấn động của một vụ nổ mạnh và mảnh vỡtốc độ cao có thể gây tử vong ngay khi ở một khoảng cách hợp lý Ngược lại,quả cầu lửa lớn trông rất ấn tượng và phần nào an toàn hơn để làm việc với nó

Cả hai vụ nổ hạt lơ lửng và các vụ nổ lỏng, hơi có thể tạo ra quả cầu lửalớn Một hạt lơ lửng, bụi, vụ nổ xảy ra khi một hạt rất dễ cháy như thuốc súng,than, mùn cưa, hoặc bột, được phân tán qua một khối không khí và sau đó đốtcháy Cơ chế phát tán bụi có thể bao gồm rung động hay một vụ nổ ban đầu nhỏhơn Vụ nổ lỏng, hơi xảy ra tương tự một hạt dễ cháy, hơi của nó được phân tán

và sau đó đốt cháy Một ví dụ nổi tiếng của một kịch bản phát tán chất lỏng, hơiđược biết đến như một BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion),xảy ra khi một thùng kín chất lỏng dễ cháy được làm nóng Sức nóng làm bay

hơi chất lỏng trong container, tạo áp lực cho đến khi bị vỡ thùng chứa, xịt mộthỗn hợp chất lỏng dễ cháy và hơi ra môi trường xung quanh nơi nó có thể đượcđốt cháy bằng bất cứ nguồn đã được làm nóng các thùng chứa.

Sự xuất hiện ngẫu nhiên của hạt lơ lửng và các vụ nổ lỏng, hơi có thể pháhủy và chết người, người làm trong lĩnh vực hỏa công có thể sử dụng chúng đểtạo sự xuất hiện với hiệu quả mong muốn Tuy nhiên, ngay cả người trong nghềvới bàn tay khéo léo, vẫn còn tốn kém và nguy hiểm tiềm tàng

Phương pháp mô phỏng Particle mô tả một thiết kế để thực tế mô hình hành

vi của các vụ nổ hạt lơ lửng Mặc dù phương pháp này chủ yếu dành cho cáctình huống liên quan đến các hạt bụi, song nó hoạt động khá tốt linh hoạt đối vớimột số kịch bản liên quan đến xịt chất lỏng cháy

Phương pháp này sử dụng một chất lỏng mô phỏng động lực tương đối ổnđịnh để tính toán chuyển động của không khí và khí nóng xung quanh vụ nổ.Hạt thấm vào trong chất lỏng theo dõi chuyển động của nhiên liệu đốt và các sảnphẩm hạt bổ sung bằng chất lỏng Các mô hình hệ thống đốt sử dụng quá trìnhđơn giản nhưng hiệu quả chi phối bởi các hạt và hệ thống chất lỏng

Không giống như phương pháp Physically-based tiếp cận các vụ nổ sinhđộng, phương pháp Particle-based không mô hình sóng xung kích số lượngphiền hà cũng như hiện tượng áp lực thoáng qua khác được tạo ra bởi vụ nổ.Thay vào đó nó sử dụng một mô hình chất lỏng không nén được nhanh gọn vàđiều chỉnh phân tán vào hoạch toán cho các thế hệ mở rộng sản phẩm cháy khí.Thực hiện MATLAB kết quả đòi hỏi không quá một vài giây tính toán cho mỗikhung hình trên một máy trạm để mô phỏng chuyển động

2.1.3 Bối cảnh

Nỗ lực đáng kể đã được hướng vào việc tạo hiệu ứng nổ và các hiện tượngliên quan như lửa Particle systems được xem như một phương tiện để mô hìnhngọn lửa và các đối tượng khác thiếu ranh giới cứng, là một trong những phươngpháp sinh động thường được sử dụng nhất cho các vụ nổ, nhiều hệ thống pháttriển sử dụng các quy tắc heuristic để di chuyển các hạt màu để tạo ra sự xuấthiện của một vụ nổ hoặc cháy

Sức mạnh chính và hạn chế của các hệ thống này phụ thuộc vào kỹ năngngười sử dụng chọn các thông số mang lại kết quả thực tế Phương pháp tiếp cậnParticle Systems chỉ đơn giản là nơi các quy tắc theo kinh nghiệm đã được thaythế bằng quy định chặt chẽ hơn dựa trên cơ sở vật lí cơ bản Cơ sở vật lý tạođiều kiện đạt được kết quả thực tế cho một phạm vi rộng lớn hơn của điều kiệnbằng cách thêm các quy tắc gần đúng của thế giới thực

Trước đây trong đồ họa mô hình vụ nổ Physically-based tập trung vào lànsóng chấn động và ảnh hưởng của các vật thể rắn Vụ nổ xấp xỉ như một lànsóng dạng cầu mở rộng với một cấu hình áp lực được xác định bởi một xấp xỉphân tích số liệu thực nghiệm Khi làn sóng mở rộng gặp đối tượng trong môitrường, nó được áp dụng lực xuyên tâm đến các đối tượng Nếu các lực vượt quá

ngưỡng sau đó các kết nối sẽ bị phá vỡ Một cách tiếp cận tương tự chiếm gócgiữa sóng xung kích và bề mặt pháp tuyến đối tượng.

Một cách chính xác hơn, nhưng tốn kém hơn nhiều là mô hình sóng nổ nơi

vụ nổ được mô hình hóa bằng cách sử dụng mô phỏng chất lỏng nén Lực dựatrên chênh lệch áp suất cho các đối tượng trong môi trường làm cho chúng dichuyển hoặc gãy xương Mặc dù phương pháp này mô hình nhiễu xạ và các hiệuứng phản chiếu tốt, đối phó với áp lực dốc và gradient mật độ trong chất lỏnglàm cho phương pháp tính toán rất tốn kém Ngoài việc mô hình hóa các sóngxung kích, cũng có thể giải quyết mô hình hóa các hiệu ứng phụ của ngọn lửa vàkhuấy đều bụi

Phương pháp Particle-based tập trung vào mô hình ngọn lửa kết hợp với sựbùng nổ chứ không phải là sóng xung kích Thay vì sử dụng mô phỏng một chấtlỏng nén trong điều kiện xấu, phương pháp này sử dụng một mô phỏng chất lỏngkhông nén được và tạo ra những dòng chảy mở rộng gây ra bởi sự bùng nổ vớinhững hạn chế về phân kỳ của các trường dòng chảy Phương pháp này cũng baogồm một mô hình quá trình đốt cháy để tạo ra quả cầu lửa thực tế hơn

Ngoài các vụ nổ, các nhà nghiên cứu trong cộng đồng đồ họa cũng đã điềutra phương pháp mô hình hóa các chuyển động của các chất khí như khói haysương mù sử dụng ba chiều chất lỏng mô phỏng động lực

Mô hình chất lỏng sử dụng để mô hình lửa là tốt Sử dụng một mô hìnhchất lỏng và tiếng ồn để tạo ra ngọn lửa tăng Một loạt các hiệu ứng ngọn lửa cósức thuyết phục, bao gồm quả cầu lửa lớn, được tạo ra bằng cách mô phỏngchuyển động của các dòng trong một dòng chảy hỗn loạn và sau đó áp dụng kếtcấu lửa cho các dòng Một mô hình đốt theo dõi chuyển động của các loại khí dễcháy trên lưới điện chất lỏng

Phương pháp mô tả tạo ra ngọn lửa thực tế cho tình huống mà quá trình đốtcháy xảy ra dọc theo biên giới rất nhỏ giữa khí dễ cháy và một môi trường oxyhóa Quá trình đốt cháy tạo ra nhiệt và dòng chảy chất lỏng ở khí, không khíranh giới được điều chỉnh để mở rộng Phương pháp này cho kết quả tuyệt vờikhi đốt cháy nhanh chóng chỉ xảy ra dọc theo phía trước mỏng, nó không thíchhợp với các tình huống lây lan khu vực đốt trên một khối lượng đáng kể

Các công việc khác liên quan đến đồ họa bao gồm phương pháp mô hìnhlửa trong các tòa nhà, lửa lan truyền trên bề mặt, nổ như hiệu ứng Bên ngoàicủa đồ họa, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một khối lượng công việc phát triểncác phương pháp để mô phỏng các vụ nổ và cháy Đồ thị biến mô phỏng lửa(Fire Dynamics Simulator - FDS) là phù hợp nhất với cách tiếp cận lửa Một sốlựa chọn quan trọng thực hiện trong FDS bao gồm: điều kiện bình lưu máy tính

sử dụng một chương trình bán Lagrangian vô điều kiện ổn định, hạn chế sử dụngphân kỳ trực tiếp, tăng cường sử dụng chất lỏng chuyển động xoáy giam và theodõi chất phản ứng vi hạt sử dụng một particle system

2.1.4 Phương pháp mô phỏng

Sự xuất hiện của các vụ nổ hạt lơ lửng phát sinh từ hành vi của các hạt bụicháy, không khí xung quanh và sản phẩm cháy Phương pháp Particle based làmmẫu một cách rõ ràng mỗi thành phần và tương tác với nhau Người sử dụng xácđịnh loại hành vi được mô phỏng bằng cách thiết lập các điều kiện ban đầu làmphát sinh sự bùng nổ Sau khi cấu hình, hệ thống tiến hóa theo quy tắc gần đúngcác định luật vật lý chi phối chuyển động, nhiệt độ và đốt cháy trong hệ thốngkết hợp Đưa ra một cái nhìn tổng quan về các tính chất của vụ nổ bụi [5]

(1)Trong đó:

u: vận tốc chất lỏngρ: mật độ

(2)ϕ=0 ở khắp mọi nơi trừ trường hợp một số quá trình tạo ra chất lỏng bổsung hoặc gây chất dịch hiện có để mở rộng bằng cách nung nóng nó Để thựcthi phương trình (2), giải quyết phiên bản chỉnh sửa của phương trình Poisson đểxác định áp suất chất lỏng trong mỗi ô:

(3)

Tạo lưới điện cùng nắm giữ vận tốc cũng như giữ nhiệt độ của chất lỏng.Nhiệt độ tiến hóa theo

(4)Trong đó:

T: nhiệt độ chất lỏng

Ta: nhiệt độ môi trường xung quanh

Tmax: nhiệt độ tối đa trong môi trườngH: năng lượng nhiệt chuyển thành chất lỏng

Nhiệm kỳ đầu mô hình bình lưu bằng chất lỏng Nhiệm kỳ thứ hai làm mátliên tục cr mất bức xạ vào trong môi trường Thứ ba là sử dụng đại lượng phổbiến cho tính dẫn nhiệt ck giá trị là không đáng kể để ước tính chuyển bức xạ vàkhuếch tán, tính toán hạn cho năng lượng nhiệt chuyển vào chất lưu từ mộtnguồn bên ngoài

2.1.4.2 Mô hình hạt

Mô hình chuyển động của hạt nhiên liệu và các sản phẩm đốt rắn (bồ hóng)

sử dụng một particle system Mô tả hạt bao gồm vị trí, vận tốc, khối lượng, nhiệt

độ, khối lượng nhiệt, âm lượng và loại định danh Hành vi của mỗi hạt sau cácquy tắc đơn giản

(5)

Trong đó:

: vị trí của một hạtf: lực bên ngoài trên hạt (bao gồm cả lực hấp dẫn) : nhiệt độ hạt

: năng lượng nhiệt chuyển giao cho hạt hoặc tạo ra bằng cách đốtcháy

Cm: khối nhiệt của hạt Nếu các hạt có khối lượng rất nhỏ khốilượng / nhiệt coi như không có và bỏ qua phần thích hợp của phương trình (5)Mỗi hạt mô phỏng không đại diện cho một hạt bụi đất duy nhất, nó đại diệncho một nhóm các hạt nhiên liệu bồ hóng và các thuộc tính của hạt mô phỏng

mô tả tính chất tổng hợp của nhóm

Một Particle System là một tập hợp nhiều hạt nhỏ kết hợp cùng nhau tạonên một vật thể mờ ảo, không định hình Trong một khoảng thời gian, các hạtđược tạo thành một hệ thống, di chuyển và thay đổi từ bên trong hệ thống, sau

đó chết đi Để tính toán mỗi khung hình trong một chuỗi chuyển động, trình tựcác bước sau đây được thực hiện:

Các hạt mới được tạo ra trong hệ thống

Mỗi hạt mới được gán cho các thuộc tính riêng biệt

Các hạt đã tồn tại trong hệ thống sẽ bị dập tắt dần theo quy định

Các hạt vẫn còn sống trong hệ sẽ chuyển động và biến đổi dựa theo các

Hình ảnh của các hạt đang sống kết xuất trong bộ đệm khung hình.

Với mỗi hạt mới được sinh ra, Particle System phải gán giá trị cho cácthuộc tính của nó:

1 Vị trí khởi tạo

2 Tốc độ khởi tạo (bao gồm cả tốc độ và hướng)

3 Kích thước khởi tạo

4 Màu sắc khởi tạo

5 Độ trong suốt khởi tạo

Hình 2.1.4.2.1 Sơ đồ vòng đời của hạt

2.1.4.3 Nổ, phân tán và đánh lửa

Quả cầu lửa lớn có thể là kết quả của một vụ nổ với vận tốc cao phân tánhạt nhiên liệu trên một khối lượng trong khi đốt cháy nó Như đã trình bày ở