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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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基于OpenGL的翅片管式換熱器可視化仿真方法

點擊:1621 日期:[ 2014-04-26 22:00:28 ]
                               基于OpenGL的翅片管式換熱器可視化仿真方法                                       龍慧芳 丁國良 董洪州 吳志剛                          (上海交通大學制冷與低溫工程研究所,上海200030)     摘要:采用OpenGL的可視化技術和計算機編程技術,對制冷、化工領域中常用的翅片管式換熱器進行可視化仿真,詳細地介紹了采用三維圖形來顯示翅片管式換熱器結構的方法,以及用顏色漸變圖來顯示仿真結果的方法。采用這種方法開發的翅片管換熱器仿真系統具有友好的用戶交互性和良好用戶操作性,給翅片管式換熱器的仿真和設計提供了一個友好的和形象的開發平臺,可以有效地縮短換熱器的設計周期,提高換熱器設計質量。該文所提出的可視化仿真方法,對制冷和化工領域中應用的其他熱交換設備的仿真具有應用價值。     關鍵詞:翅片管式換熱器  可視化  仿真;三維圖形     中圖分類號:TP391. 9;TB657. 5 文獻標識碼:A     1 引言     翅片管式換熱器具有高效傳熱、結構緊湊等特點,因此被廣泛地應用于制冷、化工等領域。傳統的設計方法是對樣機進行反復測試和修改,這樣使得開發周期過長、開發費用投入巨大。采用計算機仿真方法[1-2]為換熱器的高效設計提 供了必要的手段。我們前期開發并在日本富士通將軍公司應用的翅片管式換熱器的仿真軟件,側重于軟件計算功能和計算速度,參數的輸入輸是通過讀寫文本文件[3, 4]。這樣造成數據繁雜,極易出錯,而且不便于用戶掌握和操作,因此需要開發直觀的、易操作的可視化仿真系統。     OpenGL是開放圖形程序庫(Open Graphics Library)的 縮寫,是SGI公司開發的一套高性能的圖形處理系統[5]。它 是一個和硬件無關的編程接口,由幾百個指令或函數組成, 是一個三維圖形庫和模型庫。它能與面向對象集成開發環境 VisualC++結合開發出具有優秀性能的三維真實感的圖形。     本文采用OpenGL技術,結合翅片管式換熱器實際結構, 對翅片管式換熱器進行可視化仿真,闡述了將其可視化的方法,并采用這種方法開發了換熱器的可視化仿真軟件,該軟件具有良好的用戶交互性和界面友好性,縮短了產品的開發周期,滿足了企業實際設計的需求。     2 研究對象     2. 1 研究對象的描述     本文的研究對象是翅片管式換熱器,如圖1所示,它由換熱塊(換熱器的前后擋板)、換熱管、連接管和翅片組成的。 而為了進一步研究換熱器局部的換熱特性,需要對換熱管進行進一步的微元化,即將換熱管等分的化為若干個控制容積,控制容積又分為空氣側和制冷劑側。     翅片管式換熱器的可視化仿真需要通過編寫計算機語言,將換熱器的各個部分以圖形的形式反映在屏幕中,因此需要先對換熱器的各個部分進行模塊化處理,抽象成計算機能夠操作的模塊。                                     2. 2 研究對象的結構的模塊化處理     本文的開發環境是面向對象集成開發環境Visual C ++,因此采用面向對象的方法,將翅片管式換熱器這個研究對象歸納、抽象成計算機能夠操作的類,利用類的結構來描述換熱器的屬性和功能,如圖2所示。整個翅片管式換熱器可抽象為換熱器類,由換熱塊類、換熱管類、連接管類和翅片類組成;而換熱管可以劃分為若干控制容積,對應控制容積類;而每個控制容積又可分為空氣側參數和制冷劑側參數, 分別對應空氣類和制冷劑類。在這些類的模塊中保存的是翅片管式換熱器的各個部分的結構參數和位置參數。                     3 可視化仿真的實現方法     3.1 換熱器可視化仿真系統中坐標系的定義     OpenGL是一個獨立于窗口系統和操作系統的、開放的三維圖形軟件包,包含了100多個庫函數,能設置光照、材質, 能夠直接構造三維多面體的形狀以及對三維多面體的投影參數進行設置。但在使用OpenGL開發模塊時,只有提供了三維多面體在實際三維空間中的坐標參數,才能畫出帶光照的、有表面材質的三維多面體。     而為了確定翅片管式換熱器的各個部分在三維空間中的坐標位置,就需要先定義翅片管式換熱器仿真系統的坐標系。本文將全局坐標的中心定義在屏幕的中心,局部坐標的中心定義在每個換熱塊的底面中心。     3. 2 換熱器各部分的可視化     確定了翅片管式換熱器可視化仿真系統的坐標系,再根據圖2所示的各個類中保存的結構參數和位置參數,就可以確定換熱器模型中各個部分的圖形在屏幕中的位置。采用 OpenGL圖形庫技術中提供的繪制基本圖元的語句,就可以繪制出整個換熱器模型的結構,實現換熱器各部件的可視化顯示。在屏幕上需要顯示的是換熱器模型中的可見部件,包括入口配管、出口配管,風向箭頭,換熱塊、換熱管以及連接管。     三維實體圖更容易顯示翅片管式換熱器中換熱管的空間位置和連接關系,因此本文以介紹三維實體圖為主。本文開發的翅片管式換熱器可視化仿真系統的三維圖形的顯示效果如圖3所示。                        3. 2. 1 入口配管和出口配管的可視化     入口配管和出口配管是虛擬的,用來表示制冷劑的入口處和出口處。由于這種特殊性,采用兩個數組來專門記錄入口配管和出口配管的位置,從而可以直接得到它們的全局坐標。     然后采用OpenGL實用庫中的繪制圓柱體的函數gluCylinder()來繪制入口配管和出口配管。     3. 2. 2 換熱塊的可視化     換熱塊位置可由三個表示全局坐標的變量m_dPosition X、m_dPositionY、m_dPositionZ來確定。     換熱塊的外觀是用線條框架來表示的。采用長方體框架 來表示換熱塊,繪制函數采用輔助庫函數auxW ireBox(),語句是:     auxW ireBox(block -> m_dLength[0], block -> m_dDepth, block->m_dHeight);     該語句中的參數列表中, block是指向換熱塊類CBloc 的一個對象指針,換熱塊類中的m_dLength[0], m_dDepth, m_dHeight分別表示換熱塊的長度,厚度和高度。     3. 2. 3 風向箭頭的可視化     風向箭頭的位置由其相對于所在換熱塊的相對坐標來確定的。     風向箭頭是由相連的線段勾畫出來的。線段的繪制是 OpenGL圖形庫中一個基本的圖元,因此設定圖元類型為GL_LINES,再根據風向箭頭相對于所在的換熱塊的相對坐標,可以給定各段線段的端點的坐標,從而繪制出整個風向箭頭。     3. 2. 4 換熱管的可視化     對一個給定的換熱器來說,其換熱管的位置可由其相對于換熱塊的相對坐標來確定。因為局部坐標的中心定義在換熱塊底部的中心位置,通過累加排間距可以得到換熱管的中 心與換熱塊左側面的距離,通過累加列間距可以得到換熱管 中心與換熱塊底面的距離,從而確定了換熱管中心的相對坐標。     在換熱塊中,用長圓柱體表示換熱管,采用繪制圓柱體的函數gluCylinder()來繪制。     3. 2. 5 連接管的可視化     根據連接管兩端位置所在位置的不同,可以將連接管分為四種類型。連接管的類型不同,其位置的確定方法和相應 的繪制方法也不同。     A類型:連接管的兩端在同一個換熱塊的同一側。按照上面計算換熱管位置的方法,可以計算出連接管的兩端相對 于所在換熱塊的局部坐標。這種類型的連接管是一個半圓形 的圓環。但在OpenGL中只有繪制完整圓環面的函數,沒有提供部分圓環面的函數,因此需要另外的編寫繪制部分圓環面的函數DrawPartTorus()。考慮到部分圓環面時有眾多細小的三角形拼接而成的,可以通過計算每個三角形的法向量, 在將這些細小的三角形拼接起來進行繪制部分圓環面。     B類型:連接管的兩端在不同的換熱塊上。按照上面計算換熱管位置的方法,可以計算出連接管的兩端相對于所在換熱塊的局部坐標,再分別換算為全局坐標,從而得到連接管兩端的全局坐標。然后采用繪制圓柱體的函數gluCylinder()來繪制。     C類型:連接管從入口配管連接到某個換熱管。連接管的起始位置由入口配管的位置的全局坐標得到,終點位置由其指向的換熱管相對所在的換熱塊的局部坐標得到。然后采用繪制圓柱體的函數gluCylinder()來繪制。     D類型:連接管從某個連接管連接到出口配管。連接管的起始位置由其起點所在的換熱管相對于所在的換熱塊的局部坐標得到,然后換算為全局坐標,連接管的終點位置由出口配管的位置得到。然后采用繪制圓柱體的函數 gluCylinder()來繪制。     4 仿真結果的可視化實現方法     換熱器的仿真計算[3, 4]完成后,仿真系統會輸出該換熱器的總體換熱性能參數,如換熱量、壓降、制冷劑充注量等以及每根換熱管的每個控制容積的空氣側出口狀態參數和制冷劑側的出口狀態參數。為了直觀的顯示這些結果,便于用戶的分析和對比,需要這些結果用表格、曲線的及顏色漸變圖來的形式(如圖4所示)顯示出來。表格、曲線的表示可以用VisualC++中的一些表格控件來實現,本文不做贅述僅對顏色漸變圖的實現方法做簡要介紹。                     4. 1 顏色漸變圖的實現原理     在屏幕上,一端控制容積是由簡單的短圓柱體表示的圓柱體表面是由長條的四邊形近似圍成的。圓柱體表面上每一點的顏色由圓柱體兩端的顏色通過線性插值得到。 OpenGL圖形庫提供了自動計算顏色插值的功能,因此只需給出圓柱體兩端的顏色即可。這兩個顏色是由所在的控制容積的狀態參數制確定的。     默認狀態參數的最大值對應紅色RGB(1, 0, 0),最小值對應藍色RGB(0, 0, 1),中間值對應綠色RGB(0, 1, 0)。以繪 制反映制冷劑溫度隨制冷劑流路變化的漸變圖為例,在繪制之前,先計算出整個換熱模型中制冷劑溫度的最大值和最小 值,進而得到制冷劑溫度的中間值。根據制冷劑溫度的這三個值和它們對應的顏色值,可以得到溫度與顏色之間對應得線性函數,如圖5所示。將控制容積的入口制冷劑的溫度和出口制冷劑的溫度帶入到這個函數則可得到該控制容積入 口和出口的顏色值。OpenGL可以對這兩點顏色值進行自動的線性插值,從而可以繪制出該控制容積對應的制冷劑溫度的顏色漸變圖,按著圖6逐個繪制每根換熱管的每個控制容積,從而可以得到制冷劑溫度隨流程變化的顏色漸變圖。其他參數的顏色漸變圖通過這樣的方法也可以繪制出來。                       4. 2 顏色漸變圖的實現步驟     顏色漸變圖的實現步驟如圖6所示。先繪制每個控制容積,然后將所有的控制容積連接起來,加上連接管,就可以完全繪制出整個制冷劑流路的顏色漸變圖。                                                            圖 6 顏色漸變圖的實現步驟     4. 3 通過顏色漸變圖分析仿真結果     在每個控制容積中,狀態參數的變化通常比較小,因此在單個控制容積中不易分辨出顏色的變化,但將所有換熱管都采用顏色漸變圖的形式繪制出來后,可以清晰地看到顏色的變化情況。以圖4中的所示的作冷凝器用的換熱器為例, 可以清晰地看到顏色從紅色過渡到黃色,再漸變為綠色,最終變為藍色的過程,對比圖4右下角的顏色和制冷劑溫度的對應關系,可以得到,在冷凝器中,制冷劑溫度隨著制冷劑的 流動方向,溫度不斷降低,與實際的情況符合,形象地反映了制冷劑的冷凝過程。     這種用顏色漸變圖來顯示仿真結果的方式可以直觀的反映制冷劑的狀態參數在制冷劑流路中不同位置的值和沿制冷劑流路變化的快慢情況,能讓用戶直觀地觀測到產生制冷劑狀態參數產生突變的位置,從而調整和完善換熱器結構的設計。     5 結論     本文采用OpenGL技術,結合翅片管換熱器的實際結構,闡述了將翅片管換熱器可視化的方法和用顏色漸變圖來顯示仿真結果的方法,該方法現已成功地應用于與日本富士通將軍公司合作開發換熱器仿真軟件中。實踐證明,應用該方法開發的換熱器仿真軟件的界面友好,交互性強,用戶操作方便,易于掌握和使用,將產品設計開發周期縮短到原來的 1/10以內。 參考文獻: [1]丁國良,張春路.制冷空調裝置仿真與優化[M].北京:科學 出版社, 2001. [2]丁國良,張春路.制冷空調裝置智能仿真[M].北京:科學出 版社, 2002. [3]Liu Jian, et a.l A general steady state mathematicalmodel  for fin-and-tube heat exchanger based on graph theory[J].  International Journal of Refrigeration, 2004, 27 (8): 965 - 973. [4]DingGouLiang, eta.l An implicit curve-fittingmethod for fast  calculation of thermal properties of pure and mixed refrigerants[J].  International Journal of Refrigeration, 2005, 28 ( in press). [5]S Richard, JWright著,瀟湘工作室譯. OpenGL超級寶典 [M].北京:人民郵電出版社, 2001 -6. 
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