CN103336861A - 烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统及方法，该系统包括：壁面位置判断模块、壁面粗糙度判断模块、炭黑痕迹计算模块、显示模块和输入模块，其中，输入模块用以输入炭黑颗粒的基本参数、待求解时间步以及障碍物表面信息；壁面位置判断模块与输入模块连接，壁面粗糙度判断模块分别与输入模块和壁面位置判断模块连接，炭黑痕迹计算模块与壁面粗糙度判断模块连接，显示模块与炭黑痕迹计算模块连接，用以根据接收到的炭黑痕迹计算结果显示炭黑痕迹。本发明能够实现火灾事故数值模拟、碳黑痕迹的静态和动态可视化数值模拟以及计算区域内碳黑痕迹的定量分析，可广泛适用于火灾事故原因鉴定、火灾科学研究和虚拟现实等领域。

Description

烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统及方法

技术领域

本发明涉及一种辅助火灾调查数值模拟系统，具体地，涉及一种可以辅助火灾调查并且可推测出火源的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统及方法。

背景技术

火灾事故往往造成重大的人员和财产损失。近年来，在全球范围内，每年发生的火灾超过400万起，死亡人数逾4万。在我国，火灾事故导致的死亡人数一直居世界前列。很多人为或者非人为的重大火灾事故给人民的生命财产安全带来了巨大的损失。

目前，国内外对碳黑痕迹的数值模拟的研究相对较少，已有研究中存在以下两个问题：

1、在现有的模拟中，往往利用烟气在墙壁壁面附近的颗粒浓度代替碳黑痕迹，这虽然有一定的合理性，但必须有严格的环境条件限制。

2、碳黑痕迹的形成虽然与烟气颗粒浓度有关系，但是也与时间、温度、烟气的流动速度等很多因素有关，另外用浓度表示碳黑痕迹在开放的环境中，烟气快速的消散在大气中时显然是有局限性的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统基于FDS软件构建，该烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统包括：壁面位置判断模块、壁面粗糙度判断模块、炭黑痕迹计算模块、显示模块和输入模块，其中，

输入模块用以输入炭黑颗粒的基本参数、待求解时间步以及障碍物表面信息；

壁面位置判断模块与输入模块连接，用以根据输入的障碍物表面信息判断障碍物的壁面是否与烟气颗粒接触；

壁面粗糙度判断模块分别与输入模块和壁面位置判断模块连接，用以将输入的障碍物表面信息与预先存储的障碍物表面光滑度阈值进行比较，若障碍物表面信息小于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为光滑；若障碍物表面信息大于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为粗糙；

炭黑痕迹计算模块与壁面粗糙度判断模块连接，用以从FDS软件模拟环境中调用网格内的气体参数，根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算光滑壁面或粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|，根据中间变量计算摩擦速度u^*，并根据摩擦速度u^*得到对应时间步的炭黑痕迹计算结果发送至显示模块；

显示模块与炭黑痕迹计算模块连接，用以根据接收到的炭黑痕迹计算结果显示炭黑痕迹。

优选地，炭黑痕迹计算模块按照下式计算光滑壁面对应的中间变量|τ_w|：

$\left|{\mathrm{\τ}}_w\right|=2\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left|u\right|/\mathrm{\δz}$   z⁺≤11.81（2）；

$\left|{\mathrm{\τ}}_w\right|=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{[\∂{\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\δz}}\right)}^{\mathrm{\β}}+\mathrm{\η}{\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\δz}}\right)}^B|\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left|\right]}^{\mathrm{\γ}}$   z⁺>11.81（3）；

式中，为有限元计算时临近网格的平均粘度，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z⁺为无量纲法向距离，而：

$\∂=\frac{1-B}{2}{A}^{\frac{1+B}{1-B}}$

β=1+B

$\mathrm{\η}=\frac{1+B}{A}$

$\mathrm{\γ}=\frac{2}{1+B};$

其中，参数A=8.3,参数B=1/7。

优选地，炭黑痕迹计算模块按照下式计算粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|：

${\mathrm{\τ}}_w=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\left(\frac{u}{2.44\ln (0.5\mathrm{\δz}/z_0)+\tilde{B}}\right)---\left(4\right);$

式中，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z₀为有量纲粗糙度，

为常数，

优选地，炭黑痕迹计算模块按照下式计算摩擦速度：

$u^{*}=\sqrt{{\mathrm{\τ}}_w/\mathrm{\ρ}}---\left(1\right);$

式中，τ_w为中间变量，ρ为流体密度。

优选地，基本参数包括炭黑颗粒的粒子直径和密度。

优选地，网格内的气体参数包括动力粘度、气体密度以及网格中心离壁面的距离。

优选地，障碍物表面光滑度阈值为0，若表面粗糙度为0，壁面光滑；否则，若表面粗糙度不为0，壁面粗糙。

优选地，显示模块对炭黑痕迹计算结果进行处理，将炭黑痕迹计算结果转换为符合SmokeView软件输入要求的数据输出至SmokeView软件进行显示。

根据本发明的另一个方面，还一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查方法，包括以下步骤：

步骤1：输入炭黑颗粒的基本参数、待求解时间步以及障碍物表面信息；

步骤2：壁面位置判断模块根据输入的障碍物表面信息判断障碍物的壁面是否与烟气颗粒接触；

步骤3：壁面粗糙度判断模块将输入的障碍物表面信息与预先存储的障碍物表面光滑度阈值进行比较，若障碍物表面信息小于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为光滑；若障碍物表面信息大于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为粗糙；

步骤4：炭黑痕迹计算模块从FDS软件模拟环境中调用网格内的气体参数，根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算炭黑痕迹计算结果发送至显示模块；

步骤5：显示模块根据接收到的炭黑痕迹计算结果显示炭黑痕迹。

10、根据权利要求9的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算光滑壁面或粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|，其中，

若壁面为光滑壁面，中间变量|τ_w|按照下式计算：

$\left|{\mathrm{\τ}}_w\right|=2\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left|u\right|/\mathrm{\δz}$   z⁺≤11.81（2）；

$\left|{\mathrm{\τ}}_w\right|=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{[\∂{\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\δz}}\right)}^{\mathrm{\β}}+\mathrm{\η}{\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\δz}}\right)}^B|\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left|\right]}^{\mathrm{\γ}}$   z⁺>11.81（3）；

式中，

为有限元计算时临近网格的平均粘度，为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z⁺为无量纲法向距离，而：

$\∂=\frac{1-B}{2}{A}^{\frac{1+B}{1-B}}$

β=1+B

$\mathrm{\η}=\frac{1+B}{A}$

$\mathrm{\γ}=\frac{2}{1+B};$

其中，参数A=8.3,参数B=1/7；

若壁面为粗糙壁面，中间变量|τ_w|按照下式计算：

${\mathrm{\τ}}_w=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\left(\frac{u}{2.44\ln (0.5\mathrm{\δz}/z_0)+\tilde{B}}\right)---\left(4\right);$

式中，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z₀为有量纲粗糙度，

为常数，

步骤4.2：根据步骤4.1计算得到的中间变量|τ_w|计算摩擦速度u^*：

$u^{*}=\sqrt{{\mathrm{\τ}}_w/\mathrm{\ρ}}---\left(1\right);$

式中，τ_w为中间变量，ρ为流体密度。

步骤4.3：根据摩擦速度u^*得到边界层速度，从FDS软件模拟环境中调用的粒子直径密度参数得到松弛时间，从FDS软件模拟环境中调用粒子浓度，将边界层速度、松弛时间和粒子浓度结合经验公式得到沉积量，根据沉积量得到炭黑痕迹计算结果发送至显示模块。

本发明能够实现火灾事故数值模拟、碳黑痕迹的静态和动态可视化数值模拟以及计算区域内碳黑痕迹的定量分析，可广泛适用于火灾事故原因鉴定、火灾科学研究和虚拟现实等领域，为事故现场碳黑痕迹快速数值重构提供支撑平台。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明基于FDS构建建筑火灾的数值模拟，能够对火灾事故发生的过程进行数值化重构。

（2）本发明基于粒子沉积理论实现碳黑痕迹的可视化数值模拟，能直观方便的观察整个痕迹的形成过程。

（3）本发明可以在计算区域内设定任意测点，可记录测点任意时刻单位面积碳黑痕迹的沉积的质量，并可对碳黑痕迹进行定量分析，既可以动态显示碳黑痕迹形成的整个过程，也可以静态显示碳黑痕迹某一时刻的状态。

（4）本发明具有使用彩色和黑白色显示碳黑痕迹两种模式，黑白色更形象，彩色更容易辨别。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统的结构原理图；

图2为本发明烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查方法的流程原理图；

图3为本发明实施例的碳黑痕迹可视化数值模拟的实现流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，该烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统基于FDS软件构建，该烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统包括：壁面位置判断模块、壁面粗糙度判断模块、炭黑痕迹计算模块、显示模块和输入模块。

输入模块用以输入炭黑颗粒的基本参数、待求解时间步以及障碍物表面信息。

壁面位置判断模块与输入模块连接，用以根据输入的障碍物表面信息判断障碍物的壁面是否与烟气颗粒接触。

壁面粗糙度判断模块分别与输入模块和壁面位置判断模块连接，用以将输入的障碍物表面信息与预先存储的障碍物表面光滑度阈值进行比较，若障碍物表面信息小于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为光滑；若障碍物表面信息大于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为粗糙。

炭黑痕迹计算模块与壁面粗糙度判断模块连接，用以从FDS软件模拟环境中调用网格内的气体参数，根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算光滑壁面或粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|，根据中间变量计算摩擦速度u^*，并根据摩擦速度u^*得到对应时间步的炭黑痕迹计算结果发送至显示模块。

显示模块与炭黑痕迹计算模块连接，用以根据接收到的炭黑痕迹计算结果显示炭黑痕迹。具体地，本发明通过SmokeView软件显示炭黑痕迹，显示模块对炭黑痕迹计算结果进行处理，将炭黑痕迹计算结果转换为符合SmokeView软件输入要求的数据输出至SmokeView软件进行显示。SmokeView软件可以对FDS软件或者其他计算火驱动流体动力学的CFD软件的数值模拟结果，通过调用OpenGL数据库对流体动力学数据进行处理，使其可视化。该软件利用色彩来可视化定量，这些定量数据的可视化方法是根据场景内不同顶点的数据赋予不同的色彩，其将碳黑沉积的标量数据转换成颜色值的过程是：首先获得最小和最大的碳黑颗粒的沉积数据；通过特定的方法。比如比例缩放和四舍五入将碳黑痕迹的沉积量转换为0到255之间的整数色彩索引；利用计算转换得到的色彩索引获得颜色表；通过纹理映射的方式显示这些色彩。

进一步地，炭黑痕迹计算模块按照下式计算光滑壁面对应的中间变量|τ_w|：

$\left|{\mathrm{\τ}}_w\right|=2\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left|u\right|/\mathrm{\δz}$   z⁺≤11.81（2）；

$\left|{\mathrm{\τ}}_w\right|=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{[\∂{\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\δz}}\right)}^{\mathrm{\β}}+\mathrm{\η}{\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\δz}}\right)}^B|\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}\left|\right]}^{\mathrm{\γ}}$   z⁺>11.81（3）；

式中，

为有限元计算时临近网格的平均粘度，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z⁺为无量纲法向距离，而：

$\∂=\frac{1-B}{2}{A}^{\frac{1+B}{1-B}}$

β=1+B

$\mathrm{\η}=\frac{1+B}{A}$

$\mathrm{\γ}=\frac{2}{1+B};$

其中，参数A=8.3,参数B=1/7。

进一步地，炭黑痕迹计算模块按照下式计算粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|：

${\mathrm{\τ}}_w=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\left(\frac{u}{2.44\ln (0.5\mathrm{\δz}/z_0)+\tilde{B}}\right)---\left(4\right);$

式中，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z₀为有量纲粗糙度，

为常数，

进一步地，炭黑痕迹计算模块按照下式计算摩擦速度：

$u^{*}=\sqrt{{\mathrm{\τ}}_w/\mathrm{\ρ}}---\left(1\right);$

式中，τ_w为中间变量，ρ为流体密度。

更为具体地，障碍物表面光滑度阈值为0，若表面粗糙度为0，壁面光滑；否则，若表面粗糙度不为0，壁面粗糙。基本参数包括炭黑颗粒的粒子直径和密度。网格内的气体参数包括动力粘度、气体密度以及网格中心离壁面的距离。

请同时参阅图2至图3，基于上述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，本发明还提供一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查方法，包括以下步骤：

步骤1：输入炭黑颗粒的基本参数、待求解时间步以及障碍物表面信息。

具体地，基本参数包括炭黑颗粒的粒子直径和密度。

步骤2：壁面位置判断模块根据输入的障碍物表面信息判断障碍物的壁面是否与烟气颗粒接触。

步骤1输入设定碳黑颗粒的粒子直径和密度等基本参数和计算碳黑痕迹命令后，FDS软件调用输入文件，当接收到计算机求解碳黑痕迹指令后，将障碍物的表面信息传递给壁面位置判断模块，壁面位置判断模块首先判断障碍物表面是否符合烟气颗粒粘附的条件，包括壁面附近特定网格烟气颗粒浓度是否趋向于零、障碍物表面是否与另外障碍物表面直接接触从而烟气颗粒不可能接近该表面、障碍物是否已经燃烧完等，若上面的条件有一条成立，则模块跳过计算，等待其他计算计算完毕后进入下一个时间步；若满足计算碳黑痕迹的条件，即不存在上述关于壁面的假设，则FDS软件将壁面的粗糙度信息传递到碳黑痕迹计算模块，执行步骤3。

步骤3：壁面粗糙度判断模块将输入的障碍物表面信息与预先存储的障碍物表面光滑度阈值进行比较，若障碍物表面信息小于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为光滑；若障碍物表面信息大于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为粗糙。

具体地，障碍物表面光滑度阈值为0，若表面粗糙度为0，壁面光滑；否则，若表面粗糙度不为0，壁面粗糙。

步骤4：炭黑痕迹计算模块从FDS软件模拟环境中调用网格内的气体参数，根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算炭黑痕迹计算结果发送至显示模块。

具体地，网格内的气体参数包括动力粘度、气体密度以及网格中心离壁面的距离。

沿平面运动的湍流的边界层可以分为内层和外层，它们的范围与流体和壁面条件有关，烟气流体的边界速度，根据Stephen B.Pope和H.Tennekes的研究成果，定义无量纲速度u⁺和无量纲法向距离z⁺：

u⁺≡u/u^*

z⁺≡zρu^*

式中u为流体实际速度，z为距壁面实际法向距离，ρ为流体密度，u^*为流体摩擦速度。

对于平滑壁面，则壁面附近的流体边界速度为：

u⁺=z⁺    z⁺<5

u⁺=2.4lnz⁺+5.2    z⁺>30

而在5≤z⁺≤30的区域，属于缓冲层，粘性力和惯性力同样重要，其速度为：

u⁺=z⁺          z⁺≤11.81

u⁺=A(z⁺)^B    z⁺≥11.81

其中参数A=8.3,参数B=1/7。

对于粗糙壁面，无量纲速度u⁺为：

$u^{+}=\frac{1}{k}\ln \left(\frac{z}{z_0}\right)+\tilde{B}$

其中卡曼系数κ=0.41，z₀为有量纲粗糙度，z为实际壁面法向距离，为常数， $\tilde{B}=7.44.$

摩擦速度的求解可以根据Werner和Wengle提出的WW模型进行。

该步骤具体包括以下步骤：

步骤4.1：根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算光滑壁面或粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|，其中，

若壁面为光滑壁面，中间变量|τ_w|按照下式计算：

$\left|{\mathrm{\&tau;}}_w\right|=2\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}\left|u\right|/\mathrm{\&delta;z}$   z⁺≤11.81（2）；

$\left|{\mathrm{\&tau;}}_w\right|=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}{[\&PartialD;{\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\mathrm{\&delta;z}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&eta;}{\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\mathrm{\&delta;z}}\right)}^B|\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}\left|\right]}^{\mathrm{\&gamma;}}$   z⁺>11.81（3）；

式中，

为有限元计算时临近网格的平均粘度，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z⁺为无量纲法向距离，而：

$\&PartialD;=\frac{1-B}{2}{A}^{\frac{1+B}{1-B}}$

β=1+B

$\mathrm{\&eta;}=\frac{1+B}{A}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{2}{1+B};$

其中，参数A=8.3,参数B=1/7；

若壁面为粗糙壁面，中间变量|τ_w|按照下式计算：

${\mathrm{\&tau;}}_w=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\left(\frac{u}{2.44\ln (0.5\mathrm{\&delta;z}/z_0)+\tilde{B}}\right)---\left(4\right);$

式中，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z₀为有量纲粗糙度，

为常数，

步骤4.2：根据步骤4.1计算得到的中间变量|τ_w|计算摩擦速度u^*：

$u^{*}=\sqrt{{\mathrm{\&tau;}}_w/\mathrm{\&rho;}}---\left(1\right);$

式中，τ_w为中间变量，ρ为流体密度。

步骤4.3：根据摩擦速度u^*得到边界层速度，从FDS软件模拟环境中调用的粒子直径密度参数得到松弛时间，从FDS软件模拟环境中调用粒子浓度，将边界层速度、松弛时间和粒子浓度结合经验公式得到沉积量，根据沉积量得到炭黑痕迹计算结果发送至显示模块。

步骤5：显示模块根据接收到的炭黑痕迹计算结果显示炭黑痕迹。

具体地，本发明通过SmokeView软件显示炭黑痕迹，显示模块对炭黑痕迹计算结果进行处理，将炭黑痕迹计算结果转换为符合SmokeView软件输入要求的数据输出至SmokeView软件进行显示。

本发明的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统通过在FDS软件中开发基于碳黑痕迹的火灾数值模拟系统，构建炭黑痕迹计算模块实现。本发明的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统的生成主要包括以下步骤：

（1）碳黑痕迹数学模型

分析室内火灾中，烟气的形成及流动规律，选定火灾数值模拟的模型，将湍流中粒子沉积的理论应用到烟气中碳黑颗粒的沉积计算上，推导火场中物体壁面单位时间内沉积的碳黑颗粒质量以及任意时刻沉积到物体壁面碳黑颗粒的总质量的数学计算公式，并对公式进行细化和数值化，使其在选定的场模拟环境中可以进行运算。

（2）基于FDS的碳黑痕迹建模系统

将离散化、数值化的数学模型，利用FORTRAN语言开发碳黑痕迹数值计算的程序模块。然后利用FDS软件开放的源代码，将碳黑痕迹程序模块与FDS软件的火灾模拟相结合，开发基于碳黑痕迹的火灾数值模拟系统，并为该系统设计人性化的用户界面。该模拟系统能够实现烟气流过壁面时形成的可视化痕迹的数值模拟，并且通过输入参数的设置可在在数值模拟环境中设定测点记录任意时刻壁面单位面积颗粒的沉积总量，可对碳黑痕迹进行定量分析。在此基础上对典型的碳黑痕迹的形成规律进行研究和总结，并利用该系统进行模拟，模拟结果与直观的观察结果进行对比，验证数学模型的正确性与适用性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，所述烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统基于FDS软件构建，其特征在于，所述烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统包括：壁面位置判断模块、壁面粗糙度判断模块、炭黑痕迹计算模块、显示模块和输入模块，其中，

所述输入模块用以输入炭黑颗粒的基本参数、待求解时间步以及障碍物表面信息；

所述壁面位置判断模块与所述输入模块连接，用以根据输入的障碍物表面信息判断障碍物的壁面是否与烟气颗粒接触；

所述壁面粗糙度判断模块分别与所述输入模块和壁面位置判断模块连接，用以将输入的障碍物表面信息与预先存储的障碍物表面光滑度阈值进行比较，若障碍物表面信息小于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为光滑；若障碍物表面信息大于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为粗糙；

所述炭黑痕迹计算模块与所述壁面粗糙度判断模块连接，用以从FDS软件模拟环境中调用网格内的气体参数，根据所述壁面粗糙度判断模块的判断结果计算光滑壁面或粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|，根据中间变量计算摩擦速度u^*，并根据摩擦速度u^*得到对应时间步的炭黑痕迹计算结果发送至所述显示模块；

所述显示模块与所述炭黑痕迹计算模块连接，用以根据接收到的炭黑痕迹计算结果显示炭黑痕迹。

2.根据权利要求1所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，其特征在于，所述炭黑痕迹计算模块按照下式计算光滑壁面对应的中间变量|τ_w|：

$\left|{\mathrm{\&tau;}}_w\right|=2\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}\left|u\right|/\mathrm{\&delta;z}$   z⁺≤11.81（2）；

$\left|{\mathrm{\&tau;}}_w\right|=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}{[\&PartialD;{\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\mathrm{\&delta;z}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&eta;}{\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\mathrm{\&delta;z}}\right)}^B|\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}\left|\right]}^{\mathrm{\&gamma;}}$   z⁺>11.81（3）；

式中，

为有限元计算时临近网格的平均粘度，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z⁺为无量纲法向距离，而：

$\&PartialD;=\frac{1-B}{2}{A}^{\frac{1+B}{1-B}}$

β=1+B

$\mathrm{\&eta;}=\frac{1+B}{A}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{2}{1+B};$

其中，参数A=8.3,参数B=1/7。

3.根据权利要求1所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，其特征在于，所述炭黑痕迹计算模块按照下式计算粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|：

${\mathrm{\&tau;}}_w=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\left(\frac{u}{2.44\ln (0.5\mathrm{\&delta;z}/z_0)+\tilde{B}}\right)---\left(4\right);$

式中，为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z₀为有量纲粗糙度，为常数，

4.根据权利要求2或3所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，其特征在于，所述炭黑痕迹计算模块按照下式计算摩擦速度u^*：

$u^{*}=\sqrt{{\mathrm{\&tau;}}_w/\mathrm{\&rho;}}---\left(1\right);$

式中，τ_w为中间变量，ρ为流体密度。

5.根据权利要求1所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，其特征在于，所述基本参数包括炭黑颗粒的粒子直径和密度。

6.根据权利要求1所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，其特征在于，所述网格内的气体参数包括动力粘度、气体密度以及网格中心离壁面的距离。

7.根据权利要求1所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，其特征在于，所述障碍物表面光滑度阈值为0，若表面粗糙度为0，壁面光滑；否则，若表面粗糙度不为0，壁面粗糙。

8.根据权利要求1所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查系统，其特征在于，所述显示模块对炭黑痕迹计算结果进行处理，将炭黑痕迹计算结果转换为符合SmokeView软件输入要求的数据输出至SmokeView软件进行显示。

9.一种烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：输入炭黑颗粒的基本参数、待求解时间步以及障碍物表面信息；

步骤2：壁面位置判断模块根据输入的障碍物表面信息判断障碍物的壁面是否与烟气颗粒接触；

步骤3：壁面粗糙度判断模块将输入的障碍物表面信息与预先存储的障碍物表面光滑度阈值进行比较，若障碍物表面信息小于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为光滑；若障碍物表面信息大于障碍物表面光滑度阈值，则判断壁面为粗糙；

步骤4：炭黑痕迹计算模块从FDS软件模拟环境中调用网格内的气体参数，根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算炭黑痕迹计算结果发送至显示模块；

步骤5：显示模块根据接收到的炭黑痕迹计算结果显示炭黑痕迹。

10.根据权利要求9所述的烟熏炭黑痕迹火灾辅助调查方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：根据壁面粗糙度判断模块的判断结果计算光滑壁面或粗糙壁面对应的中间变量|τ_w|，其中，

若壁面为光滑壁面，中间变量|τ_w|按照下式计算：

$\left|{\mathrm{\&tau;}}_w\right|=2\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}\left|u\right|/\mathrm{\&delta;z}$   z⁺≤11.81（2）；

$\left|{\mathrm{\&tau;}}_w\right|=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}{[\&PartialD;{\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\mathrm{\&delta;z}}\right)}^{\mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&eta;}{\left(\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\mathrm{\&delta;z}}\right)}^B|\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&mu;}}\left|\right]}^{\mathrm{\&gamma;}}$   z⁺>11.81（3）；

式中，为有限元计算时临近网格的平均粘度，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z⁺为无量纲法向距离，而：

$\&PartialD;=\frac{1-B}{2}{A}^{\frac{1+B}{1-B}}$

β=1+B

$\mathrm{\&eta;}=\frac{1+B}{A}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{2}{1+B};$

其中，A=8.3,B=1/7；

若壁面为粗糙壁面，中间变量|τ_w|按照下式计算：

${\mathrm{\&tau;}}_w=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}\left(\frac{u}{2.44\ln (0.5\mathrm{\&delta;z}/z_0)+\tilde{B}}\right)---\left(4\right);$

式中，

为临近网格的平均密度，δz为离开壁面垂直距离，u为流体实际速度，z₀为有量纲粗糙度，

为常数，

步骤4.2：根据步骤4.1计算得到的中间变量|τ_w|计算摩擦速度u^*：

$u^{*}=\sqrt{{\mathrm{\&tau;}}_w/\mathrm{\&rho;}}---\left(1\right);$

式中，τ_w为中间变量，ρ为流体密度。

步骤4.3：根据摩擦速度u^*得到边界层速度，从FDS软件模拟环境中调用的粒子直径密度参数得到松弛时间，从FDS软件模拟环境中调用粒子浓度，将边界层速度、松弛时间和粒子浓度结合经验公式得到沉积量，根据沉积量得到炭黑痕迹计算结果发送至所述显示模块。

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