CN113850031A - 融合cfd数值模拟和人机交互虚拟现实的方法和系统 - Google Patents

融合cfd数值模拟和人机交互虚拟现实的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种融合CFD数值模拟和人机交互虚拟现实系统的方法，所述方法包括以下步骤：S1.在三维建模软件中创建一个空调房间模型；S2.对房间模型进行网格划分，导入CFD软件并设定工况选取边界条件，设定数值计算方法；S3.选取CFD求解器，选取对流项离散格式，选取压力与速度耦合方式确定浮生力影响，确定收敛标准；S4.将CFD软件的求解结果导入VR软件，建立基于VR数据的虚拟现实建筑气流组织参数模型；S5.导入VR软件添加角色控制器；S6.实行人机交互，判断该数据模型是否符合预期，若不符合，执行步骤S4；若符合，则保存以上数据模型。

Description

融合CFD数值模拟和人机交互虚拟现实的方法和系统
技术领域
本发明涉及流体仿真和虚拟仿真技术领域，尤其涉及融合CFD数值模拟和人机交互虚拟现实的方法和系统。
背景技术
随着现在科学技术的不断发展，人们接触新奇事物的增加，越来越多的新鲜事物如虚拟现实技术为人们所青睐。伴随VR电影、VR游戏的普及，虚拟现实技术已经实现了从高端领域走向普通民众，作为一种可以创造和体验虚拟世界的计算机技术，使用户实时感知和操作虚拟世界中的对象，获得身临其境般的感受。因此虚拟现实技术现在越来越多地走向更多的领域，与不同的行业产生更多的化学反应。
在现代的建筑中，人们对于生活和环境的要求越来越高，越来越多的复杂的庞大的建筑应运而生。但是如果还是用以前的模型试验方法和理论分析方法来对建筑进行设计来满足现代人们对于建筑的气流场、温度场、湿度、以及空气洁净度和满意度的要求，那显然这是不够的，甚至是无法实现的，利用CFD技术来对房间进行数值模拟分析是现在工程师们设计房间的趋势。CFD软件从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力来得到流体控制方程的近似解。CFD技术在暖通空调中有非常广泛的应用，可以利用CFD进行自然通风、置换通风、高大空间、洁净室、有害污染物的散发的数值模拟以及室外空气流动的大涡模拟等等。
虽然CFD软件可以展现建筑物的气流组织模型，但是普通建筑用户却体验不到这点，不做CFD相关专业的一些用户无法直观地体会到随着空调的开启房间内的气流组织形式以及它的温度场、速度场分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种融合CFD流体仿真和VR人机交互虚拟现实系统的方法和系统，以解决如何使用户能够更加直观地观察到建筑房间内空调开启后的温度、速度场分布的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本申请提供了一种融合CFD数值模拟和人机交互虚拟现实系统的方法，所述方法包括以下步骤：
S1.在三维建模软件中创建一个空调房间模型；
S2.对房间模型进行网格划分，导入CFD软件并设定工况选取边界条件，设定数值计算方法；
S3.选取CFD求解器，选取对流项离散格式，选取压力与速度耦合方式确定浮生力影响，确定收敛标准；
S4.将CFD软件的求解结果导入VR软件，建立基于VR数据的虚拟现实建筑气流组织参数模型；
S5.导入VR软件添加角色控制器；
S6.实行人机交互，判断该数据模型是否符合预期，若不符合，执行步骤S4；若符合，则保存以上数据模型。
在一个可能的实现方式中，所述进风口的位置可以在房间选择分布，所述出风口的位置可以在房间选择分布，人物可以设定站姿或是坐姿，所述散进风口入口与竖直方向的夹角可供选择。
在一个可能的实现方式中，所述系统模拟计算的结果导入进采集计算机，所述采集计算机处理数据导入到VR虚拟头盔显示器。
在一个可能的实现方式中，所述导入VR软件添加角色控制器包括：用户根据VR虚拟头盔显示器上传输的影响判断是否需要更改模型的送风口出风角度、风速以及温度，并进行记录。
在一个可能的实现方式中，所述步骤S6包括：VR虚拟头盔显示器将需要更改的建筑物理模型数据信息通过网络立即发送给服务器；服务器通过用户的需要进行建筑物理模型数据信息更改，并通过VR虚拟头盔展示影响给用户。
另一方面，本申请提供了一种融合CFD数值模拟和VR人机交互虚拟现实的系统，所述系统设有基于三维建模软件建立的物理模型(1)，所述物理模型(1)设有房间壁面(2)，所述物理模型设有屋顶(3)，所述物理模型设有地板(4)，所述物理模型设有灯具(5)，所述物理模型设有电脑(6)，所述物理模型设有人员(7)，所述物理模型设有进风口(8)，所述物理模型设有出风口(9)，所述系统设有VR虚拟头盔显示器(10)，所述系统设有无线控制手柄(11)，所述系统通过数据线连接有采集计算机(12)，所述采集计算器通过网络连接有VR虚拟头盔显示器(13)，所述物理模型设有货架(14)，所述物理模型设有电脑桌(15)。
本发明与现有技术相比具有下列有益效果：本发明提供了一种融合CFD流体仿真和VR人机交互的虚拟现实系统，可以让用户设身处地地体验到经过科学处理计算后的空调气流组织的流动，了解到不同气流组织呈现的不同效果，更好地选取满意的送回风方式，可以与系统进行交互，高效地完成仿真体验。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明示例性实施例提供的方法流程图；
图2为本发明示例性实施例提供的下送上回式空调房间模型图；
图3为本发明示例性实施例提供的上送下回式空调房间模型图；
图4为本发明示例性实施例提供的系统结构示意图。
标号说明
1-房间模型、2-墙壁、3-屋顶、4-地面、5-灯具、6-电脑、7-人员、8-进风口、9-出风口、11-手柄、12-信息采集计算机、13-VR虚拟头盔显示器、14-货架、15-电脑桌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。
一种融合CFD流体仿真和VR人机交互的虚拟现实系统，包括：
建立房间的三维物理模型进行CFD流体仿真，然后把仿真结果导入VR环境实行人机交互；
CFD流体仿真，包括：物理模型的建立、网格划分、边界条件的设定以及CFD数值模拟计算参数的设置、求解；
物理模型的建立，选取模拟工况(冬季或者夏季)，简化模型，了解各个模型的尺寸信息例如房间、灯具、人员、电脑等，输入各个模型的长、宽、高，选取模型的模块建立模型，修改属性，设定各个模型的初始边界条件；
划分网格，编辑物体网格的优先权，保证靠墙物体比墙在产生网格的过程中拥有更高的优先权，设置网格间距，局部网格加密，生成网格，细化网格，检查网格质量；
设定边界条件，包括送风流速，送风温度，热源(w)，墙壁温度、属性；
数值计算方法，CFD数值模拟计算参数设置，房间内的流体运动属于不可压缩流体的三维湍流流动与换热，遵循动量守恒定律、能量守恒定律、质量守恒定律，基本方程为：
(1)质量守恒方程
Figure BDA0003294553560000051
式中：-------流体密度，Kg/m3；
--------时间，s；
-------笛卡尔坐标系方向；
------不同坐标系方向的速度矢量，m/s；
(2)动量守恒方程
Figure BDA0003294553560000052
P为静压，单位为pa；τij是应力张量，是有分子粘性作用产生的，通常作用在微元表面，单位为pa；Fi表示微元体在不同方向上受到的单位质量力，单位为m/s2；gi表示流体在i方向上的重力体积力，并且Fi还包含了其他的一些模型相关源项，例如多孔介质源项和自定义源项。
(3)能量守恒方程
Figure BDA0003294553560000053
在式中：T为温度，单位为℃；cp是流体比热容，单位为KJ/(Kg·℃)；k为流体的导热系数。
对流项离散格式，采用有限体积法离散控制方程，离散格式为一阶迎风格式(First Order Upwind)，计算精度设置为单精度；
压力与速度耦合方式，SIMPLE算法
浮生力影响，用Boussinesq假设，房间之中，空气的密度跟压强和温度有关，在空气的低速流动中，空气的压强变化比较小，所以引起密度变化的原因主要就是温度的变化。因此，忽略掉由于压强变化引起的密度变化，只对动量方程中的浮力项的密度取特殊值，而其他的求解方程中把密度都作为常数处理。
Figure BDA0003294553560000061
其中，ρ0表示为空气的密度(常数)，单位为kg/m3；T0表示环境温度，单位是℃；β是热膨胀系数；
收敛标准，P、ui、k、m的残差均小于10-4，T的残差小于10-6
模型选取，使用标准K-e模型模拟计算湍流流动，标准K-e模型包括湍流流动动能方程k和扩散方程e。
其中k方程为：
Figure BDA0003294553560000062
e方程为：
Figure BDA0003294553560000063
其中Gb为浮力产生的湍流动能；Gk表示层流速度梯度产生的湍流动能；YM为过渡的扩散在可压缩湍流中产生的波动；式中的C1，C2，C3都是常量，Sk和Se都是使用者自行定义的；
求解分析，导出三维模型和CFD模拟计算结果数据到VR软件，Photoshop贴图处理，对图像进行裁剪、拼接、模式调整以及其他相关处理，最后添加作为三维模型表面纹理；
虚拟场景设计，将建好的三维模型以3ds的格式导入VR场景编辑器中，通过在VR场景编辑器上对三维模型进行渲染、合并组件、灯光、天气等一系列加工，形成完整的虚拟仿真实验场景；
人机交互，用户佩戴VR头盔，通过手柄操作进入虚拟现实，通过选择不同的送风角度、送风温度、风速来观察虚拟环境中的气流组织形态，观察温度场、速度场以及空气龄，通过调节可以选择一种舒适的送风角度以及温度、风速；
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本申请的真正范围和精神由上述的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种融合CFD数值模拟和人机交互虚拟现实系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.在三维建模软件中创建一个空调房间模型；
S2.对房间模型进行网格划分，导入CFD软件并设定工况选取边界条件，设定数值计算方法；
S3.选取CFD求解器，选取对流项离散格式，选取压力与速度耦合方式确定浮生力影响，确定收敛标准；
S4.将CFD软件的求解结果导入VR软件，建立基于VR数据的虚拟现实建筑气流组织参数模型；
S5.导入VR软件添加角色控制器；
S6.实行人机交互，判断该数据模型是否符合预期，若不符合，执行步骤S4；若符合，则保存以上数据模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进风口的位置可以在房间选择分布，所述出风口的位置可以在房间选择分布，人物可以设定站姿或是坐姿，所述散进风口入口与竖直方向的夹角可供选择。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统模拟计算的结果导入进采集计算机，所述采集计算机处理数据导入到VR虚拟头盔显示器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导入VR软件添加角色控制器包括：用户根据VR虚拟头盔显示器上传输的影响判断是否需要更改模型的送风口出风角度、风速以及温度，并进行记录。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6包括：VR虚拟头盔显示器将需要更改的建筑物理模型数据信息通过网络立即发送给服务器；服务器通过用户的需要进行建筑物理模型数据信息更改，并通过VR虚拟头盔展示影响给用户。
6.一种融合CFD数值模拟和VR人机交互虚拟现实的系统，其特征在于，所述系统设有基于三维建模软件建立的物理模型(1)，所述物理模型(1)设有房间壁面(2)，所述物理模型设有屋顶(3)，所述物理模型设有地板(4)，所述物理模型设有灯具(5)，所述物理模型设有电脑(6)，所述物理模型设有人员(7)，所述物理模型设有进风口(8)，所述物理模型设有出风口(9)，所述系统设有VR虚拟头盔显示器(10)，所述系统设有无线控制手柄(11)，所述系统通过数据线连接有采集计算机(12)，所述采集计算器通过网络连接有VR虚拟头盔显示器(13)，所述物理模型设有货架(14)，所述物理模型设有电脑桌(15)。
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