計算機仿真與計算機圖形學

上海交通大學機械與動力工程學院計算機仿真與計算機圖

形學

計算機圖形學小論文姓名：XXXXX學號：XXXXXX2011/4/9文章分三個部分，分別介紹了數(shù)值仿真技術、仿真技術相關的應用軟件以及仿真技術與作者專業(yè)方向的關系及應用。計算機仿真技術與計算機圖形學摘要：仿真技術集成了當代科學技術中多種現(xiàn)代化頂尖手段，正在極大地擴展著人類的視野、時限和能力，在科學技術領域產生著日益重要的作用。隨著計算機軟硬件技術及其它輔助設施的快速發(fā)展，計算機仿真技術也取得了巨大進步，無論是在應用領域，還是在仿真對象、仿真框架、仿真目的及仿真軟件等方面都發(fā)生了十分重大的轉變，計算機仿真已經進入了一個嶄新的發(fā)展階段，它的重要性與特殊功效已越來越突出。本文通過對計算機仿真技術的概念、發(fā)展過程及現(xiàn)狀、應用及發(fā)展趨勢的介紹，闡述了作者對該項技術的認識，同時，作者結合實際，詳細的闡述了該項技術在作者科學研究中的應用。1、計算機仿真技術簡介基本概念關于計算機仿真技術的概念，有多種定義形式?？傮w認為：計算機仿真技術是以計算機為工具，以相似原理、系統(tǒng)技術、控制理論、信息處理技術以及各種相關領域技術為基礎，以計算機和其他專用的物理效應設備為工具，根據(jù)系統(tǒng)實驗目的，建立系統(tǒng)模型，并在不同的條件下，對模型進行動態(tài)運行實驗的門綜合性技術。隨著計算機硬件性能的提高，軟件功能的日臻完善、離散數(shù)學算法穩(wěn)定性的改善以及各種仿真模型和驗證方法準確性的提高，計算機仿真的有效性得到認可，也使計算機仿真的廣度、深度和精度在社會領域獲得極大拓展。計算機仿真的實現(xiàn)計算機仿真是指通過建立系統(tǒng)的數(shù)學模型并在計算機上進行解算的過程，即先對真實的或理論上的物理系統(tǒng)進行建模，然后在數(shù)字計算機上運行該模型，最后再對所獲得的結果進行分析。計算機仿真包括3個基本要素，即系統(tǒng)、模型與計算機。；聯(lián)系著它們的3項基本活動是：模型建立、模型試驗和結果分析。也就是說，計算機仿真的基本過程就是建立模型、運行模型和分析模型的過程。（一）模型的建立：對于所研究的對象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這之后，需要利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學的表達式描述出來，描述的內容，就是所謂的“數(shù)學模型”。這個模型是進行計算機仿真的核心。系統(tǒng)的數(shù)學模型根據(jù)時間關系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混合時間動態(tài)模型；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型；（二）模型的仿真實驗：將上一步得到的仿真模型載入計算機，按照預先設置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”；（三）對仿真實驗得到的數(shù)據(jù)進行去粗取精、去偽純真的科學分析，并根據(jù)分析結果正確的判斷和決策。計算機仿真過程的實現(xiàn)得益于相關技術的迅速發(fā)展，這包括：（一）計算機技術：計算機技術的飛速發(fā)展帶來了高性能的計算機系統(tǒng)，從而為計算機仿真的實現(xiàn)提供了最重要的物質基礎，沒有高性能的計算機系統(tǒng)，就不可能發(fā)展出高性能的計算機仿真技術；同時，諸如數(shù)據(jù)庫技術、軟件工程方法、面向對象技術等一系列新興計算機技術的發(fā)展為計算機仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提供了科學的手段；（二）計算技術：由于仿真的對象多半是一些復雜的系統(tǒng)，而對于復雜系統(tǒng)是很難用解析表達式加以表達的，因此計算機仿真技術的核心是數(shù)值計算，而且通常是非常復雜的數(shù)值計算，因此數(shù)值計算的能力是計算機仿真的原動力。在數(shù)值計算方面取得了大量的研究成果，如各種各樣的數(shù)值計算方法：線性非線性方程組數(shù)值求解、矛盾方程組的數(shù)值求解、微分方程組的數(shù)值求解、微分一代數(shù)方程組的數(shù)值求解、工程中的矩陣計算等等；（三）圖形圖像技術：由于計算機仿真的主要目標之一是為分析對象提供一個形象化的結果，而人們最習慣接受的信息是圖形信息，特別是三維的圖形圖像，因此二維、三維圖形表示成為計算機仿真的主要表示形式。如近二十年來計算機圖形學、實體造型技術、曲面造型技術和圖形消影技術等的迅速發(fā)展；（四）復雜系統(tǒng)建模技術：通常可以把仿真對象看成一個復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內部之間呈現(xiàn)一種復雜的相互關系，或稱之為一種藕合關系。例如社會系統(tǒng)中人際間的關系即為一種強烈的耦合關系，機械系統(tǒng)中部件之間也呈一種復雜的藕合關系。顯然要分析這種復雜的系統(tǒng)，必須采取科學有效的方法。系統(tǒng)工程為復雜系統(tǒng)分析提供了理論基礎，該理論的最大特點是:采用各種有效的解耦方法，把復雜系統(tǒng)分解為一系列相對簡單的子系統(tǒng)，再分析各個子系統(tǒng)，最終來了解整個系統(tǒng)的特性。復雜系統(tǒng)建模技術即研究各種有效的系統(tǒng)解耦方法和系統(tǒng)求解理論，它是計算機仿真中的關鍵技術；（五）專業(yè)建模技術:不同領域的仿真有不同的專業(yè)建?；A，因為不同領域有不同的理論背景。例如,機械系統(tǒng)中的建模是基于牛頓力學或分析力學展開的，而社會系統(tǒng)中的建模則是根據(jù)完全的統(tǒng)計理論進行的。在不同領域，廣泛開展了計算機建模技術的研究。計算機仿真技術的應用計算機仿真技術在機械行業(yè)的應用（一）計算機仿真在復雜機械加工過程研究方面的應用：機械加工過程，是機械行業(yè)進行生產的基礎。利用計算機仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機理，為提高機械加工性能提供理論支持；（二）計算機仿真在汽車制造研究方面的應用：汽車制造是機械行業(yè)的一個重要組成部分。它有很多實驗課題，難度大、實地成本高，計算機仿真技術的引入，有效的緩解了這一方面的問題。如發(fā)動機方面，裝甲兵工程學院機械系的畢小平教授等建立了多缸柴油機起動過程的計算機仿真模型，其仿真結果與實際測量值比較吻合，可用于多缸柴油機的起動性能仿真；（三）計算機仿真在齒輪設計方面的應用：齒輪是機械產品的主要基礎部件，對其進行仿真研究具有重要意義，很多的科研工作者在這方面做了相關的研究。如太原理工大學的龐桂兵等采用VisualLisp語言從兒何角度討論了任意端面齒形的齒輪建模及其傳動仿真；（四）計算機仿真在故障診斷方面的應用：故障診斷是機械研究中的一個重要領域，以往的研究主要是對經驗案例的匯集和小規(guī)模的工況模擬實驗，其局限性較大。計算機仿真技術的介入，使我們提高了故障機理研究、故障定量分析和對故障進行預測和診斷的能力；（五）計算機仿真在疲勞壽命判斷方面的應用：在機械的運行中，疲勞問題不可避免。為了研究疲勞問題，往往要做大量的疲勞實驗，這不僅耗時、耗費、需要大量的人力、物力，而且對于有些復雜的問題，目前還無法在試驗機上實現(xiàn)。計算機仿真技術為解決這一問題提供了新的疲勞試驗研究途徑。東北大學機械工程與自動化學院的王雷博士等利用調質45鋼的單軸試驗數(shù)據(jù)和正火45鋼的多軸拉扭試驗數(shù)據(jù)建立的仿真模型，能夠比較精確的預測單軸疲勞和多軸疲勞的壽命；（六）計算機仿真在機械制造其他領域中的應用：除了上面所提到的，計算機仿真還在機械行業(yè)的其他領域之中有著廣泛的應用。例如應用于刀具設計、微鉆頭設計、滲碳層濃度分布、含間隙機構、空調制冷系統(tǒng)的研制和包裝機械的開發(fā)等等。計算機仿真技術在其他領域的應用計算機仿真技術是美國在進行曼哈頓計劃時首先發(fā)展起來的，但是計算機仿真技術已經被推廣到其它軍用與民用領域。軍事領域:例如航空母艦的作戰(zhàn)編隊,戰(zhàn)略導彈防御系統(tǒng)和空中交通指揮控制系統(tǒng)等，這些復雜系統(tǒng)的指揮、控制、操作、設計和試驗只可能通過先進的計算機仿真技術來完成；氣象預測領域：這是一個典型的無法進行物理模型試驗的領域，計算機仿真技術成為氣候變化回顧、氣候變化預測的唯一手段；社會系統(tǒng)仿真：人與自然的關系非常密切，只有采用計算機仿真技術來分析預測人口增加將對自然界產生什么樣的影響；航空航天領域：這是計算機仿真技術應用最為廣泛、深入的領域，對于火箭發(fā)射、衛(wèi)星釋放、太空行走、飛行姿態(tài)等都必須進行計算機仿真試驗。計算機仿真技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢計算機仿真技術的現(xiàn)狀近年來，計算機技術突飛猛進，無論是硬件方面的運行速度以及存儲容量，還是軟件方面的面向對象設計、可視化編程和圖形界面、開放式動態(tài)數(shù)據(jù)互連以及對象連接與嵌入式技術等皆取得重大進展。這些技術對解決模塊可重用性，計算機輔助建模、動畫技術、圖形界面技術以及其他系統(tǒng)的集成性問題產生了廣泛而深刻的影響，具體包括以下兒個方面：（一）改善了建模仿真能力：20世紀五六十年代，工程系統(tǒng)建模方法是以時間為基準的確定型的數(shù)學模型，主要運用微分方程或差分方程，20世紀七十年代出現(xiàn)了非工程系統(tǒng)，20世紀八十年代出現(xiàn)了智能建模方法。建模和仿真技術的發(fā)展，使模型由初期的對實體建模，已擴展到今天對環(huán)境的建模和對人類自身行為的建模；（二）仿真計算機由初期的模擬計算機、混合計算機發(fā)展到分布、并行、智能連網(wǎng)，并建立了基于標準、軟總線的開放結構；（三）并發(fā)仿真交互仿真模式：隨著高性能計算技術的發(fā)展，人們對開放、復雜、巨型系統(tǒng)進行越來越多、越來越深入研究，強調建模、仿真、實驗、驗證生命周期各類活動的優(yōu)化管理，需要引入并行思想?，F(xiàn)在已經證明，并行離散事件仿真能夠很好的適于許多大的離散事件仿真，諸如通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡以及計算機系統(tǒng)等；（四）可視化及動畫技術：系統(tǒng)仿真是一項技術難度較高的系統(tǒng)分析工作，可視化方法在仿真中的應用，能夠提供更友好的用戶界面，促進仿真建模以及處理輸入、輸出過程。計算機技術的發(fā)展已經引起可視化概念在仿真技術中的廣泛應用。仿真結果已能由打印數(shù)據(jù)、曲線，發(fā)展為能向用戶提供2D、3D圖形顯示，乃至于虛擬環(huán)境；（五）仿真模式由數(shù)學仿真和半實物仿真發(fā)展到能夠支持構造仿真、虛擬仿真和實物仿真的綜合自然環(huán)境的分布交互仿真技術；（六）應用集成：?般來說，仿真僅僅是商業(yè)服務、機械制造或者工程技術項目過程中的一個步驟，把仿真和其他應用系統(tǒng)，諸如電子表、數(shù)據(jù)庫管理、計算機輔助制圖以及車間生產計劃與控制等系統(tǒng)等有機地結合起來，將會極大的提高該過程的有效性。數(shù)值仿真技術的發(fā)展趨勢自從進入計算機數(shù)字化仿真階段，仿真技術在解決科學研究、系統(tǒng)設計、生產控制和教學訓練等方面發(fā)揮的作用相繼出現(xiàn)了重大的進展。在科技全速發(fā)展的新世紀，仿真技術必將取得長足的進步。這些進步體現(xiàn)在以下幾個方面：（一）仿真的規(guī)模日益擴大：20世紀80年代以來，大系統(tǒng)建模從理論研究走向了世紀應用，這一進展主要得益于計算機技術的發(fā)展。大系統(tǒng)仿真將在系統(tǒng)建模、仿真手段及仿真應用等方面不斷得到提高，比如，開發(fā)能夠求解大規(guī)模動態(tài)數(shù)學模型的高效率、高穩(wěn)定性的計算方法；運用神經網(wǎng)絡技術、人工智能以及復雜模型辨識技術的集成進行大系統(tǒng)的仿真建模；進一步開發(fā)高速度、大容量的仿真計算機，以便實時處理大系統(tǒng)中的各種信息；進一步開發(fā)適合于大系統(tǒng)仿真的平臺和仿真語言，減少仿真語言編程的難度等。（二）仿真建模的手段趨于多樣化：機理建模是仿真建模中最為重要的一種方法，它不是憑空想象出來的數(shù)學表達式，而是通過對大量的實驗數(shù)據(jù)進行分析和總結而得出的能夠反映事物客觀規(guī)律的數(shù)學描述。為了提高機理模型的精確度，必須對仿真對象的內在關系進行深入的研究，這就需要對仿真對象的活動全過程進行監(jiān)控，收集實際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，并將仿真數(shù)學模型所產生的行為數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)源進行比較，找出其中的差別以便進一步提高模型的精度。這就要求更加深入研究動態(tài)建模技術和理論方法，同時提高在線的檢測手段和檢測技術。當前，仿真模型一般都具有專用性，只對當前系統(tǒng)有效，如果對另一個有差別的系統(tǒng)進行仿真，必須重新考慮仿真模型的建立，這樣就浪費了大量的人力、物力資源，于是仿真模型的可重用技術應運而生。增強模型的可重用性可以通過規(guī)范模型數(shù)據(jù)的接口標準，開發(fā)基礎仿真模塊等方法解決。（三）仿真環(huán)境不斷改善：仿真環(huán)境可以分為仿真的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。仿真硬件環(huán)境的改善體現(xiàn)在超高速仿真計算機的出現(xiàn)、通信網(wǎng)絡的速度和容量進一步提高、高分辨率的視頻顯示系統(tǒng)以及三維位置傳感器等。仿真軟件環(huán)境體現(xiàn)在：解決大規(guī)模復雜偏微分方程和離散隨機事件仿真的高效仿真算法、適應并行計算機的高級并行仿真語言、適應不同層次人員使用的仿真平臺以及友好界面、使用簡單的先進編程軟件。（四）仿真應用不斷擴展：仿真計算是一種性價比較高的實驗方法，可以應用在社會生活的各個方面。現(xiàn)在，無論在工業(yè)工程、自然研究還是生命工程，都有仿真研究的足跡。蘇格蘭科學家已成功地將整個宇宙濃縮在一臺超級計算機中，計算機模型已仿真出分布在150億光年范圍內的10億個星系的狀況。英國若丁漢大學的礦產資源工程系的研究小組正在使用虛擬現(xiàn)實軟件重建黑暗的地下世界，以便為地下工作的礦工提供駕駛車輛或操作儀器的訓練場所。日本科學技術廳決定對影響地球環(huán)境的大氣、海洋、地層和地殼運動進行仿真。還有仿真核武器的性能以及破壞性的研究工作、仿真生物的發(fā)展趨勢工作以及對人類生命進行的研究與仿真等。綜上所述，計算機仿真技術發(fā)展的突飛猛進已表現(xiàn)出它的優(yōu)越性及潛在的效益。尤其是近年來在仿真方法研究、仿真技術研究、系統(tǒng)仿真應用等方面取得顯著的成就。因此，計算機仿真技術在國防建設和國民經濟建設中將發(fā)展越來越重要的作用。2、數(shù)值仿真技術相關軟件久負盛名的仿真軟件有ADAMS、MATLAB等系統(tǒng)，它們都是通用系統(tǒng)，仿真功能很強，同時，根據(jù)一些特定的應用場合，演化出許多專門的應用系統(tǒng)，如汽車仿真專用系統(tǒng)等。ADAMS軟件機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),是一種非常著名的虛擬樣機分析軟件。它是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程(CAE)技術。它的研究范圍主要是機械系統(tǒng)運動學和動力學分析，其核心是利用計算機輔助分析技術進行機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，以確定系統(tǒng)極其構件在任意時刻的位置、速度和加速度；同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構件運動所需要的作用力和反作用力。利用ADAMS軟件進行計算機動態(tài)仿真可以在設計階段就把樣機的性能模擬出來,大幅度提高了樣機試制的成功率。此軟件的應用最突出的優(yōu)點就是不必為一個新的模型編寫程序，很復雜的模型也能很快開發(fā)出來并投入使用。MATLAB/SIMULINKMATLAB是一種數(shù)學計算軟件，它具有強大的數(shù)值計算功能和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力。SIMULINK是MATLAB的重要工具箱之一，它是用來可視化實現(xiàn)系統(tǒng)級建模與動態(tài)仿真的有效工作平臺，可以用它來實現(xiàn)對工程問題的模型化和動態(tài)仿真。MATLAB/SIMULINK由于其強大的仿真計算功能，在機械系統(tǒng)研究中得到了越來越廣泛的應用。CAD軟件計算機輔助設計(ComputerAidedDesign,簡稱CAD)技術的發(fā)展，為人們的設計工作提供了極大的方便。CAD技術主要由計算機輔助建模和輔助分析兩部分組成。以內燃機系統(tǒng)為例，輔助建模已經應用于內燃機復雜零部件的二維繪圖和三維造型、零部件CAD系統(tǒng)、發(fā)動機總體CAD以及零部件設計專家系統(tǒng)5個方面；還可利用CAD輔助設計軟件UG完成內燃機中活塞、連桿、缸套等零部件的造型和裝配的仿真過程。有限元軟件有限元方法(FiniteElementMethod,縮寫FEM)是--種借助計算機進行工程分析的離散化數(shù)值方法。隨著計算機輔助設計(CAD)技術的廣泛應用，有限元軟件在計算機輔助工程(CAE)中的數(shù)值仿真(NumericalSimulation)扮演了重要的角色，“有限元仿真”成為專業(yè)學術論文或討論會的專用術語。有限元軟件(如Ansys等)作為一種先進的計算機仿真手段,其功能得到了不斷的完善，現(xiàn)有的一些有限元軟件已經可以給用戶提供…定的可視化仿真分析環(huán)境。一體化制造系統(tǒng)仿真軟件(IMSS)它是用于制造車間設計與分析的建模與仿真軟件，其主要功能如下：(一)其有一個包括制造車間各種元素如：機床，緩沖站，立體倉庫，運輸車等，建模者可利用這些元素并通過鼠標器在屏幕上構造制造車間的靜態(tài)模型；(二)制造車間的生產計劃及工藝路徑可通過表格形式輸入，可手工輸入也可直接從生產計劃及工藝規(guī)劃模塊讀入；(三)該軟件能自動生成離散事件仿真模型并能對該模型進行仿真；(四)有一套結果分析軟件，輸出結果可以是餅圖，直方圖或表格。加工過程仿真器(MPS)為了縮短產品的設計與開發(fā)周期，在CIMS中，特別強調計算機輔助設計(CAD)與計算機輔助制造(CAM)的集成，即要求從CAD輸出的產品設計信息能直接通過網(wǎng)絡傳送給計算機輔助加工工藝規(guī)劃系統(tǒng)(CAPP)使之產生刀位軌跡文件，然后再通過CAM形成數(shù)控加工中心所需要的數(shù)控(NC)代碼并按生產調度計劃加載到具體的數(shù)控加工中心。為了確保加工工藝的合理性及NC代碼的正確性，最好在對真實零件進行切削加工前能進行一次“試切削”，通常是采用木模來代替真實零件。顯然，這樣做不僅會延長開發(fā)周期，而且成本較高。加工過程仿真器(MPS)可為CAD/CAM的集成，特別是檢驗NC代碼的正確性及減少加工過程的碰撞干涉提供支持，因此可以用它部分地替代試切。具體功能包括：仿真加工設備及加工對象在加工過程中的運動及狀態(tài)；加工過程仿真的每一步均由NC代碼驅動；零件加工過程具有三維實時動畫功能，當發(fā)現(xiàn)碰撞時，會發(fā)出報警。工廠調度仿真環(huán)境(FASE)制造系統(tǒng)的調度問題是CIMS中的重要一環(huán)，現(xiàn)代產品市場的發(fā)展對生產調度的快速反應能力和精確性都提出了更高的要求，早期的調度方法大都基于運籌學、控制論等數(shù)學方法，由于生產車間調度問題的最優(yōu)解的求解時間隨著問題規(guī)模增大呈指數(shù)增長，因此無論多先進的計算機都不可能在有限時間內求出最優(yōu)解來。為解決這個問題，近年來，越來越多的人趨向于采用計算機仿真的方法來獲得調度問題的可行解。工廠仿真調度環(huán)境（FASE）的主要功能是提供給用戶一個一體化的仿真環(huán)境，用戶利用該環(huán)境可以描述車間模型，定義操作順序，給出輸入的訂單，經過仿真,產生調度方案及性能分析報告。3、數(shù)值仿真技術在火災模擬中的應用近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，火災數(shù)值模擬技術也得到了快速發(fā)展。目前，火災數(shù)值模型主要有專家系統(tǒng)、區(qū)域模型、場模型、網(wǎng)絡模型和混合模型川。由于場模擬可以得到比較詳細的物理量的時空分布，能精細地體現(xiàn)火災現(xiàn)象，加之高速、大容量計算機的發(fā)展，使得場模型得到了越來越廣泛的應用。專家模型專家模型又稱為經驗模型，主要用于描述火源空間的一些特征物理參數(shù)，如煙氣溫度、濃度、熱流密度等隨時間的變化，因此經常被稱為“本地模型”。相對于區(qū)域模型、網(wǎng)模型的簡化以及場模型對計算能力的要求，一些形式簡單、源于工程實踐的經驗模型由于其準確性高并對計算能力的要求較低，在許多典型工程環(huán)境下取得了廣泛的應用。典型的專家模型包括:計算煙羽流溫度的Aplert模型［；計算火焰長度的Hasemi模型；計算羽流質量流量的Zukoski羽流模型、Heskestad羽流模型、McCaffrey羽流模型；計算火焰平均高度的Thomas模型、Heskestad模型等。區(qū)域模型區(qū)域模型把所研究的受限空間劃分為不同的控制容積（即區(qū)域），并且假定各個控制容積內的參數(shù)（如溫度、壓力、密度等）是均勻的，在每個區(qū)域內分別運用質量、能量和動量守恒的原理，用數(shù)學分析方法來描述火災過程。區(qū)域模型主要用于研究較為封閉的空間中的火情的演變。美國在這方面的工作比較突出，開發(fā)出了多個數(shù)值模擬軟件，如：ASET,CFAST/FAST,C0MF2,FIRAC,FIRST,WPIFIRE等20余種。其他國家如，丹麥、新西蘭、日本、德國、法國、瑞典、澳大利亞、波蘭、加拿大、比利時、挪威等也都開發(fā)了相應的數(shù)值模擬軟件。CFAST/FAST模型是美國BFRL（建筑與火災研究實驗室）的火災研究分部研發(fā)的一種火焰生長和煙氣運動的綜合性模型。場模型場模擬的理論依據(jù)是自然界普遍成立的質量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學反應定律等，且建立了火災各主要分過程的理論模型，主要是受浮力影響的湍流模型、湍流燃燒模型和輻射換熱模型等，組成了一個封閉的基本方程組。然后將研究對象劃分為數(shù)以萬計的控制體，在控制體中通過數(shù)值求解這些方程組來獲取所求參數(shù)以了解火災的發(fā)展過程。英美兩國在場模型數(shù)值模擬方面進行了不少研究，開發(fā)了多種模擬軟件。如英國的CFX、JASMINE,PHOENICS,SMARTFIRE,SPLASH、STAR-CD,美國的ALOFT-FT、FDS、FLUENT、SOLVENT、DETACT-QS、DETACT-T2、JET、LAVENT、SPRINK、TDISXo澳大利亞、挪威、德國、葡萄牙、加拿大和日本也開發(fā)了場模型模擬軟件。網(wǎng)絡模型網(wǎng)絡模型把整個建筑物作為一個系統(tǒng)，而其中的每個房間為一個控制體（或稱網(wǎng)絡節(jié)點），各個網(wǎng)絡節(jié)點之間通過各種空氣流通路徑相連，利用質量、能量等守恒方程對整個建筑物內的空氣流動、壓力分布和煙氣傳播情況進行研究。典型的網(wǎng)絡模型輸人數(shù)據(jù)是氣象參數(shù)（空氣溫度、風速）、建筑特點（高度、滲透面積、開口條件）、送風量、火焰參數(shù)和室內空氣溫度。這種模型充分考慮不同建筑特點、室內外溫差引起的煙囪效應、風力、通風空調系統(tǒng)、電梯的活塞效應等因素對煙氣傳播造成的影響，可實現(xiàn)對建筑樓梯間加壓、前室加壓、區(qū)域排煙及幾種方式的不同組合使用的建筑防排煙系統(tǒng)進行詳細研究分析，對煙控系統(tǒng)效果及與人員疏散有關的火災安全分析。網(wǎng)絡模型主要用來計算離著火房間較遠處的煙氣流動、擴散，不涉及火災轟然時所產生的變化。美國、英國、加拿大、日本、荷蘭等國家對網(wǎng)絡模型的研究和開發(fā)起步較早,且己發(fā)展到較為成熟的階段，其中尤以美國標準技術局建筑火災研究實驗室為代表。典型的網(wǎng)格模型有兩種，分別是ASCOS模型和CONTAM模型。ASCOS模型用于分析由煙控系統(tǒng)引起的恒定空氣流動。CONTAM用于多區(qū)域空氣流動模擬研究網(wǎng)，C0NTAM96曾用于分析紐約世貿中心煙控系統(tǒng)的改造方案。其它火災模型包括探測器反應模型(DETECTRESPONSEMODEL