船舶火灾会导致重大人员伤亡事故和巨大财产损失。提升船舶火灾事故应急处置能力,加强船员的消防安全技能培训至关重要。因此很有必要将虚拟现实技术应用到船舶消防领域,开发一套船舶消防模拟训练系统,提高船员培训效率。由于视觉可为人们提供70%以上的有用信息,所以虚拟场景的视觉真实感成为了评价船舶消防模拟训练系统好坏的关键。发生火灾时烟雾占据了消防员的大部分视野,模拟的烟雾是否逼真,很大程度上影响着模拟系统的视觉真实感。本文对基于物理模型的烟雾模拟方法进行了深入的研究,主要工作可概括为以下几点:1.采用涡量方程对烟雾运动进行物理建模,提出一种适用于实时烟雾模拟的拉格朗日涡方法动力学框架。框架采用涡线段云离散涡量场,可模拟具有强各向异性旋涡特征的烟雾现象。设计了一组局部线段重采样操作,包括:分裂、合并、删除,可有效处理涡结构的几何更新和拓扑变化。基于嵌套网格对涡元进行分组,采用粒子合并机制将同组内的涡元融合为一个“超级”涡元,降低Biot-Savart公式的遍历次数,进而提高速度场计算效率。2.采用不可压缩薛定谔方程对烟雾进行物理建模,提出一种双分量初始波函数的构造方法。波函数由两个复多项式构成,一个决定涡环的几何形状,另一个对涡环的螺旋度进行编码,该方法可以构造出任意几何形状和拓扑结构的涡管。构建6个复杂扭结形状的涡管,对其演化过程中螺旋度之间的转化进行了详细的分析。该方法为深入了解烟雾的动态演化机理提供了一个更为自然的环境。3.为解决火灾场景中流固边界处理难度大的问题,基于涡方法动力学框架提出一种改进的新生涡方法。该方法通过将新生涡元布置在固体边界上以满足流体的无滑移和无穿透边界条件。设计了两种新生涡元的涡量分布计算方法:反向Biot-Savart算法与最小二乘算法。反向Biot-Savart算法不需要求解线性方程组,通过对Biot-Savart公式做逆运算得到新生涡元的涡量强度,计算量很小,适合处理大范围固体边界;最小二乘算法考虑了新生涡元之间的相互影响,计算量较大,但计算精度更高,适合处理小范围固体边界。4.开发了一种具备多感官人机交互功能的船舶消防模拟训练系统,并将涡方法动力学框架部署到系统中。以一艘满载为1.8万箱集装箱的集装箱船舶作为母型船,使用三维建模技术建立高保真度整船三维模型;设计了多种外部设备交互模式,实现了多个典型船舶消防设备的全流程操作仿真,支持设备交互和多人协作训练功能。本文提出的涡方法动力学框架具有很强的应用性,建模过程统一且实现简单,可以很快部署到新的硬件上,对于提升实时系统中火灾场景的视觉真实感具有重要意义。开发的船舶消防模拟训练系统具有良好的行为真实感和场景沉浸感,可应用于船舶消防训练。