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上海快3开奖历史结果查询:基于數據庫和可視化技術的翅片管換熱器仿真

點擊:1377 日期:[ 2014-04-26 22:13:59 ]
               基于數據庫和可視化技術的翅片管換熱器仿真                              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:構建了翅片管換熱器的性能仿真系統的整體框架,通過引入數據庫技術和可視化技術,結合換熱器分布參數仿真模型,實現了該仿真系統。該系統具有分工明晰的輸入、仿真和輸出???,能方便用戶輸入仿真參數,準確快捷地對翅片管換熱器性能進行仿真,并以各種形象直觀的方式輸出仿真結果。   關鍵詞:翅片管換熱器;仿真系統;數據庫;可視化   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空調裝置。傳統的設計方法是對樣機進行反復測試和修改,這樣不僅造成開發周期過長、開發費用投入巨大,而且難以達到節能、節材的效果,使企業難以跟上市場需求。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。     如今,計算機仿真技術正逐步向著實用化方向邁進,但是,以往的換熱器仿真研究較多注重于仿真模型的精度和穩定性,而對仿真方法的實用化以及基于仿真方法構建完善的仿真系統等研究甚少。這種做法不適合換熱器仿真方法的推廣,也使得仿真方法不能夠在實際生產、設計過程發揮應有的指導作用。這些問題的提出,就要求構建一個完善的換熱器仿真系統,該系統不僅要在模型的選擇和仿真精度上滿足用戶的要求,更要提供給用戶一個友好的、易用的、便于維護的仿真平臺。     數據庫技術便于統一保存和管理各種參數,可視化技術可以將所研究的對象用圖像的形式直觀形象地表示出來,這兩點可以滿足用戶在仿真平臺友好性和易操作性上的要求。因此本文采用數據庫和可視化技術,結合現有的比較成熟的換熱器仿真模型,構建并實現了翅片管換熱器的仿真系統。該系統已成功地應用于企業,縮短了產品開發周期,滿足了企業實際設計的需求。   1 換熱器仿真系統的總體框架   1.1 仿真系統的研究對象    本文仿真系統的研究對象是各種規格類型的室內機和室外機換熱器。如一般空調系統中的室內機采用的I型換熱器,室外機采用的L型換熱器,以及在大型集中空調中采用的C型等不同形式換熱器。本文所構建的翅片管換熱器仿真系統 除了對單體換熱器性能的仿真外,還可以對多聯換熱器的性能進行預測,如大型空調室外機中采用的 V 型換熱器的性能預測等。       圖1顯示的是一個實際系統中的換熱器網絡,它是由具有n個換熱器組成的聯合運行的系統。每個換熱器可以具有獨立的類型結構,可以采用各自獨立的翅片類型和換熱管類型。本仿真系統能夠處理的翅片類型有 4 種:波紋翅片、條縫翅片、超條形翅片和百葉窗翅片,能夠處理的換熱管類型有2種:光滑管和強化管。                1.2 仿真系統的總體框架       通常,仿真系統可以劃分為3個主要的??椋悍掄娌問氖淙肽??、仿真運算??楹頭掄娼峁氖涑瞿??。本文所構建的仿真系統的框架如圖2所示,也包括這樣的3個主要???。仿真系統通過輸入??槭淙敕掄嫠匭璧牟問?,然后調用仿真運算???,對換熱器的性能進行仿真,再調用輸出??榻掄娼峁猛?、表或者對話框等的形式顯示出來。                其中,輸入??榘ㄈ縵錄父齜矯媯?    (1)基本參數的輸入 多聯換熱器組由幾個換熱器組成,即對幾個換熱器個體同時進行仿真;     (2)制冷劑入口參數的輸入 制冷劑的種類、制冷劑的入口壓力、入口焓和質量流率;     (3)空氣入口參數的輸入 空氣入口風速、入口干球溫度、入口濕球溫度和入口壓力;     (4)換熱器參數的輸入 換熱器的種類、長、寬、高等結構參數;以及每個換熱器采用的翅片類型,每個換熱器采用的管子類型。由于需要錄入的翅片類型和換熱管類型的參數較多,因此本文引入數據庫技術,構建了翅片類型庫和換熱管類型庫,方便用戶從數據庫中導入翅片類型和換熱器類型的參數;     (5)管路連接關系的輸入 本文引入可視化技術,通過用戶在界面上對換熱管的選擇和拾取來形象直觀地確定換熱器的管路連接關系。     仿真運算??櫓饕峭ü饔檬淙肽?櫚氖淙氬問?,對換熱器的換熱及壓降特性進行仿真運算,為輸出??樽急趕嚶Φ氖涑霾問?。     輸出??槭涑齙牟問ㄈ縵錄父齜矯媯?    (1)換熱器整體性能參數的輸出 換熱器的總換熱量、總壓降和換熱器中制冷劑的充注量;     (2)制冷劑出口參數的輸出 制冷劑出口的壓力、溫度、焓、干度、過熱(冷)度等參數;     (3)空氣出口參數的輸出 空氣出口風量、出口干球溫度、出口濕球溫度和出口壓力。   2 仿真系統的實現方法   2.1 各種類型的翅片和換熱管的參數輸入的實現     由于本仿真系統要求能夠對多聯運行的換熱器組的性能進行仿真預測,而且要求多聯換熱器組中的每個換熱器可以采用各自獨立的翅片類型和換熱管類型。但由于每種類型的翅片和換熱管的類型參數為 8~12 個不等,如果采用對話框的形式錄入翅片類型和換熱管類型的參數,則對包含n個換熱器的多聯換熱器組來說,要錄入(8~12)×n 個數據。這是相當繁瑣的,也不便于對翅片類型和換熱管類型的參數進行統一的管理和分析。為了解決這個問題,本文引入數據庫技術,建立了基于 CSV 文件的翅片類型和換熱管類型的數據庫,實現了相應的數據庫的基本功能,方便用戶管理和錄入各種類型的翅片和換熱管的參數。    2.1.1 基于 CSV 文件的數據庫的簡介      CSV 文件是指逗號分隔文件,是一種在實際的科學實驗和研究分析中經常用到的文件格式,具有簡單、易編輯、可以被多種文檔編輯器打開和編輯(如 Excel,Word,文本編輯器)等優點。此外,相比 FoxPro,Oracle 等大型的專門的數據庫軟件來說,以 CSV 文件為基礎建立簡單的數據庫表格來保存各種翅片類型和換熱管類型的參數,具有簡單、不需要另外專門軟件的支持、能較好地與 Visual C++結合等優點。      本文將同一類型翅片的參數保存在以這種翅片類型名稱命名的 CSV 文件中,如 Wavy_Fin.csv,Slit_Fin.csv 等。兩種換熱管的參數也分別保存在 Smooth.csv 和 Enhanced.csv 文件中。在仿真軟件的界面上以數據表格的形式來直觀地顯示這些文件中的數據,并且可以通過鼠標點擊數據表格中的記錄和相應的控件就可以方便地將相應的參數導入到換熱器的模型中,這樣就避免了要錄入(8~12)×n 個數據的繁瑣過程。并且用統一格式的 CSV 文件來保存各種翅片類型的參數和各種換熱管類型的參數,也便于對這些參數進行統一的管理和分析。    由于本文仿真系統的開發環境是 Visual C++ 集成開發環境,因此要建立基于 CSV 文件的翅片類型和換熱管類型的數據庫,就要解決在 Visual C++ 中如何讀寫 CSV 文件的問題,以及如何在界面上實現對這些文件進行方便操作的功能。    2.1.2 在 VC 中讀寫 CSV 文件      本文通過對一個表格控件 CGridCtrl 類[3]的繼承,構造了一個能夠用表格形式將數據顯示出來的類。這個類還包含一個能讀寫 Excel 文件和 CSV 文件的類 CSpreadSheet[4]的對象,從而使得本文構造的這個類既能自由讀寫存儲了各種翅片類型和換熱管類型參數的 CSV 文件的類,又可以采用表格控件的屬性將 CSV 文件的內容用表格的形式顯示在用戶界面,便于用戶編輯和選擇相關數據,并導入到仿真模型中。      本文構造的這個能夠采用表格控件顯示 CSV 文件內容的類的構造如圖 3 所示。它繼承于表格控件,同時又包含了一個能讀寫 CSV 文件的CSpreadSheet 類的對象。             2.1.3 基于 CSV 文件的數據庫的功能的實現      通過調用上文構造的能夠采用表格顯示 CSV 文件內容的類來構建相應的對象,就可以在界面上實現對存儲了翅片類型和換熱管類型數據的 CSV 文件的修改、保存、以及對CSV 文件內容進行排序,和將 CSV 文件中的數據導入到換熱器仿真模型中等功能。   2.2 OpenGL 可視化技術對翅片管換熱器可視化的實現      可視化技術是利用計算機,根據數據產生圖像,并利用圖像的顏色、透明度等屬性來反映數據的特征的技術。這種技術能將不可見的變為可見的,在短時間內通過圖形傳遞大量的數據信息,使得研究人員能直觀、迅速地觀察和構建仿真系統所研究的對象。目前,在三維圖形領域,OpenGL 圖形庫是應用最廣泛的 3D 圖形應用接口(API)。    2.2.1 OpenGL 技術簡介      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 250 個命令組成,是一個三維的圖形和模型庫。它能與面向對象集成開發環境 VisualC++結合,用戶通過這些命令能指定創建交互的 3D 或者 2D幾何對象。    2.2.2 在 VC 中利用 OpenGL 技術     在 Visual C++集成開發環境中利用 OpenGL 技術,需要將 OpenGL 圖形庫的相關頭文件和動態連接庫文件關聯到Windows 系統的相關文件目錄下和 Visual C++的安裝目錄下,即將 glut.dll 拷貝到 c:\windows\system32\文件目錄下,將 glut.lib 拷貝到 c:\Program Files\Microsoft Visual Stutio\VC98\lib\ 文件 目錄 下, 將 glut32.dll 拷 貝 到 c:\windows\system32\文件目錄下,將 glut32.lib 拷貝到 c:\ProgramFiles\ MicrosoftVisualStutio\ VC98\lib\文件目錄下,將 glut32.h 拷貝到c:\ProgramFiles\MicrosoftVisualStutio\VC98\Include\GL\文件目錄下。    2.2.3 基于 OpenGL 技術的可視化界面的實現      本文利用 OpenGL 技術在圖形化領域的強大功能,用形象、逼真的三維以及二維圖形來反映換熱器的實體結構,并且利用 OpenGL 技術的靈活的交互能力,實現了換熱器設計中交互式的管路連接,具體功能如下:      (1)用 3D 圖形來反映換熱器的實體結構 采用 OpenGL 提供的對實體的顏色、材質、光照等屬性進行處理的方法,分別繪制出風向箭頭、換熱器框架、換熱管、連接管,然后組合成換熱器的實體結構。      (2)對3D圖形實現移動、旋轉、縮放等功能 為了便于從多個角度觀察實體模型以及研究每個局部的仿真結果,采用了OpenGL 技術提供的視區變換、投影變換等處理方法。通過調用視點變換函數,確定場景中換熱器實體的視點位置和方向,并通過投影變換將 3D 圖形轉化為 2D 圖形。      (3)交互式地設計換熱器管路 通過采用 OpenGL 技術提供的選擇、拾取和反饋功能,編寫相關程序,可以實現通過選擇需要連接的兩個換熱管的端頭,將二者用連接管連接起來,從而實現換熱器中的管路連接。    2.3 采用分布參數模型實現翅片管換熱器的三維仿真      由于換熱器性能的設計研究是一個融合了傳熱、傳質的復雜流動換熱過程,每個空間位置的性能參數均具有很大的差異,因此只有采用分布參數模型才能全面和準確地仿真換熱器的性能。并且由于在換熱器性能仿真中,換熱管內外兩側的傳熱性能是相互制約、相互影響的,同時各參數間又是定量耦合的,因此只有正確處理這種耦合關系,才能保證模型算法穩定性和提高仿真速度。文獻[5,6]對此有詳細的敘述,因此不在此贅述。   3 仿真系統的具體實現      以下是采用了數據庫和可視化技術后,構建的換熱器仿真系統實現的效果圖。圖4為仿真系統的參數輸入界面,在這個界面中,用戶可以通過對話框或者表格的形式錄入仿真需要的參數,如制冷劑入口狀態參數、空氣入口狀態參數、翅片類型和換熱管類型參數,圖 5 為仿真系統的仿真運算界面,仿真系統在進行運算時自動調用了仿真運算???,并將仿真運算所經歷的時間實時地顯示在界面上。圖6為仿真系統的結果顯示界面。仿真結果可以用表格或者對話框的形式形象直觀地顯示出來。                                    4 結語    本文采用數據庫和可視化技術,結合已比較成熟的換熱器仿真模型,實現了翅片管換熱器的仿真系統。該系統現已成功地應用于與日本富士通將軍公司合作開發的換熱器仿真軟件中。實踐證明,應用基于該系統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 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.
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