CN110633528B - 基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：水体物理模型的构建与渲染，具体包括：连续流体离散化及其约束关系的建立；流体粒子运动循环的建立与流体粒子的渲染；步骤二：进水流体仿真，具体包括：太阳能热水器保热墙三维模型的简化与渲染；水流的连续生成及水流与容器的碰撞处理；步骤三：太阳能热水器的加热仿真实现，具体包括：建立集热管对水流的加热模型与流体粒子热运动模型；通过参数化控制实现不同条件下水流加热效果。本发明能够通过自定义参数控制实现不同条件下太阳能热水器的加热仿真，方便用户实施可交互操作，对相关厂商为消费者演示及宣传其相关产品具有重要意义。

Description

基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法
技术领域
本发明涉及一种虚拟仿真技术，具体涉及一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，本发明属于计算机辅助设计领域。
背景技术
虚拟仿真技术已经越来越多的用来模拟工业生产中产品的工作原理，太阳能热水器的加热仿真系统是在这个方向上的一个延伸。随着太阳能热水器在居民用房中的广泛使用，太阳能热水器的产品规格及其功效越来越复杂，消费者面多众多厂商的产品时不清楚该如何选则，为增加产品销量，相关厂商一般会使用动画演示太阳能热水器的加热情况，使消费者了解该产品的规格参数和加热性能，从而起到一定的推广作用。但动画演示只是在特定条件下的模拟，消费者仍会对该产品在不同条件的环境下加热情况产生疑问。
因此，针对动画演示太阳能热水器加热条件单一并且无法满足实施可交互性的问题，采用基于光滑粒子流体动力学原理，结合计算机辅助设计对太阳能热水器加热仿真方法进行研究具有重要的工程应用价值。本发明提出了一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真技术，通过对复杂的曲面模型预处理，计算水流粒子与自由曲面的碰撞检测，从而防止水流穿透容器，最后结合热传导定律计算粒子的热运动得到太阳能热水器的加热仿真系统，能够较为真实的模拟出多种条件下热水器的加热过程。
发明内容
本发明提出一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，能够解决现有的动画演示太阳能热水器加热条件单一且无法满足实施可交互性的问题。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于光滑流体动力学的太阳能热水器加热仿真系统，包括如下步骤：
步骤一：水体物理模型的构建与渲染；
基于光滑粒子流体动力学构建水流的物理模型，将连续流体离散为有限粒子，并对水流粒子渲染实现较为逼真的水流效果；
步骤二：进水流体仿真；
水流注入太阳能热水器保热墙的仿真包括两部分：一是保热墙三维模型的简化与渲染，使保热墙呈现半透明状，二是参数控制注水过程并检测水流与容器的碰撞及碰撞处理，防止水流穿透边界；
步骤三：太阳能热水器的加热仿真实现；
建立水流的加热模型与水流粒子的热运动模型，使水流在集热管内呈现出循环流动的效果，并对系统设置可调节参数，实现不同条件下的太阳能热水器加热仿真。
上述步骤一包括：
步骤1a：将连续的水流粒子离散为一系列粒子，粒子使用小球代替，建立水流粒子与其邻域粒子的约束关系；所述水流粒子及其邻域粒子间的约束关系是指，离散后的水流粒子会受到邻域内其他粒子的作用力约束，如压力粘力等，粒子会在这些约束条件下运动。
步骤1b：在1a的约束关系上分析水流粒子受力，记录每一时刻水流粒子的位置并更新粒子位置，建立水流粒子的运动循环迭代，并渲染水流粒子呈现出逼真的水流效果。
上述步骤二包括：
步骤2a：简化太阳能热水器保热墙的三维模型，将复杂的模型简化为便于仿真的简易模型，并将该模型渲染为半透明状；简化太阳能热水器保热墙三维模型是指，在原始保热墙模型上减少集热管数量，并简化模型精度，使用简易的圆柱体代替保热墙的水箱与集热管。
步骤2b：参数化控制水流的注入，并在2a的基础上对模型进行距离场采样，检测流体粒子是否与容器的边界碰撞，防止粒子穿透容器，模型进行距离场采样是指，通过对模型的Mesh网格预处理，得到网格的顶点与法向，通过预处理得到的数据可以计算水流粒子是否与容器边界发成碰撞。
上述步骤三包括：
步骤3a：根据厂商提供的太阳能热水器加热动画，建立合理的水流的加热模型与水流热运动模型，使水流在集热管内呈现出冷热水流上下分层流动的效果，并使用颜色插值显示不同温度的水流；
所述冷热水流上下分层流动效果是指，由于集热管内的水流受热不均匀，靠近上层加热片的水流升温快，下层的水流升温慢，产生的温度差异导致较小的密度差异，密度较大的冷水流向下运动，密度较小的热水流向上运动。
步骤3b：通过设置相关参数，如光强、入水量和目标温度等，实现不同条件下的太阳能热水器加热仿真。
本发明的有益之处在于：所述的一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法应用于厂商相关产品的虚拟仿真领域，能够实现不同条件下太阳能热水器的加热仿真，使消费者能够多方面的了解产品，起到一定的宣传作用，对提高产品销量具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明中基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真系统流程；
图3是水流粒子效果与渲染效果的示意图；
图4是太阳能热水器保热墙及其简化模型与半透明化的示意图；
图5是简易保热墙充满水流的示意图；
图6是加热过程水体温度通过颜色呈现的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，包括如下步骤：
步骤一：水体物理模型的构建与渲染；
基于光滑粒子流体动力学构建水流的物理模型，将连续流体离散为有限粒子，并对水流粒子渲染实现较为逼真的水流效果；
步骤1a：将连续的水流粒子离散为一系列粒子，粒子使用小球代替，建立水流粒子与其邻域粒子的约束关系；所述水流粒子及其邻域粒子间的约束关系是指，离散后的水流粒子会受到邻域内其他粒子的作用力约束，如压力粘力等，粒子会在这些约束条件下运动。
步骤1b：在1a的约束关系上分析水流粒子受力，更新每一时刻水流粒子的位置，建立水流粒子的运动循环迭代，并渲染水流粒子呈现出逼真的水流效果，如图3所示。
步骤二：进水流体仿真；
水流注入太阳能热水器保热墙的仿真包括两部分：一是保热墙三维模型的简化与半透明化，二是参数控制注水过程与水流与容器的碰撞检测及碰撞处理，防止水流穿透边界；
步骤2a：简化太阳能热水器保热墙模板，将复杂的模型简化为便于仿真的简易模型，并将该模型渲染为半透明状，如图4所示；简化太阳能热水器保热墙三维模型是指，在原始保热墙模型上减少集热管数量，并简化模型精度，使用简易的圆柱体代替保热墙的水箱与集热管。
步骤2b：参数化控制水流的注入，并在2a的基础上对模型进行距离场采样，检测流体粒子是否与容器的边界碰撞，防止粒子穿透容器，如图5所示。所述模型进行距离场采样是指，通过对模型的Mesh网格预处理，得到网格的顶点与法向，通过预处理得到的数据可以计算水流粒子是否与容器边界发成碰撞。
步骤三：太阳能热水器的加热仿真实现；
建立水流的加热模型与水流粒子的热运动模型，使水流在集热管内呈现出循环流动的效果，并对系统设置可调节参数，实现不同条件下的太阳能热水器加热仿真。
步骤3a：根据厂商提供的太阳能热水器加热动画，建立合理的集热管对水流的加热模型与水流热运动模型，使水流在集热管内呈现出冷热水流上下分层流动的效果，并使用颜色插值显示不同温度的水流，如图6所示；所述冷热水流上下分层流动效果是指，由于集热管内的水流受热不均匀，靠近上层加热片的水流升温快，下层的水流升温慢，产生的温度差异导致较小的密度差异，密度较大的冷水流向下运动，密度较小的热水流向上运动。
步骤3b：通过设置相关参数，如光强、入水量和目标温度等，实现不同条件下的太阳能热水器加热仿真。
本发明未进一步说明的均为现有技术。
本发明给出了一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法。首先，基于光滑粒子流体动力学将连续流体离散化为一系列粒子，并建立粒子间的约束关系，使水流粒子按照约束关系运动，并渲染粒子呈现出水流的效果；然后对保热墙简化并渲染为半透明状，对简易模型边界预处理，将水流注入保热墙中；最后建立集热管对水流的加热模型与流体粒子热运动模型，通过参数化控制实现不同条件下水流加热效果，实现太阳能热水器的加热仿真。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：水体物理模型的构建与渲染；
基于光滑粒子流体动力学构建水流的物理模型，将连续流体离散为有限粒子，并对水流粒子渲染，实现逼真的水流效果；
步骤二：进水流体仿真；
水流注入太阳能热水器保热墙的仿真包括两部分：一是保热墙三维模型的简化与渲染，使保热墙呈现半透明状，二是参数控制注水过程并检测水流与容器的碰撞及碰撞处理，防止水流穿透边界；
步骤三：太阳能热水器的加热仿真实现；
建立水流的加热模型与水流粒子的热运动模型，使水流在集热管内呈现出循环流动的效果，并对系统设置可调节参数，实现不同条件下的太阳能热水器加热仿真。
2.根据权利要求1所述的基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤1a：将连续的水流粒子离散为一系列粒子，粒子使用小球代替，建立水流粒子与其邻域粒子的约束关系；
步骤1b：在步骤1a的约束关系上分析水流粒子受力，更新每一时刻水流粒子的位置，建立水流粒子的运动循环迭代，并渲染水流粒子呈现出逼真的水流效果。
3.根据权利要求1所述的基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤2a：简化太阳能热水器保热墙的三维模型，将复杂的模型简化为便于仿真的简易模型，并将该模型渲染为半透明状；
步骤2b：参数化控制水流的注入，并在步骤2a的基础上对模型进行距离场采样，检测流体粒子是否与容器的边界碰撞，防止粒子穿透容器。
4.根据权利要求1所述的基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，所述步骤三包括：
步骤3a：根据太阳能热水器加热动画，建立水流的加热模型与水流热运动模型，使水流在集热管内呈现出冷热水流上下分层流动的效果，并使用颜色插值显示不同温度的水流；
步骤3b：通过设置相关参数，实现不同条件下的太阳能热水器加热仿真。
5.根据权利要求2所述的一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，步骤1a中，所述水流粒子及其邻域粒子间的约束关系是指，离散后的水流粒子会受到邻域内其他粒子的作用力约束，粒子在这些约束条件下运动。
6.根据权利要求3所述的一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，步骤2a中，简化太阳能热水器保热墙三维模型是指，在原始保热墙模型上减少集热管数量，并简化模型精度，使用简易的圆柱体代替保热墙的水箱与集热管。
7.根据权利要求3所述的一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，步骤2b中，所述模型进行距离场采样是指，通过对模型的Mesh网格预处理，得到网格的顶点与法向，通过预处理得到的数据可以计算水流粒子是否与容器边界发生碰撞。
8.根据权利要求4所述的一种基于光滑粒子流体动力学的太阳能热水器加热仿真方法，其特征在于，步骤3a中，所述冷热水流上下分层流动效果是指，由于集热管内的水流受热不均匀，靠近上层加热片的水流升温快，下层的水流升温慢，产生的温度差异导致密度差异小，密度大的冷水流向下运动，密度小的热水流向上运动。
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