基于OPENGL 的翅片管式换热器可视化仿真方法

基于OPENGL 的翅片管式换热器可视化仿真方法 基于OpenGL的翅片管式换热器可视化 仿真方法 龙慧芳,丁国良,董洪州,吴志刚 (上海交通大学制冷与低温研究所，上海200030) 摘要:采用OpenGL的可视化技术和计算机编程技术，对制冷、化工领域中常用的翅片管式 换热器进行可视化仿真，详细地介绍了采用三维图形来显示翅片管式换热器结构的方法，以 及用颜色渐变图来显示仿真结果的方法。采用这种方法开发的翅片管换热器仿真系统具有友 好的用户交互性和良好用户操作性，给翅片管式换热器的仿真和提供了一个友好的和形 象的开发平台，可以有效地缩短换热器的设计周期，提高换热器设计质量。该文所提出的可 视化仿真方法，对制冷和化工领域中应用的其他热交换设备的仿真具有应用价值。 关键词:翅片管式换热器;可视化;仿真;三维图形 Visualized Simulation of Fin - and - Tube Heat Exchanger Based on OpenGL LONG Hui - fang,DING Guo - liang,DONG Hong - zhou,WU Zhi - gang ( Insititute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 20030, China) ABSTRACT:A visualized simulation system of fin - and - tube heat exchanger used in the field of chemical engineering and air conditioning system is established by using OpenGL technique and computer programming technique. A method for showing the structure of the heat exchanger with three - dimensional figure in the screen is discussed. And a method for showing the simulation results with the figure whose color changes gradually is also discussed. Because of the great interactive characteristic and facility of the simulation system which uses the two above mentioned visualization methods, it provides a friendly and visual platform for the simulation and the design of the fin - and - tube heat exchanger, and can effectively shorten the product design period, and improve the quality of heat exchanger. These proposed methods are useful in the simulation for other heat exchangers used in the field of chemical engineering and air conditioning system. KEYWORDS:Fin - and - tube heat exchanger; Visualization; Simulation; Three - dimensional figure 1 引言 翅片管式换热器具有高效传热、结构紧凑等特点，因此被广泛地应用丁制冷、 化工等领域。传统的设计方法是对样机进行反复测试和修改，这样使得开发周期 [1-2]过长、开发费用投入巨大。采用计算机仿真方法为换热器的高效设计提供了 必要的手段。我们前期开发并在日本富士通将军公司应用的翅片管式换热器的仿 真软件，侧重于软件计算功能和计算速度，参数的输入输是通过读写文本文件 [3,4]。这样造成数据繁杂，极易出错，而且不便于用户掌握和操作，因此需要 开发直观的、易操作的可视化仿真系统。 OpenGL是开放图形程序库(Open Graphics Library)的缩写，是SGI公司开发 [5]的一套高性能的图形处理系统。它是一个和硬件无关的编程接口，由几百个指 令或函数组成，是一个三维图形库和模型库。它能与面向对象集成开发环境Visual C++结合开发出具有优秀性能的三维真实感的图形。 本文采用OpenGL技术，结合翅片管式换热器实际结构，对翅片管式换热器进行可视化仿真，阐述了将其可视化的方法，并采用这种方法开发了换热器的可视化仿真软件，该软件具有良好的用户交互性和界面友好性，缩短了产品的开发 周期，满足了企业实际设计的需求。 2 研究对象 2.1 研究对象的描述 本文的研究对象是翅片管式换热器，如图1所示，它由换热块(换热器的前后挡板)、换热管、连接管和翅片组成的。而为了进一步研究换热器局部的换热特性，需要对换热管进行进一步的微元化，即将换热管等分的化为若干个控制容积，控制容积又分为空气侧和制冷剂侧。 翅片管式换热器的可视化仿真需要通过编写计算机语言，将换热器的各个部分以图形的形式反映在屏幕中，因此需要先对换热器的各个部分进行模块化处理，抽象成计算机能够操作的模块。 图1 翅片管式换热器的结构图 2.2 研究对象的结构的模块化处理 本文的开发环境是面向对象集成开发环境Visual C++，因此采用面向对象的方法，将翅片管式换热器这个研究对象归纳、抽象成计算机能够操作的类，利用类的结构来描述换热器的属性和功能，如图2所示。整个翅片管式换热器可抽象为换热器类，由换热块类、换热管类、连接管类和翅片类组成;而换热管可以划分为若干控制容积，对应控制容积类;而每个控制容积又可分为空气侧参数和制冷剂侧参数，分别对应空气类和制冷剂类。在这些类的模块中保存的是翅片管式换热器的各个部分的结构参数和位置参数。 图2 换热器仿真模型中定义的类的框架图 3 可视化仿真的实现方法 3.1 换热器可视化仿真系统中坐标系的定义 OpenGL是一个独立于窗口系统和操作系统的、开放的三维图形软件包，包含了100多个库函数，能设置光照、材质，能够直接构造三维多面体的形状以及对三维多面体的投影参数进行设置。但在使用OpenGL开发模块时，只有提供了三维多面体在实际三维空间中的坐标参数，才能画出带光照的、有面材质的三维多面体。 而为了确定翅片管式换热器的各个部分在三维空间中的坐标位置，就需要先定义翅片管式换热器仿真系统的坐标系。本文将全局坐标的中心定义在屏幕的中心，局部坐标的中心定义在每个换热块的底面中心。 3.2 换热器各部分的可视化 确定了翅片管式换热器可视化仿真系统的坐标系，再根据图2所示的各个类中保存的结构参数和位置参数，就可以确定换热器模型中各个部分的图形在屏幕中的位置。采用OpenGL图形库技术中提供的绘制基本图元的语句，就可以绘制出整个换热器模型的结构，实现换热器各部件的可视化显示。在屏幕上需要显示的是换热器模型中的可见部件，包括入口配管、出口配管，风向箭头，换热块、换热管以及连接管。 三维实体图更容易显示翅片管式换热器中换热管的空间位置和连接关系，因此本文以介绍三维实体图为主。本文开发的翅片管式换热器可视化仿真系统的三 维图形的显示效果如图3所示。 图3 换热器可视化仿真系统的三维图形的显示效果 3.2.1 入口配管和出口配管的可视化 入口配管和出口配管是虚拟的，用来表示制冷剂的入口处和出口处。由于这种特殊性，采用两个数组来专门记录入口配管和出口配管的位置，从而可以直接得到它们的全局坐标。 然后采用OpenGL实用库中的绘制圆柱体的函数gluCylinder( )来绘制入口配管和出口配管。 3.2.2 换热块的可视化 换热块位置可由三个表示全局坐标的变量m_dPosition X、m_dPosition Y、m_dPositionZ来确定。换热块的外观是用线条框架来表示的。采用长方体框架 来表示换热块，绘制函数采用辅助库函数auxWireBox( )，语句是: auxWireBox(block-> m_dLength[0],block ->m_dDepth,block -> m_dHeight); 该语句中的参数列表中，block是指向换热块类CBlock的一个对象指针，换热块类中的m_dLength[O]，m_dDepth，m_dHeight分别表示换热块的长度，厚度和高度。 3.2.3 风向箭头的可视化 风向箭头的位置由其相对丁所在换热块的相对坐标来确定的。 风向箭头是由相连的线段勾画出来的。线段的绘制是OpenGL图形库中一个基本的图元，因此设定图元类型为GL_LINES，再根据风向箭头相对于所在的换热块的相对坐标，可以给定各段线段的端点的坐标，从而绘制出整个风向箭头。 3.2.4 换热管的可视化 对一个给定的换热器来说，其换热管的位置可由其相对于换热块的相对坐标 来确定。因为局部坐标的中心定义在换热块底部的中心位置，通过累加排间距可以得到换热管的中心与换热块左侧面的距离，通过累加列间距可以得到换热管 中心与换热块底面的距离，从而确定了换热管中心的相对坐标。 在换热块中，用长圆柱体表示换热管，采用绘制圆柱体的函数gluCylinder( ) 来绘制。 3.2.5 连接管的可视化 根据连接管两端位置所在位置的不同，可以将连接管分为四种类型。连接管的类型不同，其位置的确定方法和相应的绘制方法也不同。 A类型:连接管的两端在同一个换热块的同一侧。按照上面计算换热管位置的方法，可以计算出连接管的两端相对于所在换热块的局部坐标。这种类型的连接管是一个半圆形的圆环。但在OpenGL中只有绘制完整圆环面的函数，没有提 供部分圆环面的函数，因此需要另外的编写绘制部分圆环面的函数DrawPartTorus( )。考虑到部分圆环面时有众多细小的三角形拼接而成的，可以通过计算每个三角形的法向量，在将这些细小的三角形拼接起来进行绘制部分圆环面。 B类型:连接管的两端在不同的换热块上。按照上面计算换热管位置的方法，可以计算出连接管的两端相对于所在换热块的局部坐标，再分别换算为全局坐标，从而得到连接管两端的全局坐标。然后采用绘制圆柱体的函数gluCylinder( ) 来绘制。 C类型:连接管从入口配管连接到某个换热管。连接管的起始位置由入口配管的位置的全局坐标得到，终点位置由其指向的换热管相对所在的换热块的局部坐标得到。然后采用绘制圆柱体的函数gluCylinder( )来绘制。 D类型:连接管从某个连接管连接到出口配管。连接管的起始位置由其起点所在的换热管相对于所在的换热块的局部坐标得到，然后换算为全局坐标，连接管的终点位置由出口配管的位置得到。然后采用绘制圆柱体的函数gluCylinder( ) 来绘制。 4 仿真结果的可视化实现方法 [3,4] 换热器的仿真计算完成后，仿真系统会输出该换热器的总体换热性能参 数，如换热量、压降、制冷剂充注量等，以及每根换热管的每个控制容积的空气侧出口状态参数和制冷剂侧的出口状态参数。为了直观的显示这些结果，便于 用户的和对比，需要这些结果用、曲线的及颜色渐变图来的形式(如图4所示)显示出来。表格、曲线的表示可以用Visual C++中的一些表格控件来实现，本文不做赘述，仅对颜色渐变图的实现方法做简要介绍。 图4 制冷剂工质的状态参数(温度)沿流动路径的变化 4.1 颜色渐变图的实现原理 在屏幕上，一端控制容积是由简单的短圆柱体表示的，圆柱体表面是由长条的四边形近似围成的。圆柱体表面上每一点的颜色由圆柱体两端的颜色通过线性插值得到。OpenGL 图形库提供了自动计算颜色插值的功能，因此只需给出圆柱体两端的颜色即可。这两个颜色是由所在的控制容积的状态参数制确定的。 默认状态参数的最大值对应红色RGB(1，0，0)，最小值对应蓝色RGB(0，0，1)，中间值对应绿色RGB(0，1，0)。以绘制反映制冷剂温度随制冷剂流路变化的渐变图为例，在绘制之前，先计算出整个换热模型中制冷剂温度的最大值和最小值，进而得到制冷剂温度的中间值。根据制冷剂温度的这三个值和它们对应的颜色值，可以得到温度与颜色之间对应得线性函数，如图5所示。将控制容积的入口制冷剂的温度和出口制冷剂的温度带入到这个函数则可得到该控制容积入口和出口的颜色值。OpenGL可以对这两点颜色值进行自动的线性插值，从而可以绘制出该控制容积对应的制冷剂温度的颜色渐变图，按着图6逐个绘制每根换热管的每个控制容积，从而可以得到制冷剂温度随流程变化的颜色渐变图。其 他参数的颜色渐变图通过这样的方法也可以绘制出来。 图5 颜色值与状态参数值之间的线性关系 4.2 颜色渐变图的实现步骤 颜色渐变图的实现步骤如图6所示。先绘制每个控制容积，然后将所有的控制容积连接起来，加上连接管，就可以完全绘制出整个制冷剂流路的颜色渐变图。 图6 颜色渐变图的实现步骤 4.3 通过颜色渐变图分析仿真结果 在每个控制容积中，状态参数的变化通常比较小，因此在单个控制容积中不易分辨出颜色的变化，但将所有换热管都采用颜色渐变图的形式绘制出来后，可以清晰地看到颜色的变化情况。以图4中的所示的作冷凝器用的换热器为例，可以清晰地看到颜色从红色过渡到黄色，再渐变为绿色，最终变为蓝色的过程，对比图4右下角的颜色和制冷剂温度的对应关系，可以得到，在冷凝器中，制冷剂温度随着制冷剂的流动方向，温度不断降低，与实际的情况符合，形象地反映了 制冷剂的冷凝过程。 这种用颜色渐变图来显示仿真结果的方式可以直观的反映制冷剂的状态参数在制冷剂流路中不同位置的值和沿制冷剂流路变化的快慢情况，能让用户直观地观测到产生制冷剂状态参数产生突变的位置，从而调整和完善换热器结构的设计。 5 结论 本文采用OpenGL技术，结合翅片管换热器的实际结构，阐述了将翅片管换热器可视化的方法和用颜色渐变图来显示仿真结果的方法，该方法现已成功地应用于与日本富士通将军公司合作开发换热器仿真软件中。实践证明，应用该方 法开发的换热器仿真软件的界面友好，交互性强，用广操作方便，易于掌握和使用，将产品设计开发周期缩短到原来的1/10以内。 参考文献: [1]丁国良，张春路(制冷空调装置仿真与优化[M](北京:科学出版社，2001. 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