基于CUDA-Monte-Carlo方法的树冠火辐射模型研究

2010(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会集 基于CUDA-Monte-Carlo方法 的树冠火辐射模型研究 郝耀华1，季经纬1，李全峰2 (I．中国矿业大学安全学院，徐州221008；2．湖北宜昌市消防支队，远安444200) 摘要：为研究树冠火的热辐射，本文建立了基于CUDA—Monte—Carlo的圆柱形树冠火模型，通过采用一组树冠火的实验 数据，对比理论计算结果与实验数据．验证了模型的正确性，并探讨了树冠火的热辐射的纵向分布。研究发现，采用基于CUDA 框架的GPU．运行Monte-Carlo热辐射计算方法的速度是CPU运行的4l倍，计算测点位置的热辐射通量的时间只需0．1487s， 计算速度得到明显提升。且计算结果与实验测量结果相近，验证了Monte--Carlo方法在树冠圆柱火焰模型中应用的可行性；根 据该模型计算出的热辐射通量的纵向分布．可以确定辐射最不利位置在树冠顶部所对应的水平高度。 关键词：CUDA；Monte—Cado：树冠火；热辐射 1引言 城镇森林工程的建设必然会不断出现城镇森林交界的区域，同时由于人类的频繁活动这一区域蕴含 着巨大的火灾风险，业界给这类火灾命名为城镇森林交界域火灾(Wildland—Urbaninterfacefire，简称WUI fire)。施坦福物理学家C．P．Butle一-对此给出了一个较为合理的定义：城镇森林交界域火灾是指发生在城镇 建筑与森林植被相邻区域或建筑植被混合区域的火灾。研究城镇森林交界域案例发现，飞火和热辐射是交 界域火灾蔓延的两种主要方式，而树冠火的火焰功率非常大，是热辐射的主要方式。因此，考虑树冠火的辐 射空间尺度问对研究交界域火灾具有重要意义。 目前．对于圆柱形树冠火模型的研究。美国国家与技术研究院的Davidl2l等人发展了圆柱简化热辐 射模型，并进行了单树火蔓延数值模拟；WilliamMelll3等人采用圆柱形火焰探讨了湿度和树冠高度变化的 对树冠火的影响．采用FDS预测不同湿度和高度的树冠燃烧产生的热辐射通量和质量损失速率随时间的 变化，并与实验结果作了对比。验证了圆柱形火焰模型的合理性。国内方面，翁韬4·踔争依据圆柱火焰面辐射 模型预测典型单树树冠火辐射的理论，并在单树辐射模型的基础上发展了多树辐射的简化模型，实验研究 了多棵雪松燃烧形成的树冠火的辐射热通量值。验证了圆柱火焰模型可以准确地预测树冠火辐射热流密 度随时间的变化。 Monte—Carlo(蒙特卡洛)方法是计算热辐射较为精确的一种方法，可适用于任意复杂边界的问题，且可 以很方便地处理不同波长的辐射，在热辐射的计算中有很好的应用价值。目前，Monte—Carlo方法在热辐射 中的应用包括烟气层的热辐射161，火焰的热辐射切。由于Monte—Carlo方法是一种数理统计的方法，为达到计 算精度．需要对大量数据进行处理，这就带来一个计算耗时的问题。本文出于这样的考虑，结合Monte—Carlo 方法的特点，采用基于CUDA框架的GPU进行并行计算，以提高Monte—Carlo方法的计算效率，并将改进 的Monte—Carlo方法，应用到树冠火的热辐射模型中，分析i亥方法应用的优势。 2基于CUDA—Monte—Carlo热辐射方法 2．1Monte—Carlo方法 蒙特卡洛法在计算面的热辐射通量时，其基本原理是将辐射表面的辐射能量看作是由许多能束组 成旧，每个能束具有一定的能量(辐射表面所发射的能量与由此表面出发的能束数量有关)。任意表面接收 到的辐射能量等于该表面接收到的能束总数与单束能束的携带的能量的乘积。具体计算过程为： 首先确定能束在辐射表面的起点位置和辐射方向。从一个表面发射的能束位置和发射方向都是随机 的。能束的位置满足0睢1)均匀分布，可通过编程语言提供的随机函数产生随机数，以确定位置坐标；发射方 一858— Proceedingsof2010(Shenyang)InternationalColloquiumonSqfetyScienceandTechnology 向可通过能束与辐射表面的空间角和圆周角来确定，如图1，口是能束的空间角，妒是能束的圆周角，假设 R。，疋是0—1之间均匀分布的随机数，可以通过cos0=何，9=2"rrR。来确定能束的发射方向。 辐射 图1辐射示意图 图2Monte—Carlo方法热辐射计算流程图 然后开始追踪能束的投射直到被某一表面吸收。通过求解立体几何问题，可以判断能束是否投射到某 一表面的位置。根据该表面的辐射特性，此能束可能被吸收，也可能被反射。设Rnd是0～1均匀分布的随机 数，当满足Rnd。