[发明专利]消防喷射水轨迹实时还原仿真算法及其在虚拟环境的应用

权利要求书

1.消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，其特征在于：具体包括以下步骤：

T1、建立直角坐标系并受力分析，令v为射流微元体的速度,θ为射流速度方向与x轴正方向夹角，Ft为空气阻力，方向与射流方向相反，mg为微元体重力，方向垂直向下，x和y为微元体的射程和射高；

设i为射流速度方向的单位矢量，则：

v＝vi

两边同时对时间微分，可得：

设j为垂直于射流速度方向的单位矢量，根据矢量微分原理，有：

联立得：

消防水炮的水射流是连续的，因此能够认为喷嘴每秒射出水流质量m为一常数，不随时间t的变化而发生变化，根据牛顿第二定律可得：

向矢量i和j方向投影，得：

由此可知

T2、步骤T1模型上式中加入修正系数k1、k2，修改后的公式如下：

上升段：

下降段：

T3、射流微元体在空气中受到的空气阻力Ft计算公式如下：

其中ρ_空为空气密度，v为微元体速度，S_M为微元体横截面积，C_X为空气阻力系数；

T4、空气阻力系数C_X计算公式如下：

其中，Re为雷诺数，ρ_水为水密度，v₀为微元体初始速度，d₀为消防水炮直径；

T5、将射流轨迹模型分为前后两部分，以轨迹最高点为分界点，截面积S_M计算公式如下：

上升段：

S_M＝A₀(1+aln(1+x))

下降段：

S_M＝A₀(1+bln(1+y₀-y))

其中A₀是初始横截面积，a、b分别为上升段和下降段面积修正系数，y₀为射流最高点的射高；

T6、因此采用四阶龙格-库塔算法求解，步幅为0.02，公式如下，其中h为步幅。

T7、对不同的角度，分别有不同的修正系数，修正系数的拟合函数如下：

X＝(eθ^f+g)l

其中X为射流估计模型中的修正系数，θ为微元体初始速度方向与x轴正方向夹角，e、f、g为拟合函数系数。

2.根据权利要求1所述的消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，其特征在于：所述步骤T1模型中的射流微元体在整个运动过程中形状不发生改变，但这种假设在实际中由于射流破碎及风力的影响下是不可能成立，同时，通过观察水射流的实际运动轨迹，看出射流在上升段速度方向的变化率与下降段的速度方向变化率明显不同。

3.根据权利要求1所述的消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，其特征在于：所述步骤T2中加入修正系数k1、k2，是用于模拟上升及下降段由于射流破碎及风力的影响造成空气阻力与射流微元体速度方向不共线的现象，以提高射流轨迹模拟的准确性。

4.根据权利要求1所述的消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，其特征在于：所述步骤T5中水射流刚从炮头射出时为实心圆柱体，而后由于射流破碎，导致外部与空气接触部分的水射流变成液滴，此时内部依然是实心的，直到整个射流液柱全部破碎为液滴。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的消防喷射水轨迹实时还原仿真算法在虚拟环境中的应用，其特征在于：具体包括以下步骤：

E1、基于虚拟现实引擎Unity3D，搭建虚拟三维场景；

E2、以.NET框架为基础，实现一个轨迹算法类，将基于空气阻力理论的消防水炮射流轨迹模型封装出一个对外功能函数接口GenerateTrack()；

E3、调用时传入炮口位置、炮口俯仰角、炮口流量、炮口直径和计算精度，会返回此时的消防水炮射流轨迹的点集；

E4、通过在不同角度下，对比Unity仿真射流轨迹与实际射流轨迹，检验射流轨迹模型的准确性。