2.3 井下通风与火灾可视化
2.3.1 通风系统三维可视化
井下火灾过程大致可分为初起期、成长期、旺盛期和衰减期4个阶段[122]，火灾过程中的初起期和成长期是烟气产生的主要阶段，而烟气是造成人员伤亡的最大原因。烟气流动的主要因素包括烟囱效应、气体热膨胀及通风系统。其中，通风系统在火灾起始阶段能将烟气迅速传送，加速了烟气的蔓延，并为火区提供大量新鲜空气，促进火情发展。所以，以矿井的通风系统三维仿真为基础研究井下火灾蔓延过程的仿真技术。
矿井通风系统是一个复杂的立体结构，其巷道数目繁多、纵横交错、上下重叠且相互的关系复杂。由于矿井通风系统管理是矿井安全生产工作中的重要组成部分，是一直以来国内外专家和技术人员所关注的焦点，并针对矿井通风系统的特点，设计并开发出了诸多符合工程技术人员习惯和容易操作的矿井通风系统可视化软件和计算机模拟管理系统，从各个不同的角度对矿井通风网路进行计算机模拟，取得了诸多成果。
在国外，美国开发的通风设计软件能够进行交互式设计，将强制通风与自然通风网络以三维图形方式显示；HTME的VENDIS软件能以交互的图形方式提供网络计算结果，用户可用键盘或鼠标以三维方式输入风阻、温度和节点信息，解算结果可以图形方式显示出来，网络规模和观察视点都可交互式改变。在国内，西安科技学院开发的通风软件系统独有的快速插入模拟计算功能，并基于网络方式进行了初步探讨[123-125]；辽宁工程技术大学等单位进行了“矿井通风仿真系统及其应用研究”，构建出了新建矿井开掘贯通和旧井巷报废后的通风状况、构筑物的位置及调节量等可视化矿井通风管理系统，同时利用数值仿真技术等可以分析通风系统存在的问题，并找出解决问题的最优方案[126，127]；山东矿业学院研制出“矿井灾变处理系统”[128]，并和徐州矿务集团联合进行了通风网络可视化计算方面的研究[129]；中国矿业大学的学者将GIS与通风系统结合进行研究[130，131]；太原理工大学、西安建筑科技大学、烟台大学、江西理工大学等也在相关领域进行了探讨和研究[132-136]。
2.3.2 矿井火灾三维可视化
矿井火灾包括发生在矿井巷道内、硐室内和采空区内的火灾，也包括发生在地面井口附近而能波及井下的火灾[137]。在矿井火灾时期，由于火灾与通风系统的相互作用，使火灾的影响波及范围大，因而矿井火灾的动态发展过程仿真是一个非常复杂的研究课题，涉及许多学科领域。
（1）火灾时期的通风状态仿真。目前，矿井火灾时期的通风状态仿真的主要方法可以分为两类：一类是微分方程法；另一类是时间区间法[138，139]。微分方程法是通过建立火灾过程、烟流运动、围岩传热及通风网络风量—风压微分方程组，应用有限差分法求解这些方程得到较精确的数值解。这种方法计算复杂、计算量大，目前还难以达到实用的程度。时间区间法是在每一个微小的时间区间内，将风流状态看成是稳态，以前一时间区间的风量等数据为基础，计算火灾烟流的扩散范围、井巷的风温和火灾对烟流的影响等，然后采用稳态时的通风网络解算方法求解当前时间区间的风量等参数，如此由火灾发生时刻开始，逐个时间区间向前计算，其解算通常采用“哈蒂—克劳斯法”或“牛顿法”进行[140]。
（2）火灾烟流运动的仿真。目前，主要有“控制体法”和“烟流锋面法”[141]两类。“控制体法”就是将每条巷道中的风流分为若干个称为“控制体”的区段，每段中的烟流浓度假设为常数，控制体的前边界为数据点，记录为温度、浓度、离始点距离等参数值。随着时间的推移，“控制体”也向前移动，直至到达分支节点处烟流混合形成新的“控制体”流入后续巷道。“烟流锋面法”是将每一时间区间中，由火源或节点混合后流出的烟流浓度发生变化的烟流截面，都作为一个“烟流锋面”，记录其烟流温度、浓度、所在分支、离分支始点的距离等参数，随着时间推移，“烟流锋面”也向前移动，其温度等参数发生变化，在烟流汇合的节点处，根据质量守恒与热焓平衡定律计算得到新的烟流锋面，流入后续巷道。同一巷道的前后两烟流锋面之间的烟流浓度可看作是线性变化，温度按指数规律变化[142，143]。
目前，专家学者与现场工程技术人员的研究主要集中在矿井巷道的风网解算、风网中烟流浓度和温度分布的仿真计算、风流与围岩的热交换计算、热风压对风流状态的干扰及烟流浓度、风温和风量变化计算等几个方面[144，145]；所取得的主要成果包括美国明尼苏达州矿务研究中心的MFIRE软件[146]；波兰科学院研制的Mine Fire Simulator软件；西安科技学院的“矿井通风安全救灾软件CFIRE”[147]；淮南矿业学院开发的“多风井复杂通风系统正常与灾变时期通风模拟与控制”系统[148]以及中国矿业大学设计的“矿井通风防火系统”[149]；黄光球、汪晓海、陈惠明利用元胞自动机模型，用元胞来描述火烟蔓延能量单元，该单元包含了火焰温度、蔓延速度、烟雾浓度和有毒气体浓度等状态参数，在仿真过程中，可以获得大量关于火灾蔓延、灾害动态、灾害严重程度及其可行的调控方法[150]。尽管许多单位在通风系统的基础上对火灾扩散及数值模拟方面进行了相应的研究，但总体说来，对于在三维空间的火灾蔓延过程的仿真还是相对较少[151-155]。