專利名稱：面向陶瓷輥道窯的燃燒過(guò)程交互虛擬仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑材料工程技術(shù)與計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的交叉領(lǐng)域，具 體的講是綜合陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)三維可視化仿真技 術(shù)，而提供一種面向陶瓷輥道窯的燃燒過(guò)程交互虛擬仿真方法。
背景技術(shù)：
陶瓷輥道窯是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新型連續(xù)式工業(yè)窯爐，目前已廣 泛用于建筑陶瓷、日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷等工業(yè)生產(chǎn)中，代表了現(xiàn)代工業(yè) 窯爐的發(fā)展方向。目前我國(guó)輥道窯發(fā)展迅猛，其重要的研究?jī)?nèi)容之一就 是研究輥道窯的燃燒過(guò)程，目標(biāo)是在排放限制、燃料經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)等要求 下獲得最佳的輥道窯使用特性。而對(duì)于輥道窯燃燒過(guò)程的研究，無(wú)論是 實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值計(jì)算都將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中包含了龐大而復(fù)雜的 信息，僅采用依靠簡(jiǎn)易計(jì)算工具與簡(jiǎn)單仿真方法是具有很大局限性的。 可視化技術(shù)作為理解復(fù)雜現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的有效手段，將數(shù)字由符號(hào)轉(zhuǎn)化為 幾何，變不可見(jiàn)為可見(jiàn)，使研究者能觀察到他們的研究工作，豐富了科 學(xué)發(fā)現(xiàn)的途徑，給予人們意想不到的啟示，在自然科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛 應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有真實(shí)感強(qiáng)、交互性好、實(shí)用性強(qiáng)的 特點(diǎn)的面向陶資輥道窯的燃燒過(guò)程交互虛擬仿真方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法是是以陶瓷輥道窯燃燒 建模技術(shù)、可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)等為核心，以VC++和0penGL圖形庫(kù)為實(shí)現(xiàn)工具，來(lái)完成陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的交互式虛擬 仿真，其具體步驟是
第一步驟搭建實(shí)現(xiàn)環(huán)境釆用乂0++構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和相關(guān)界面，利 用0penGL圖形庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的三維虛擬仿真；
第二步驟陶瓷輥道窯三維虛擬建模與顯示利用3DS MAX建立陶 瓷輥道窯窯體、燃燒系統(tǒng)、燒成產(chǎn)品的三維模型，并建立相關(guān)虛擬仿真 場(chǎng)景；
第三步驟基于粒子系統(tǒng)的陶瓷輥道窯燃燒可視化建模釆用粒子 系統(tǒng)建模方法，并綜合火焰?zhèn)鞑ツＰ?、湍流流?dòng)模型及燃料屬性網(wǎng)格模 型三個(gè)子模型建立基于粒子系統(tǒng)的陶瓷輥道窯燃燒可視化模型，以體現(xiàn) 陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程中的各種現(xiàn)象和特征規(guī)律；
第四步驟陶覺(jué)輥道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫游
觀察者根據(jù)自己的意愿，察看窯爐內(nèi)的全景或局部燃燒狀況，及各種設(shè) 備的工作狀態(tài)；
第五步驟陶資輥道窯燃燒過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可^L化建立溫度/濃度 /速度-顏色映射表，顯示陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程中的溫度、生成物濃度、 速度等方面的分布和變化。
由于本發(fā)明在陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的研究中引入可視化技術(shù)，有助 于對(duì)其進(jìn)行更加直觀、深入的分析。本發(fā)明具有真實(shí)感強(qiáng)、交互性好、 實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體的實(shí)施方案進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明 本發(fā)明。本發(fā)明由實(shí)現(xiàn)環(huán)境的搭建、陶瓷輥道窯三維虛擬建模與顯示、基于 粒子系統(tǒng)的陶乾輥道窯燃燒可視化建模、陶瓷輥道窯燃燒空間的全景和 局部的交互式三維漫游、陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可^L化四個(gè)主 要步驟所構(gòu)成。
(1) 搭建方法的實(shí)現(xiàn)環(huán)境
所有方法的實(shí)現(xiàn)都是在由VC+十和0penGL圖形庫(kù)共同搭建的環(huán)境中完 成的。采用￥0++構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和相關(guān)界面，利用0penGL圖形庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)陶 瓷輥道窯燃燒過(guò)程的三維虛擬仿真。
(2) 陶瓷輥道窯虛擬建模與顯示
三維虛擬場(chǎng)景模擬是對(duì)陶乾輥道窯結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)和燒成產(chǎn)品進(jìn)行 三維模擬，通過(guò)三維模型可以非常清晰地看出陶瓷輥道窯的真實(shí)模樣，并 對(duì)模型中的各個(gè)零件進(jìn)行干涉檢查，看是否裝配成功。
陶瓷輥道窯是由一根根平行排列、橫穿窯工作通道截面的高溫輥棒 組成"輥道"，陶資制品放在輥道上，隨著輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動(dòng)而輸送入窯，在窯 內(nèi)完成燒成工藝過(guò)程。它主要由預(yù)熱帶、燒成帶以及冷卻帶組成。其中， 燒成帶設(shè)有燃燒系統(tǒng)，燒成帶之前至窯頭部分為預(yù)熱帶，燒成帶之后至
窯尾部分為冷卻帶。
根據(jù)真實(shí)陶資輥道窯結(jié)構(gòu)，零件間的相對(duì)比例、位置關(guān)系，利用3DS
MAX重建出相應(yīng)的虛擬三維對(duì)象實(shí)體，形成3DS文件。主要采用創(chuàng)建幾何 體建模和網(wǎng)格建模相結(jié)合的方法，并對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的燃燒系統(tǒng)等通過(guò) 多邊形的擠出和倒角功能完成建模，使建模過(guò)程更加直觀簡(jiǎn)便。為了達(dá) 到逼真的效果，在3DS MAX中賦材質(zhì)使用貼圖方式。在貼圖前，要把貼圖 在Photoshop里面處理，使得圖片在不影響看圖的情況下盡量小。由于用3DS MAX制作的動(dòng)畫沒(méi)有交互性，無(wú)法實(shí)時(shí)控制。為解決此 問(wèn)題，本發(fā)明將3DS模型文件轉(zhuǎn)換成0penGL的VC++代碼，運(yùn)用0penGL 中的顯示列表等功能將陶瓷輥道窯模型導(dǎo)入工程并顯示，再利用0penGL 圖形庫(kù)中的坐標(biāo)變換、場(chǎng)景渲染、圖形繪制、雙緩存等功能，在VC+十環(huán) 境中實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷輥道窯模型的顯示與控制。
(3)基于粒子系統(tǒng)的陶瓷輥道窯燃燒可視化建模 粒子系統(tǒng)方法作為矢量場(chǎng)可視化方法的一種，在對(duì)模擬火焰的研究 中常被采用。本發(fā)明采用粒子系統(tǒng)建模方法，并分析陶瓷輥道窯的燃燒 特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷輥道窯燃燒可視化建模。
定義陶瓷輥道窯燃燒火焰粒子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為實(shí)數(shù)域上的一個(gè)n維矢量，如 式(l)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(yùn)動(dòng)速度、加速度、顏色、壽命、淡化速度?；鹧?粒子集定義為上述火焰粒子的有限集合，其中每一個(gè)粒子都具有上述的 這些屬質(zhì)和狀態(tài)，所有這些屬性都是時(shí)間t的函數(shù)。
基于粒子系統(tǒng)的陶瓷輥道窯燃燒可視化建模，綜合了火焰?zhèn)鞑タ梢暬?型、流場(chǎng)可視化模型及燃料屬性可視化模型三個(gè)子模型的建立與實(shí)現(xiàn)過(guò) 程。
陶乾輥道窯燃燒的火焰粒子以燒嘴處著火點(diǎn)作為發(fā)生源，多個(gè)火焰 粒子從發(fā)生源噴發(fā)出來(lái)，形成球面火焰向前傳播，其傳播速度可通過(guò)湍
流燃燒模型計(jì)算得到，火焰粒子具有沿球面半徑方向運(yùn)動(dòng)的平均速度；
在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，火焰粒子的生命值在不斷變化，同時(shí)引發(fā)亮度與透明度等屬性的變化，并對(duì)燃燒室壁進(jìn)行碰撞;險(xiǎn)測(cè)；燒嘴處燃油噴霧現(xiàn)象可認(rèn) 為是由液霧質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的，霧束具有一定幾何形狀和運(yùn)動(dòng)特征，同樣可以 采用粒子系統(tǒng)方法以表達(dá)。
在燃燒過(guò)程中存在氣流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，流場(chǎng)可視化模型是在分析燃燒湍 流氣流特征的基礎(chǔ)上模擬并構(gòu)造流場(chǎng)。湍流運(yùn)動(dòng)的主要特征是流體中渦 的運(yùn)動(dòng)，將湍流流場(chǎng)簡(jiǎn)化為湍流渦場(chǎng)，采用生成隨才幾湍流渦場(chǎng)的方法對(duì) 流場(chǎng)建模；在生成湍流渦場(chǎng)之后，流場(chǎng)中渦運(yùn)動(dòng)對(duì)火焰粒子附加脈動(dòng)作 用(即脈動(dòng)速度)，氣流現(xiàn)象通過(guò)對(duì)構(gòu)成火焰?zhèn)鞑サ牧Ｗ酉到y(tǒng)的運(yùn)動(dòng)改變 體現(xiàn)；渦力這種作用是瞬時(shí)的，粒子每運(yùn)動(dòng)一步，受到的渦作用大小不 相同，必須重新計(jì)算其受到的脈動(dòng)速度。
火焰粒子系統(tǒng)構(gòu)成的火焰面在傳播擴(kuò)展過(guò)程中，將引起燃料屬性狀 態(tài)的變化，燃料由未燃?xì)廪D(zhuǎn)變?yōu)槿紵a(chǎn)物，同時(shí)其攜帶的溫度與濃度分 布信息也發(fā)生改變。燃料的分布采用網(wǎng)格單元模型，即將燃燒空間離散 為一系列的體網(wǎng)格單元，在每個(gè)網(wǎng)格單元里具有一定質(zhì)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(dá)的網(wǎng)格 單元，并計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的燃料溫度、濃度與速度的改變值，通過(guò)網(wǎng)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(dá)出來(lái)。
(4 )陶瓷輥道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫游 顯示陶瓷輥道窯燃燒空間的三維全景圖和局部圖，并根據(jù)視點(diǎn)要求實(shí)時(shí) 驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)在其中的漫游,是本發(fā)明的又一實(shí)施重點(diǎn)。 在預(yù)處理階段進(jìn)行可見(jiàn)性判斷，通過(guò)不顯示場(chǎng)景中不可見(jiàn)的物體來(lái)提高 顯示速度。可采用劃分區(qū)域進(jìn)行遮擋判斷，即先存儲(chǔ)一個(gè)遮擋關(guān)系表， 在仿真循環(huán)過(guò)程中通過(guò)實(shí)時(shí)查詢遮擋關(guān)系表進(jìn)行遮擋關(guān)系的判斷。在實(shí)施交互式三維漫游時(shí)，觀察者可以通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤來(lái)控制視點(diǎn) 的位置、方向和參考點(diǎn)。當(dāng)視點(diǎn)的位置、方向和參考點(diǎn)發(fā)生改變時(shí)，場(chǎng) 景中的物體相對(duì)于觀察者的方位也發(fā)生了改變，從而產(chǎn)生了 "動(dòng)感"。 除了利用鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)陶瓷輥道窯燃燒空間的交互式漫游控制，還設(shè) 計(jì)了場(chǎng)景的自動(dòng)播放功能。通過(guò)自動(dòng)播放功能，初級(jí)用戶可以方便快捷 地對(duì)陶瓷輥道窯的各個(gè)部分及燒成設(shè)備有個(gè)概要的了解。
(5)陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可視化
為方便在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中溫度、濃度和速度矢量的表達(dá)，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(shí)時(shí)計(jì) 算的復(fù)雜性，建立自己的調(diào)色板，把需要用到的顏色全部放到調(diào)色板中， 并建立相應(yīng)的溫度、濃度和速度索引值，可以提高系統(tǒng)運(yùn)算效率。調(diào)色 板中的每種顏色包含RGB值和一個(gè)對(duì)應(yīng)的溫度索引值，用集合形式表示， 并假設(shè)溫度/濃度/速度與顏色是一一對(duì)應(yīng)的集合，依據(jù)某種函數(shù)關(guān)系， 任意溫度值都可以影射到調(diào)色板上的相應(yīng)顏色值，從而在粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)， 溫度/濃度/速度的變化可以隨時(shí)體現(xiàn)在顏色的變化上，以更直觀的形式 表達(dá)出來(lái)。
本說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn) 有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種面向陶瓷輥道窯的燃燒過(guò)程交互虛擬仿真方法，所采用的方法是是以陶瓷輥道窯燃燒建模技術(shù)、可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)等為核心，以VC++和OpenGL圖形庫(kù)為實(shí)現(xiàn)工具，來(lái)完成陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的交互式虛擬仿真，其具體步驟是第一步驟搭建實(shí)現(xiàn)環(huán)境采用VC++構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)和相關(guān)界面，利用OpenGL圖形庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的三維虛擬仿真；第二步驟陶瓷輥道窯三維虛擬建模與顯示利用3DS MAX建立陶瓷輥道窯窯體、燃燒系統(tǒng)、燒成產(chǎn)品的三維模型，并建立相關(guān)虛擬仿真場(chǎng)景；第三步驟基于粒子系統(tǒng)的陶瓷輥道窯燃燒可視化建模采用粒子系統(tǒng)建模方法，并綜合火焰?zhèn)鞑ツＰ?、湍流流?dòng)模型及燃料屬性網(wǎng)格模型三個(gè)子模型建立基于粒子系統(tǒng)的陶瓷輥道窯燃燒可視化模型，以體現(xiàn)陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程中的各種現(xiàn)象和特征規(guī)律；第四步驟陶瓷輥道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫游觀察者根據(jù)自己的意愿，察看窯爐內(nèi)的全景或局部燃燒狀況，及各種設(shè)備的工作狀態(tài)；第五步驟陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可視化建立溫度/濃度/速度-顏色映射表，顯示陶瓷輥道窯燃燒過(guò)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(fā)明涉及一種面向陶瓷輥道窯的燃燒過(guò)程交互虛擬仿真方法，所采用的方法是是以陶瓷輥道窯燃燒建模技術(shù)、可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)等為核心，以VC++和OpenGL圖形庫(kù)為實(shí)現(xiàn)工具，來(lái)完成陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的交互式虛擬仿真，其具體步驟是第一搭建實(shí)現(xiàn)環(huán)境；第二陶瓷輥道窯三維虛擬建模與顯示；第三基于粒子系統(tǒng)的陶瓷輥道窯燃燒可視化建模；第四陶瓷輥道窯燃燒空間的全景和局部的交互式三維漫游；第五陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可視化。由于本發(fā)明在陶瓷輥道窯燃燒過(guò)程的研究中引入可視化技術(shù)，有助于對(duì)其進(jìn)行更加直觀、深入的分析。本發(fā)明具有真實(shí)感強(qiáng)、交互性好、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06T17/40GK101477708SQ20091006063
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者常排排, 真 李, 石偉霞, 程金樹, 聶應(yīng)松, 饒文碧, 魏志華, 河 黃 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)