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面向对象的可视化翅片管换热器自建模仿真系统的总体框架

  在制冷空调的部件设计中,除了合理的选择压缩机以及其它辅助设备外,很大程度上取决于两器(蒸发器和冷凝器)的设计,也就是说,两器的合理设计是空调器设计中非常重要的一环。而对两器的设计又主要集中在制冷剂流路的合理设计、翅片形式和换热管形式的选取。传统的设计方法是对样机进行反复测试,这样不仅设计进度缓慢,难以达到节能、节材的效果;同时造成开发周期过长、开发费用投入巨大,难以使企业跟随市场需求。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。
  随着热质交换理论的不断完善以及试验研究的进一步深入,如今的计算机仿真计算正逐步向着实用化方向迈进,但也同时提出了更加严峻的研究课题,如:以往的换热器仿真研究较多采用面向过程的编程方法,只重视模型的精度和稳定性,而对软件的实用化以及软件的后期维护等研究甚少。这种作法已经不适合现今大规模程序模块化设计的需要,无法给用户直观地提供研究对象的特性,同时在软件的维护和升级上也造成巨大的困难。这些问题的提出,就要求计算机仿真软件不仅要在模型的选择和仿真精度上满足用户的要求,能仿真优化;丁国良(1966-),男,博导,研究方向为制冷空调装置的仿真优化。
  更要提供给用户一个友好的、易用的,便于维护的实用化软件。国外在此方面也有应用,如carrier和Domanski等,但主要集中两维尺度的研究,对实际换热器的三维特性描述还没有涉及。
  为了从根本上解决上述问题,给系统的高效开发提供技术上的保证,本软件采用面向对象技术和可视化技术相结合的方法,在面向对象编程技术的基础上,通过集成OpenGL可视化技术来实现翅片管换热器的三维可视化设计过程。在满足软件可靠性的同时,提供给用户一个友好的、易用的、以及便于维护的仿真平台。
  1换热器仿真软件总体框架1.1仿真软件的应用要求换热器仿真与优化软件的开发,无论从设计还是从研究的角度出发,均需要建立在对换热器对象性能充分了解的基础上。就翅片管换热器的设计来说,主要存在以下四个特点:换热器设计的复杂性:其不仅体现在换热器结构形式的不规则性、强化翅片以及强化换热管种类的多样性,更突出地表现在换热器流路设计的任意性。作为一个设计软件,在建模的形式上就高度强调其模型的普适性,这给建模带来了很大的困难。
  换热器的分布参数特性:由于换热器性能的设计研究是一个融合了传热、传质的复杂流动换热过程,每个空间位置的性能参数均具有很大的差异,这导致对其的研究,只系统仿真学报能采用分布参数的观点。
  3)换热器设计参数的强耦合性:由于在换热器性能仿真中,换热管内外两侧的传热性能是相互制约、相互影响的,同时各参数间又是定量耦合的。只有正确这种耦合关系,才能保证模型算法稳定性和提高仿真速度。
  4)用户设计过程的交互性:换热器流路设计是一个创造性的开发过程,也是换热器设计的重要环节。如:换热分路数的确定、制冷剂入口的确定、以及流路中布管方式的确定等一系列问题均体现了设计过程的创造性。因此只有交互性的实现,才能方便、简洁地体现用户设计思路。
  针对以上设计特点,本文在VisualC++开发环境下,采用面向对象的编程技术和OpenGLAPI相结合的方法进行换热器软件的开发;并引入换热器分布参数模型,以及流体网络和快速物性方法,使本软件不仅具有良好的可扩展性和可操作性,而且保证了算法的稳定性和软件计算的快速性。
  以下介绍换热器仿真软件的主要功能:1)能够对不同规格的室内外换热器特性进行仿真。
  如:一般室内机采用的I型换热器,室外机采用的L型换热器,以及在大型集中空调中采用的C型等不同形式换热器的换热特性进行预测。除了对单体换热器性能的仿真外,还可以对多联换热器的性能进行预测,如大型空调室外机中采用的V型换热器的性能预测等。
  2)能够根据实际换热器运行工况、换热管连接方式,自动判别换热器流路布置的通断情况、以及计算换热管内外制冷剂、空气的换热及压降特性,同时实现对制冷剂流量在流体网络中的自动分配。
  3)提供了三种不同的换热器性能分析策略,能够从不同角度分析换热器中各支路可能存在的各种不均衡现象。
  如:分析换热器换热过程中出现的换热不均衡、各支路制冷剂压降不均衡、以及空气流速分布的不均匀性等现象对换热器性能的影响。
  4)能够对热泵空调中的换热器性能进行预测,实现对制冷剂流向的自动转换功能。使设计人员能够容易比较换热器在制冷和制热工况下的换热性能,有利于对热泵系统性能的分析。
  5)能够在三维图形中方便地实现换热管的流路布置,并且完成对换热管流路的编辑工作;并实现对三维图形实体的拾取、旋转、移动等的操作过程。
  6)能够方便用户对换热器结果的观察和分析。具有监控换热器各点局部状态参数以及显示空间位置的功能,如:制冷剂的温度、压力、比焓等状态参数和换热管的管排号、控制容积的个数等空间位置信息。
  就目前换热器仿真而言,其关心的已不仅仅是孤立的单个热、质交换过程,而是孕育所有这些过程的实际对象,包括系统的组成,组成间的相互联系,以及系统中可能产生的各种过程与过程引起的系统状态切换。以面向对象方法中的间的相互作用设计仿真算法,并借助交互式图形化的显示技术,可以有层次地、清晰地表达各种对象之间的相互关系,反映其作用结果。
  本软件系统总体结构框架,如所示。所有相关几何结构信息以及工况信息,均采用人机界面通过OpenGL可视化技术在三维实体图形中建立,同时通过图形参数的改变实现对三维实体放大缩小、旋转、移动等几何操作的目的;而所有的三维实体构造数据以“类”的形式作为存储的数据结构,实现与换热器内核性能仿真子模块的数据交流。在此换热器软件中的类包括两大类:一种是各种换热器零件组成的独立基类(如:波纹翅片类、强化管类、制冷剂类和空气类等);另一种是在基类基础上构建的系统核心类(如:换热器类、控制容积类等);而换热器性能仿真过程的实现,则是通过各“类间的相互作用来买现的。
  人机交互界面图形数据处理换热器数据结构三维实体图形化处理三维场景转化处理实体设计交互处理系统核心类换热器基类控制容积基类系统独立基类换热器性能仿真子程序系统总体结构框架2仿真软件的关键技术支撑2.1面向对象的类抽象bookmark6本软件采用了面向对象的软件开发方法,通过把具体的翅片管换热器研究对象归纳、抽象成计算机能够操作的的基础上,采用包含、继承的方式产生其它不同的子类,以加强模型对具体对象的描述能力。
  从物理结构上看,翅片管换热器通常是由不同类型的强化翅片和换热管组合而成,并通过管内制冷剂与管外空气的热交换过程,实现换热器的换热功能。因此将整个换热器划分为以下若干相互联系的”类“,如所示。
  所示,以翅片、换热管、制冷剂、以及空气作为系统的独立基类,同时通过组合的方式生成系统仿真计算的核心类,如:换热器基类、控制容积类等。对实际换热器采用继承的方式由换热器基类派生出具有各自特点的蒸发器和冷凝器两个类。为了能够进一步研究换热器局部换热特性,我们又建立描述换热器组成”微元“的控制容积类,并根据刘建,等:面向对象的可视化翅片管换热器自建模仿真系统的总体框架其空间位置的不同,派生出边界控制容积类、中间控制容积类和连接管控制容积类。
  换热器仿真类结构关系示意。2可视化技术的运用OpenGL是一种高性能的开放式、可移植的图形数据库,并且已经成为最为广泛使用的3D图形应用接口。它是由250个命令组成,用户通过这些命令指定创建交互的3D几何对象。因此本软件通过二次开发,使其形象、逼真地显示三维、以及二维换热器实体,并且通过其灵活的交互能力,实现换热器设计中流体网络的设计过程。本软件主要运用了以下三个OpenGL可视化技术:三维实体图形化处理:为了体现换热器实体的立体感,对换热器实体模型,我们采用了不同的实体颜色、材质、光照等效果处理方法。在颜色设置上采用了RGBA模式,通过R,G3三原色的不同比率确定原物体颜色。在材质和光照上,采用环境反射、慢反射以及镜面反射相结合的光的颜色,体现实体三维实体的颜色和量度,达到三维逼真显示的效果。
  三维场景转化处理:为了便于从多个角度观察实体模型以及研究每个局部的仿真结果,我们采用了视区变换、投影变换等处理方法。通过调用视点变换函数,确定场景中换热器实体的视点位置和方向,并通过投影变换将3D图形转化为2D图形。
  实体设计交互处理:OpenGL的交互技术是通过选择、拾取和反馈操作来实现的。与通常的可视化软件相比,本软件的突出特点就在于设计过程中人机界面的交互性上。
  主要体现在两个方面:a)换热器结构数据的输入;b)换热器流体网络的设计。换热器结构数据的输入是一个相对独立的过程,屏幕图形区只对其结果做出响应。如:产生几个换热器个体,换热管在每个换热器的相对空间位置等。而换热器流体网络的设计是一个具有较强交互性的过程,它允许用户用光标操作屏幕窗口内的换热管之间的连接方式,制冷剂的流动方向等,如:流体的分合流布置、空间的相对位置等,以满足设计过程中对实体的观察及操控过程。
  2.3性能分析策略为了分析不同运行工况下,各流路工艺布置设计中,换热器中制冷剂、空气的流动换热特性的差异,本软件提供了三种不同的性能分析策略,定量地对其性能进行预测。以下为三种性能分析策略的介绍:自适应流量分配策略:自适应流量分配策略是由用户提供换热器入口的总制冷剂流量,经性能仿真子模块,对制冷剂流量进行调节和分配。这一功能的实现提供给用户一个与换热器的运行条件相同的仿真环境,便于对实际换热器性能的分析。
  定压分析策略:定压分析策略是由用户设定每一条流路制冷剂入口制冷剂压力,经性能仿真子模块,对每个制冷剂流路中的制冷剂流量进行分配和调节。这一功能的实现可以使用户分析制冷剂入口压力分布的不均匀性对换热器性能的影响,从而对换热器的设计进行改进,以保证制冷剂在每条换热路径中的流动换热达到平衡。通过调节制冷剂流经分液管的流动压降,弥补各流路流动压降的差异,减小或消除流动换热的不均匀性。
  定流量分析策略:定流量分析策略是由用户设定进入换热器中每条支路的制冷剂流量,同时指定一条流路的制冷剂入口压力作为标准压力,经性能仿真子模块,对每个制冷剂流路中的制冷剂入口压力进行调节。这一功能的实现可使用户分析制冷剂流量分配的不均匀性对换热器性能的影响,对换热器设计进行改进。
  以上三种换热器性能分析策略,可以使用户从不同的角度分析换热器中各支路流动换热现象,满足了换热器设计人员在实际设计中对设计产品性能的全面了解,对产品性能的进一步改进,提供了理论上的指导。
  3仿真软件界面介绍以下为本软件在使用OpenGL可视化编程模块后,软件界面的显示效果:换热器三维实体图的效果;为换热器结构参数输入界面,可以根据用户的需要选择换热器个数、翅片以及换热管类型等;为换热器的基本结构形式显示;为换热器仿真结果的显示图。本软件现已成功地用于日本富士通将军空调公司,与20实验数据对比显示:本模型具有良好的仿真效果,其换热量的最大误差小于5%;并且证实该软件的使用使开发时间和费用压缩至原来的1/10. b.特征创建子自动机基于层次自动机的Pro/E行为模型片断杨涛,等:基于层次自动机的应用软件行为建模5结论应用软件行为建模对于智能用户接口的实现有重要的意义,它可以显式描述该工具的当前上下文,从而使用户行为的识别更加容易。层次自动机是一种结构化的行为建模方法,可以清晰地描述系统的层次结构。它具有严格的形式化基础,同时也很容易转化为程序设计语言实现。本文给出了层次自动机的一阶谓词定义,给出了将层次自动机用于应用软件建模的方法,并以PRO/E为例说明了该方法的有效性。
  罗军舟,沈俊,顾冠群。从Petri网到形式描述技术和协议工程J.软件学报,2000,11(5):606-615.陈禹六。IDEF建模分析和设计方法。北京:清华大学出版社,1999. 4结论本文采用了面向对象的底层设计方法与OpenGL图形可视化编程相结合的方法,来实现翅片管换热器的三维可视化设计过程。在满足软件可靠性的同时,提供给用户一个友好的、易用的、以及便于维护的仿真平台。实践证明,该方法的应用能有效缩短换热器的设计周期,提高换热器设计质量。为翅片管换热器的开发提供了有效地设计工具。