面向陶瓷隧道窯的燃燒過程交互虛擬仿真方法
2023-06-09 01:56:01 2
專利名稱：面向陶瓷隧道窯的燃燒過程交互虛擬仿真方法
技術領域：
本發明屬於建築材料工程技術與計算機可視化技術的交叉領域，具 體的講是綜合陶瓷隧道窯燃燒過程建模技術和計算機三維可視化仿真技 術，而4是供一種面向陶瓷隧道窯的燃燒過程交互虛擬仿真方法。
背景技術：
隧道窯是陶瓷生產最重要的熱工設備，其重要的研究內容之一就是 研究隧道窯的燃燒過程，目標是從而在排放限制、燃料經濟性標準等要 求下獲得最佳的隧道窯使用特性。而對於隧道窯燃燒過程的研究，無論 是實驗還是數值計算都將產生大量數據，這些數據中包含了龐大而複雜 的信息，僅採用依靠簡易計算工具與簡單仿真方法是具有很大局限性的。 可視化技術作為理解複雜現象和數據的有效手段，將數字由符號轉化為 幾何，變不可見為可見，使研究者能觀察到他們的研究工作，豐富了科 學發現的途徑，給予人們意想不到的啟示，在自然科學領域得到了廣泛 應用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有真實感強、交互性好、實用性強的 特點的面向陶資隧道窯的燃燒過程交互虛擬仿真方法。
為了實現上述目的，本發明所採用的方法是以陶瓷隧道窯燃燒建 模技術、可視化技術、虛擬現實技術和數值模擬技術等為核心，以VC++ 和0penGL圖形庫為實現工具，完成陶覺隧道窯燃燒過程的交互式虛擬仿 真，其具體步驟是
3第一步驟搭建實現環境採用乂0++構建系統平臺和相關界面，利 用0penGL圖形庫來實現陶瓷隧道窯燃燒過程的三維虛擬仿真；
第二步驟陶資隧道窯三維虛擬建模與顯示利用3DS MAX建立陶 瓷隧道窯窯體、燃燒系統、燒成產品的三維模型，並建立相關虛擬仿真 場景；
第三步驟基於粒子系統的陶瓷隧道窯燃燒可視化建模採用粒子 系統建模方法，並綜合火焰傳播模型、湍流流動模型及燃料屬性網格模 型三個子模型建立基於粒子系統的陶資隧道窯燃燒可視化模型，以體現 陶瓷隧道窯燃燒過程中的各種現象和特徵規律；
第四步驟陶乾隧道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫遊 觀察者根據自己的意願，察看窯爐內的全景或局部燃燒狀況，及各種設 備的工作狀態；
第五步驟陶瓷隧道窯燃燒過程的三維動態可視化建立溫度/濃度 /速度-顏色映射表，顯示陶瓷隧道窯燃燒過程中的溫度、生成物濃度、 速度等方面的分布和變化。
由於本發明在陶瓷隧道窯燃燒過程的研究中引入可視化技術，有助 於對其進行更加直觀、深入的分析。本發明真實感強、交互性好、實用 性強。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明，下面結合具體的實施方案進一步詳細說明 本發明。
本發明由實現環境的搭建、陶瓷隧道窯三維虛擬建模與顯示、基於 粒子系統的陶瓷隧道容燃燒可視化建模、陶瓷隧道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫遊、陶瓷隧道窯燃燒過程的三維動態可^L化四個主 要步驟所構成。
(1 )搭建方法的實現環境所有方法的實現都是在由VCi+和0penGL 圖形庫共同搭建的環境中完成的。採用VC++構建系統平臺和相關界面， 利用0penGL圖形庫來實現陶瓷隧道窯燃燒過程的三維虛擬仿真。
(2)陶瓷隧道窯虛擬建模與顯示
三維虛擬場景模擬是對陶瓷隧道窯結構、燃燒系統和燒成產品進行 三維模擬，通過三維模型可以非常清晰地看出陶瓷隧道窯的真實模樣，並 對模型中的各個零件進行幹涉檢查，看是否裝配成功。現代隧道窯有多種 形式，各種隧道窯基本都包括三個帶，即預熱帶、燒成帶、冷卻帶。預熱 帶主要完成製品預熱，主要結構是煙道裝置、測溫孔等，部分隧道要安排 氣幕裝置；燒成帶主要完成製品的煅燒，主要結構是燃燒裝置、測溫孔、 噴射氣道等；冷卻帶主要完成製品的冷卻，主要結構是抽熱風裝置、送冷 風裝置、測溫孔等；整個隧道窯還有外圍拉杆、軌道、沙封槽等附屬構 件等。
根據真實陶瓷隧道窯結構，零件間的相對比例、位置關係，利用3DS MAX重建出相應的虛擬三維對象實體，形成3DS文件。主要採用創建幾何 體建模和網格建模相結合的方法，並對結構較為複雜的燃燒裝置等通過 多邊形的擠出和倒角功能完成建模，使建模過程更加直觀簡便，模型的 顯示效果更加細M^。為了達到逼真的效果，在3DS MAX中賦材質使用貼圖 方式。在貼圖前，要把貼圖在Photoshop裡面處理，使得圖片在不影響看 圖的情況下儘量小。
由於用3DS MAX製作的動畫沒有交互性，無法實時控制。為解決此問題，本發明將3DS模型文件轉換成OpenGL的VC++代碼，運用OpenGL 中的顯示列表等功能將陶瓷隧道窯模型導入工程並顯示，再利用OpenGL 圖形庫中的坐標變換、場景渲染、圖形繪製、雙緩存等功能，在VC+十環 境中實現對陶瓷隧道窯模型的顯示與控制。
(3 )基於粒子系統的陶瓷隧道窯燃燒可視化建模
粒子系統方法作為矢量場可視化方法的一種，在對模擬火焰的研究 中常被採用。本發明採用粒子系統建模方法，並分析陶瓷隧道窯的燃燒 特性，來實現陶瓷隧道客燃燒可視化建模。
定義陶資隧道窯燃燒火焰粒子數據結構為實數域上的一個n維矢量， 如式(1)所示
Rn = (Pos， Spe， Aspe, Col， Lif, Alp} (1)
其中，Rn表示某一火焰粒子矢量，Pos，Spe，Aspe，Col，Lif，Alp分別 為粒子的空間位置、運動速度、加速度、顏色、壽命、淡化速度。火焰 粒子集定義為上述火焰粒子的有限集合，其中每一個粒子都具有上述的 這些屬質和狀態，所有這些屬性都是時間t的函數。
基於粒子系統的陶瓷隧道窯燃燒可視化建模，綜合了火焰傳播可視 化模型、流場可視化模型及燃料屬性可視化模型三個子模型的建立與實 現過程。
陶資隧道窯燃燒的火焰粒子以燒嘴處著火點作為發生源，多個火焰 粒子從發生源噴發出來，形成球面火焰向前傳播，其傳播速度可通過湍 流燃燒模型計算得到，火焰粒子具有沿球面半徑方向運動的平均速度； 在運動過程中，火焰粒子的生命值在不斷變化，同時引發亮度與透明度 等屬性的變化，並對燃燒室壁進行碰撞檢測；燒嘴處燃油噴霧現象可認為是由液霧質點構成的，霧束具有一定幾何形狀和運動特徵，同樣可以 採用粒子系統方法以表達。
在燃燒過程中存在氣流運動現象，流場可視化模型是在分析燃燒湍 流氣流特徵的基礎上模擬並構造流場。湍流運動的主要特徵是流體中渦 的運動，將湍流流場簡化為湍流渦場，採用生成隨^L湍流渦場的方法對
流場建模；在生成湍流渦場之後，流場中渦運動對火焰粒子附加脈動作 用(即脈動速度)，氣流現象通過對構成火焰傳播的粒子系統的運動改變 體現；渦力這種作用是瞬時的，粒子每運動一步，受到的渦作用大小不 相同，必須重新計算其受到的脈動速度。
火焰粒子系統構成的火焰面在傳播擴展過程中，將引起燃料屬性狀 態的變化，燃料由未燃氣轉變為燃燒產物，同時其攜帶的溫度與濃度分 布信息也發生改變。燃料的分布採用網格單元模型，即將燃燒空間離散 為一系列的體網格單元，在每個網格單元裡具有一定質量的燃料，且具 有溫度、濃度、速度、顏色與透明度等屬性；判斷火焰粒子到達的網格 單元，並計算網格內的燃料溫度、濃度與速度的改變值，通過網格體單 元的顏色與透明度的顯示屬性將溫度、濃度與速度信息表達出來。 (4 )陶資隧道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫遊 顯示陶瓷隧道窯燃燒空間的三維全景圖和局部圖，並根據視點要求 實時驅動虛擬場景動態變化，實現在其中的漫遊，是本發明的又一實施重 點。
在預處理階段進行可見性判斷，通過不顯示場景中不可見的物體來 提高顯示速度。可採用劃分區域進行遮擋判斷，即先存儲一個遮擋關 系表，在仿真循環過程中通過實時查詢遮擋關係表進行遮擋關係的判斷。在實施交互式三維漫遊時，觀察者可以通過滑鼠或鍵盤來控制視點的位 置、方向和參考點。當視點的位置、方向和參考點發生改變時，場景中 的物體相對於觀察者的方位也發生了改變，從而產生了 "動感"。 除了利用鍵盤和滑鼠實現陶瓷隧道窯燃燒空間的交互式漫遊控制，還設 計了場景的自動播放功能。通過自動播放功能，初級用戶可以方便快捷 地對陶瓷隧道窯的各個部分及燒成設備有個概要的了解。
(5)陶瓷隧道窯燃燒過程的三維動態可視化
為方便在火焰傳播過程中溫度、濃度和速度矢量的表達，需要建立 溫度-顏色映射表、濃度-顏色映射表和速度-顏色映射表。為減少實時計 算的複雜性，建立自己的調色板，把需要用到的顏色全部放到調色板中， 並建立相應的溫度、濃度和速度索引值，可以提高系統運算效率。調色 板中的每種顏色包含RGB值和一個對應的溫度索引值，用集合形式表示， 並假設溫度/濃度/速度與顏色是一一對應的集合，依據某種函數關係， 任意溫度值都可以影射到調色板上的相應顏色值，從而在粒子運動時， 溫度/濃度/速度的變化可以隨時體現在顏色的變化上，以更直觀的形式 表達出來。
本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現 有技術。
權利要求
1、一種面向陶瓷隧道窯的燃燒過程交互虛擬仿真方法，所採用的方法是以陶瓷隧道窯燃燒建模技術、可視化技術、虛擬實境技術和數值模擬技術等為核心，以VC++和OpenGL圖形庫為實現工具，完成陶瓷隧道窯燃燒過程的交互式虛擬仿真，其具體步驟是第一步驟搭建實現環境採用VC++構建系統平臺和相關界面，利用OpenGL圖形庫來實現陶瓷隧道窯燃燒過程的三維虛擬仿真；第二步驟陶瓷隧道窯三維虛擬建模與顯示利用3DS MAX建立陶瓷隧道窯窯體、燃燒系統、燒成產品的三維模型，並建立相關虛擬仿真場景；第三步驟基於粒子系統的陶瓷隧道窯燃燒可視化建模採用粒子系統建模方法，並綜合火焰傳播模型、湍流流動模型及燃料屬性網格模型三個子模型建立基於粒子系統的陶瓷隧道窯燃燒可視化模型，以體現陶瓷隧道窯燃燒過程中的各種現象和特徵規律；第四步驟陶瓷隧道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫遊觀察者根據自己的意願，察看窯爐內的全景或局部燃燒狀況，及各種設備的工作狀態；第五步驟陶瓷隧道窯燃燒過程的三維動態可視化建立溫度/濃度/速度-顏色映射表，顯示陶瓷隧道窯燃燒過程中的溫度、生成物濃度、速度等方面的分布和變化。
全文摘要
本發明涉及一種面向陶瓷隧道窯的燃燒過程交互虛擬仿真方法，所採用的方法是以陶瓷隧道窯燃燒建模技術、可視化技術、虛擬實境技術和數值模擬技術等為核心，以VC++和OpenGL圖形庫為實現工具，完成陶瓷隧道窯燃燒過程的交互式虛擬仿真，其具體步驟是第一步驟搭建實現環境；第二步驟陶瓷隧道窯三維虛擬建模與顯示；第三步驟基於粒子系統的陶瓷隧道窯燃燒可視化建模；第四步驟陶瓷隧道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫遊；第五步驟陶瓷隧道窯燃燒過程的三維動態可視化。由於本發明在陶瓷隧道窯燃燒過程的研究中引入可視化技術，有助於對其進行更加直觀、深入的分析。本發明真實感強、交互性好、實用性強。
文檔編號G06T17/40GK101477709SQ200910060639
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月23日 優先權日2009年1月23日
發明者常排排, 真 李, 石偉霞, 程金樹, 聶應松, 饒文碧, 魏志華, 河 黃 申請人:武漢理工大學