第4章 安全模拟与仿真

主讲：杨应迪

安全信息工程E-mail:39330480@学时：44Del:139554604201案例矿井通风网络图形绘制、解算与分析软件自主软件2河南平煤十矿多风机系统相互影响3潘三通风系统调整灾变4平煤十一矿通风系统图（增加风井）5李嘴孜煤矿通风系统图（停运风机）6张集北区张集中央区贯通巷道张集中央区与北区回风巷贯通，风流方向，风量，风机工况、用风地点风量7增加风井——服务范围划分霍州干河矿（开采失衡）8第4章安全模拟与仿真9第4章安全模拟与仿真10第4章安全模拟与仿真11第4章安全模拟与仿真12第4章安全模拟与仿真13第4章安全模拟与仿真14第4章安全模拟与仿真15第4章安全模拟与仿真16第4章安全模拟与仿真17第4章安全模拟与仿真18第4章安全模拟与仿真19第4章安全模拟与仿真20第4章安全模拟与仿真21主要内容4.1模拟与仿真基础4.2现代安全仿真技术4.3虚拟现实技术学时：4224.1模拟与仿真基础——概念仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型），并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。23模拟

就是利用物理的、数学的模型来类比、模仿现实系统及其演变过程，以寻求过程规律的一种方法。”基本思想是建立一个试验模型，这个模型包含所研究系统的主要特点．通过对这个实验模型的运行，获得所要研究系统的必要信息。4.1模拟与仿真基础——概念24仿真是一种数值计算技术是一种“人工”的试验手段在计算机上进行对系统状态在时间序列中的动态写照大多是随机性系统仿真4.1模拟与仿真基础——仿真的实质及特点25原理抽象相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。4.1模拟与仿真基础——原则几何相似：根据相似原理把原来的实际系统放大可缩小。性能相似：构成模型的元素和原系统的不同，但其性能相似。26实物仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为实物仿真。实物仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟”。实物仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。4.1模拟与仿真基础——仿真分类——按模型性质分实物仿真数学仿真半实物仿真27数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为计算机仿真。数学仿真优点是：方便、灵活、经济数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。4.1模拟与仿真基础——仿真分类——按模型性质分实物仿真数学仿真半实物仿真284.1模拟与仿真基础——仿真分类——按模型性质分半实物仿真半实物仿真：即将数学模型与实物模型甚至实物联合起来进行实验。对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现；对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物；仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。实物仿真数学仿真半实物仿真2930一个系统，如电话交换台系统、交通管理系统、物流管理系统等，这些系统的状态变化发生在随机时间点上，称为离散事件系统，可以用概率分布、排队论等数学模型来描述。在计算机上建立相应的仿真模型并运行和实验，称为离散事件系统仿真。离散事件系统，时间的发生过程在时间和空间都是离散的.各事件发生以某种顺序或某种条件下发生，具有随机性.经典概率论，数理统计和随机过程理论为这类系统提供理论基础.离散系统仿真（随机事件、随机函数）4.1模拟与仿真基础——仿真分类——按研究系统的分类连续系统仿真（微分方程或差分方程）系统的输入输出信号均为时间的连续函数，可用一组数学表达式来描述，比如采用微分方程、状态方程等。（如各种物理和工程领域中的“场”问题）301)模型参数任意调整模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调整、修改或补充，使人们能掌握各种可能的仿真结果，为进一步完善研究方案提供了极大的方便。这正是计算机仿真被称为“计算机实验”的原因。这种“实验”与通常的实物实验比，具有运行费用低、无风险以及方便灵活等优点。2)系统模型快速求解借助于先进的计算机系统，人们在较短时间内就能知道仿真运算的结果(数据或图象)，从而为人类的实践活动提供强有力的指导。这是通常的数学模型方法所无法实现的。4.1模拟与仿真基础——计算机仿真的优点313)运算结果准确可靠只要系统模型、仿真模型和仿真程序是科学合理的，那么计算机的运算结果一定准确无误（除非机器有故障）。因此，人们毫无顾虑地应用计算机仿真的结果。4)实景仿真形象直观把仿真模型、计算机系统和物理模型及实物联结在一起的实物仿真(有些还同时是实时仿真)，形象十分直观，状态也很逼真。因而在一些工程技术领域如宇宙航行、核电站控制等发挥了独特的作用。4.1模拟与仿真基础——计算机仿真的优点324.1模拟与仿真基础——计算机仿真的优点便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中，选择最佳模型。对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。模拟时间的可伸缩性、仿真运行的可控性、仿真实验的优化性334.1模拟与仿真基础——计算机仿真存在的问题仿真不是最优化技术，它只是针对各个不同的具体决策，通过反复实验比较得出一个较好的结论，但不能保证是最优的。仿真仅仅是一种评价性的技术，不能自己产生决策，产生方案。在仿真实验运行中，通常要使用大量的随机数，这些随机抽样也会造成仿真的误差，这种误差在其它定量分析技术中一般是不存在的。难以用数学公式表示的系统，或者没有建立和求解数学模型的有效方法．虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求解方法．希望能在较短的时间内观察到系统发展的全过程，以估计某些参数对系统行为的影响．难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究．需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案．34优化系统设计预测系统的性能和参数经济性，降低实验成本采用物理模型或实物实验，花费巨大。采用数学模型即计算机数学仿真可大幅度的降低成本并可重复使用。安全性，减少失败风险载人飞行器和核电站的危险性不允许。预测性，提高预测能力对于非工程系统，直接实验不可能，只能采用预测的方法。（天气预报）复原性4.1模拟与仿真基础——仿真的作用与目的35安全专业有哪些方面涉及到模拟与仿真？火灾模拟爆炸模拟泄漏模拟扩散模拟设计模拟4.1模拟与仿真基础无法实施的问题大量方案比较选优不易为人们所了解的复杂的大系统有危险的现象无法重复的现象成本过高的现象36问题描述与系统定义系统分析建立系统模型数据准备建立仿真模型验证、确认模型模型有效？计算机仿真运行分析仿真结果结果满意？实施仿真决策建立文档Y试验设计YNN4.1模拟与仿真基础——仿真步骤建立模型实验求解结果分析3738原子弹+氢弹核爆模拟：超级计算机上亿次模拟，不可能进行多次实物试验4.1模拟与仿真基础——应用领域3839气象模拟预测4.1模拟与仿真基础——应用领域3940三峡水库总库容393亿立方米，总装机容量1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解决这一问题。4.1模拟与仿真基础——应用领域404.1模拟与仿真基础——应用领域414.1模拟与仿真基础——应用领域424.1模拟与仿真基础——应用领域434.1模拟与仿真基础——应用领域44仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。功能如下：模型描述的规范及处理仿真实验的执行与控制资料与结果的分析、显示及文档化对模型、试验程序、资料、图形的存储、检索4.2现代安全仿真技术——仿真软件45仿真软件分为仿真程序、仿真语言、仿真环境三个层次。仿真程序是仿真软件的初级形式，只需要输入系统模型和参数即可对特定问题仿真。仿真语言为用户提供更强的仿真功能，用高级语言开发，面向用户。仿真环境为用户提供的仿真界面，用户在此环境中进行编程仿真。4.2现代安全仿真技术——仿真软件464.2现代安全仿真技术——仿真软件仿真软件的发展程序编程阶段程序软件包阶段交互式语言阶段（仿真语言）模型化图形组态阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。出现了“应用子程序库”。仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。符合设计人员对基于模型图形化的描述。47随着仿真技术发展，对计算机仿真应用又有以下新要求。减少模型的开发时间，即从重视编程转向重视建模。改进精度，包括改进模型建立的精度和试验的精度。改进通信，包括人与人之间的通信及人与计算机之间的通信，如图形输入与动画输出。4.2现代安全仿真技术——仿真软件——新要求48（1）改善建模环境采用模块化、结构化建模技术。如采用图形建模技术。（2）一体化仿真将仿真过程步骤开发一体化环境。（3）计算机仿真数据库（4）动画图形建模，显示仿真结果直观。（5）实现计算机仿真结果分析到建模的自动反馈。4.2现代安全仿真技术——仿真软件——发展方案49分布式计算机仿真技术--协同计算基于网络环境的计算机仿真技术--合作计算计算机科学技术与通信科学技术紧密结合，相互渗透，大大加速人类社会信息化进程--全球化进程新型元器件的发展，提高了计算机仿真系统的性能价格比。计算机仿真技术产业化。4.2现代安全仿真技术——仿真软件——展望50计算流体力学(CFD)ComputationalFluidDynamics4.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent514.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent524.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent534.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent544.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent554.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent56大型超市火灾时人员安全疏散模型研究4.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent574.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛584.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——现场案例研究课题594.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——现场案例604.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——现场案例614.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计624.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例634.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例644.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例654.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例664.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例674.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例684.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例694.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例704.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例714.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例724.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例734.2现代安全仿真技术——仿真软件——fluent——案例744.2现代安全仿真技术——仿真软件——Flacs气体扩散爆炸专业模拟软件计算流体力学(CFD)ComputationalFluidDynamics754.2现代安全仿真技术——仿真软件——Flacs气体扩散爆炸专业模拟软件764.2现代安全仿真技术——仿真软件——Flacs气体扩散爆炸专业模拟软件774.2现代安全仿真技术——仿真软件——MatlabMATLAB将计算、可视化和编程等功能集于一个易于使用的环境，并遇有如下特点：功能强大；简单易学；编程效率高。784.2现代安全仿真技术——仿真软件——Matlab矩阵运算矩阵求解二维图形绘制三维图形绘制794.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析有限元分析是一种工程物理问题的数值分析方法，是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，即根据近似分割和能量极值原理，把求解区域离散为有限个简单而又相互作用的单元的组合，研究每个单元的特性，组装各单元，通过变分原理，把问题化成线性代数方程组求解。分析指导思想

化整为零，裁弯取直，以简驭繁，变难为易804.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析真实系统有限元模型

有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。814.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析824.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。问题及求解域定义求解域离散化确定状态变量及控制方法单元推导总装求解联立方程组求解和结果解释834.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析——AnsysANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。ANSYS程序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型；此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。844.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析——Ansys输入显示提示信息，输入ANSYS命令，所有输入的命令将在此窗口显示。主菜单包含ANSYS的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。输出显示软件的文本输出。通常在其他窗口后面，需要查看时可提到前面。应用菜单包含例如文件管理、选择、显示控制、参数设置等功能.工具条将常用的命令制成工具条，方便调用.图形显示由ANSYS创建或传递到ANSYS的图形.854.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析——Ansys864.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析——AnsysMeshing几何实体模型有限元模型874.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析——Ansys在关键点处约束实体模型沿线均布的压力在关键点加集中力在节点处约束FEA模型沿单元边界均布的压力在节点加集中力884.2现代安全仿真技术——仿真软件——有限元分析——Ansys894.2现代安全仿真技术——仿真软件——爆炸在通风网络中传播瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究博士论文904.2