快速逼真地进行烟雾模拟在计算机图形学与虚拟现实等领域一直是研究的重要课题,随着流体力学和计算机技术的发展,基于物理模型的方法成为烟雾模拟的主流方法,应用也十分广泛。在煤矿巷道火灾场景仿真过程中,逼真的烟雾蔓延模拟是重要的组成部分,影响着火灾场景的实现效果。基于此,本文选择基于物理模型的方法对煤矿火灾烟雾进行仿真研究,在模拟过程中对烟雾真实感和实时性进行权衡从而获得满足实际需要的烟雾运动仿真。本文首先对物理模型下的烟雾模拟背景知识进行介绍,随后提出改进的烟雾物理模型。针对烟雾等气体类流体在计算过程中不可避免的存在着数值耗散的情况,使用不可压缩非粘性欧拉(Euler)方程对烟雾进行建模;在仿真区域离散阶段,针对逆向追溯速度场的过程中烟雾粒子落在仿真区域之外的情况,本文提出使用OpenVDB分层数据结构构造坐标访问不受限制的索引空间,避免了其他数据结构方法中对于区域之外的粒子直接通过推断赋值所带来的误差;欧拉方程的空间离散化步骤中,为了更有效地使用中心差分形式,避免差分过程中出现的零空间问题并且达到二阶差分精度,本文提出使用半网格点采样代替整网格点采样的欧拉方程空间离散化方式,并与整网格点方法进行了对比说明。对于欧拉方程的数值解算过程,在对常用数值解算方法进行对比分析的基础上选择有限差分法离散欧拉方程。外力项求解步骤中,添加热浮力、漩涡约束力来增强烟雾细节信息;OpenVDB是一种稀疏动态分层数据结构,可以对三维体数据进行高效地处理操作,以紧凑方式存储三维立体像素网格从而减少内存占用并且支持烟雾模拟过程中收敛速度更快的迭代算法,基于此,在压力项的求解过程中使用预处理共轭梯度(preconditioned conjugate gradient,PCG)算法,与使用共轭梯度(conjugate gradient,CG)算法进行比较分析,每一时间步长内的迭代次数得到大幅度的降低,提高仿真效率的同时并降低迭代误差的累积。数值结果渲染绘制阶段,采用OpenGL实现光线投射算法对烟雾密度场进行渲染绘制,在该系统下模拟速度达到32.8帧每秒左右,能够满足烟雾实时性要求;依据真实巷道图纸进行巷道建模,在巷道场景中初步实现烟雾与障碍物、风向的交互作用。