专利名称：面向陶瓷隧道窑的燃烧过程交互虚拟仿真方法
技术领域：
本发明属于建筑材料工程技术与计算机可视化技术的交叉领域，具 体的讲是综合陶瓷隧道窑燃烧过程建模技术和计算机三维可视化仿真技 术，而4是供一种面向陶瓷隧道窑的燃烧过程交互虚拟仿真方法。
背景技术：
隧道窑是陶瓷生产最重要的热工设备，其重要的研究内容之一就是 研究隧道窑的燃烧过程，目标是从而在排放限制、燃料经济性标准等要 求下获得最佳的隧道窑使用特性。而对于隧道窑燃烧过程的研究，无论 是实验还是数值计算都将产生大量数据，这些数据中包含了庞大而复杂 的信息，仅采用依靠简易计算工具与简单仿真方法是具有很大局限性的。 可视化技术作为理解复杂现象和数据的有效手段，将数字由符号转化为 几何，变不可见为可见，使研究者能观察到他们的研究工作，丰富了科 学发现的途径，给予人们意想不到的启示，在自然科学领域得到了广泛 应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有真实感强、交互性好、实用性强的 特点的面向陶资隧道窑的燃烧过程交互虚拟仿真方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的方法是以陶瓷隧道窑燃烧建 模技术、可视化技术、虛拟现实技术和数值模拟技术等为核心，以VC++ 和0penGL图形库为实现工具，完成陶覺隧道窑燃烧过程的交互式虚拟仿 真，其具体步骤是
3第一步骤搭建实现环境采用乂0++构建系统平台和相关界面，利 用0penGL图形库来实现陶瓷隧道窑燃烧过程的三维虚拟仿真；
第二步骤陶资隧道窑三维虚拟建模与显示利用3DS MAX建立陶 瓷隧道窑窑体、燃烧系统、烧成产品的三维模型，并建立相关虚拟仿真 场景；
第三步骤基于粒子系统的陶瓷隧道窑燃烧可视化建模采用粒子 系统建模方法，并综合火焰传播模型、湍流流动模型及燃料属性网格模 型三个子模型建立基于粒子系统的陶资隧道窑燃烧可视化模型，以体现 陶瓷隧道窑燃烧过程中的各种现象和特征规律；
第四步骤陶乾隧道窑燃烧空间的全景和局部的交互式三维漫游 观察者根据自己的意愿，察看窑炉内的全景或局部燃烧状况，及各种设 备的工作状态；
第五步骤陶瓷隧道窑燃烧过程的三维动态可视化建立温度/浓度 /速度-颜色映射表，显示陶瓷隧道窑燃烧过程中的温度、生成物浓度、 速度等方面的分布和变化。
由于本发明在陶瓷隧道窑燃烧过程的研究中引入可视化技术，有助 于对其进行更加直观、深入的分析。本发明真实感强、交互性好、实用 性强。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明，下面结合具体的实施方案进一步详细说明 本发明。
本发明由实现环境的搭建、陶瓷隧道窑三维虚拟建模与显示、基于 粒子系统的陶瓷隧道容燃烧可视化建模、陶瓷隧道窑燃烧空间的全景和局部的交互式三维漫游、陶瓷隧道窑燃烧过程的三维动态可^L化四个主 要步骤所构成。
(1 )搭建方法的实现环境所有方法的实现都是在由VCi+和0penGL 图形库共同搭建的环境中完成的。采用VC++构建系统平台和相关界面， 利用0penGL图形库来实现陶瓷隧道窑燃烧过程的三维虚拟仿真。
(2)陶瓷隧道窑虚拟建模与显示
三维虚拟场景模拟是对陶瓷隧道窑结构、燃烧系统和烧成产品进行 三维模拟，通过三维模型可以非常清晰地看出陶瓷隧道窑的真实模样，并 对模型中的各个零件进行干涉检查，看是否装配成功。现代隧道窑有多种 形式，各种隧道窑基本都包括三个带，即预热带、烧成带、冷却带。预热 带主要完成制品预热，主要结构是烟道装置、测温孔等，部分隧道要安排 气幕装置；烧成带主要完成制品的煅烧，主要结构是燃烧装置、测温孔、 喷射气道等；冷却带主要完成制品的冷却，主要结构是抽热风装置、送冷 风装置、测温孔等；整个隧道窑还有外围拉杆、轨道、沙封槽等附属构 件等。
根据真实陶瓷隧道窑结构，零件间的相对比例、位置关系，利用3DS MAX重建出相应的虚拟三维对象实体，形成3DS文件。主要采用创建几何 体建模和网格建模相结合的方法，并对结构较为复杂的燃烧装置等通过 多边形的挤出和倒角功能完成建模，使建模过程更加直观简便，模型的 显示效果更加细M^。为了达到逼真的效果，在3DS MAX中赋材质使用贴图 方式。在贴图前，要把贴图在Photoshop里面处理，使得图片在不影响看 图的情况下尽量小。
由于用3DS MAX制作的动画没有交互性，无法实时控制。为解决此问题，本发明将3DS模型文件转换成OpenGL的VC++代码，运用OpenGL 中的显示列表等功能将陶瓷隧道窑模型导入工程并显示，再利用OpenGL 图形库中的坐标变换、场景渲染、图形绘制、双緩存等功能，在VC+十环 境中实现对陶瓷隧道窑模型的显示与控制。
(3 )基于粒子系统的陶瓷隧道窑燃烧可视化建模
粒子系统方法作为矢量场可视化方法的一种，在对模拟火焰的研究 中常被采用。本发明采用粒子系统建模方法，并分析陶瓷隧道窑的燃烧 特性，来实现陶瓷隧道客燃烧可视化建模。
定义陶资隧道窑燃烧火焰粒子数据结构为实数域上的一个n维矢量， 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分别 为粒子的空间位置、运动速度、加速度、颜色、寿命、淡化速度。火焰 粒子集定义为上述火焰粒子的有限集合，其中每一个粒子都具有上述的 这些属质和状态，所有这些属性都是时间t的函数。
基于粒子系统的陶瓷隧道窑燃烧可视化建模，综合了火焰传播可视 化模型、流场可视化模型及燃料属性可视化模型三个子模型的建立与实 现过程。
陶资隧道窑燃烧的火焰粒子以烧嘴处着火点作为发生源，多个火焰 粒子从发生源喷发出来，形成球面火焰向前传播，其传播速度可通过湍 流燃烧模型计算得到，火焰粒子具有沿球面半径方向运动的平均速度； 在运动过程中，火焰粒子的生命值在不断变化，同时引发亮度与透明度 等属性的变化，并对燃烧室壁进行碰撞检测；烧嘴处燃油喷雾现象可认为是由液雾质点构成的，雾束具有一定几何形状和运动特征，同样可以 采用粒子系统方法以表达。
在燃烧过程中存在气流运动现象，流场可视化模型是在分析燃烧湍 流气流特征的基础上模拟并构造流场。湍流运动的主要特征是流体中涡 的运动，将湍流流场简化为湍流涡场，采用生成随^L湍流涡场的方法对
流场建模；在生成湍流涡场之后，流场中涡运动对火焰粒子附加脉动作 用(即脉动速度)，气流现象通过对构成火焰传播的粒子系统的运动改变 体现；涡力这种作用是瞬时的，粒子每运动一步，受到的涡作用大小不 相同，必须重新计算其受到的脉动速度。
火焰粒子系统构成的火焰面在传播扩展过程中，将引起燃料属性状 态的变化，燃料由未燃气转变为燃烧产物，同时其携带的温度与浓度分 布信息也发生改变。燃料的分布采用网格单元模型，即将燃烧空间离散 为一系列的体网格单元，在每个网格单元里具有一定质量的燃料，且具 有温度、浓度、速度、颜色与透明度等属性；判断火焰粒子到达的网格 单元，并计算网格内的燃料温度、浓度与速度的改变值，通过网格体单 元的颜色与透明度的显示属性将温度、浓度与速度信息表达出来。 (4 )陶资隧道窑燃烧空间的全景和局部的交互式三维漫游 显示陶瓷隧道窑燃烧空间的三维全景图和局部图，并根据视点要求 实时驱动虚拟场景动态变化，实现在其中的漫游，是本发明的又一实施重 点。
在预处理阶段进行可见性判断，通过不显示场景中不可见的物体来 提高显示速度。可采用划分区域进行遮挡判断，即先存储一个遮挡关 系表，在仿真循环过程中通过实时查询遮挡关系表进行遮挡关系的判断。在实施交互式三维漫游时，观察者可以通过鼠标或键盘来控制视点的位 置、方向和参考点。当视点的位置、方向和参考点发生改变时，场景中 的物体相对于观察者的方位也发生了改变，从而产生了 "动感"。 除了利用键盘和鼠标实现陶瓷隧道窑燃烧空间的交互式漫游控制，还设 计了场景的自动播放功能。通过自动播放功能，初级用户可以方便快捷 地对陶瓷隧道窑的各个部分及烧成设备有个概要的了解。
(5)陶瓷隧道窑燃烧过程的三维动态可视化
为方便在火焰传播过程中温度、浓度和速度矢量的表达，需要建立 温度-颜色映射表、浓度-颜色映射表和速度-颜色映射表。为减少实时计 算的复杂性，建立自己的调色板，把需要用到的颜色全部放到调色板中， 并建立相应的温度、浓度和速度索引值，可以提高系统运算效率。调色 板中的每种颜色包含RGB值和一个对应的温度索引值，用集合形式表示， 并假设温度/浓度/速度与颜色是一一对应的集合，依据某种函数关系， 任意温度值都可以影射到调色板上的相应颜色值，从而在粒子运动时， 溫度/浓度/速度的变化可以随时体现在颜色的变化上，以更直观的形式 表达出来。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现 有技术。
权利要求
1、一种面向陶瓷隧道窑的燃烧过程交互虚拟仿真方法，所采用的方法是以陶瓷隧道窑燃烧建模技术、可视化技术、虚拟现实技术和数值模拟技术等为核心，以VC++和OpenGL图形库为实现工具，完成陶瓷隧道窑燃烧过程的交互式虚拟仿真，其具体步骤是第一步骤搭建实现环境采用VC++构建系统平台和相关界面，利用OpenGL图形库来实现陶瓷隧道窑燃烧过程的三维虚拟仿真；第二步骤陶瓷隧道窑三维虚拟建模与显示利用3DS MAX建立陶瓷隧道窑窑体、燃烧系统、烧成产品的三维模型，并建立相关虚拟仿真场景；第三步骤基于粒子系统的陶瓷隧道窑燃烧可视化建模采用粒子系统建模方法，并综合火焰传播模型、湍流流动模型及燃料属性网格模型三个子模型建立基于粒子系统的陶瓷隧道窑燃烧可视化模型，以体现陶瓷隧道窑燃烧过程中的各种现象和特征规律；第四步骤陶瓷隧道窑燃烧空间的全景和局部的交互式三维漫游观察者根据自己的意愿，察看窑炉内的全景或局部燃烧状况，及各种设备的工作状态；第五步骤陶瓷隧道窑燃烧过程的三维动态可视化建立温度/浓度/速度-颜色映射表，显示陶瓷隧道窑燃烧过程中的温度、生成物浓度、速度等方面的分布和变化。
全文摘要
本发明涉及一种面向陶瓷隧道窑的燃烧过程交互虚拟仿真方法，所采用的方法是以陶瓷隧道窑燃烧建模技术、可视化技术、虚拟现实技术和数值模拟技术等为核心，以VC++和OpenGL图形库为实现工具，完成陶瓷隧道窑燃烧过程的交互式虚拟仿真，其具体步骤是第一步骤搭建实现环境；第二步骤陶瓷隧道窑三维虚拟建模与显示；第三步骤基于粒子系统的陶瓷隧道窑燃烧可视化建模；第四步骤陶瓷隧道窑燃烧空间的全景和局部的交互式三维漫游；第五步骤陶瓷隧道窑燃烧过程的三维动态可视化。由于本发明在陶瓷隧道窑燃烧过程的研究中引入可视化技术，有助于对其进行更加直观、深入的分析。本发明真实感强、交互性好、实用性强。
文档编号G06T17/40GK101477709SQ200910060639
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者常排排, 真 李, 石伟霞, 程金树, 聂应松, 饶文碧, 魏志华, 河 黄 申请人:武汉理工大学