CN116306360A - 数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染方法，属于航空发动机数值仿真和可视化技术领域，其特征在于至少含有数据输入模块、三维结构模型渲染与驱动模块、气动热力流场渲染模块。为实现逼真度高、沉浸感强的航空发动机三维气动热力流场实时渲染模拟功能，本发明提出了一种数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染系统，数据输入模块将读取的航空发动机运行数据实时给至三维结构模型渲染与驱动模块进行结构渲染和运动效果仿真，同时给至气动热力流场渲染模块，通过插值计算实现三维气动热力温度场、压力场的实时映射和模拟，通过同步调整可调几何机构运动和粒子系统运动边界实现气流流场随可调几何机构运动实时改变的效果。

Description

数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染系统

技术领域

本发明属于航空发动机数值仿真和可视化技术领域，涉及一种数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染方法。

背景技术

目前，航空发动机虚拟现实仿真技术主要在动画展示、结构演示等方面，在航空发动机气动热力流场渲染显示方面受限于计算量大、实时性差等问题，相关研究和应用较少。具体而言，在目前的航空发动机三维视景仿真功能方面，美国普惠公司采用VR技术，结合动画演示和零部件展示，用于航空发动机培训的三维结构讲解和运转机理演示，法国ESI公司发布的IC.IDO软件产品结合三维立体显示设备，可进行航空发动机三维结构立体展示和运动学仿真分析，另外国内一些研究单位开发了航空发动机工作原理演示动画，均局限于单独的结构展示功能或动画演示功能，在气动热力流场渲染显示方面研究工作较少，主要原因在于流场渲染需要大量数据输入，数据的计算量和耗时较大，难以实现实时的交互需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染方法，以实现航空发动机气动热力流场的模拟仿真效果。

数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染系统，其特征在于至少含有数据输入模块、三维结构模型渲染与驱动模块、气动热力流场渲染模块；其中：

所述数据输入模块用于实现外部数据连接接口，其通过数据通信或信号采集或文件读取的方式，按照等时间间隔给出数据解算结果，根据约定协议解算航空发动机状态运行数据，至少包含航空发动机转子转速、可调几何机构偏转角或位移量、截面温度、截面压力、点火状态数据，给至所述三维结构模型渲染与驱动模块和所述气动热力流场渲染模块；

所述三维结构模型渲染与驱动模块用于实现航空发动机三维结构模型实时加载和优化处理、纹理渲染、可调几何机构驱动功能，其首先根据仿真任务加载航空发动机三维结构模型，并进行模型优化处理，以减小渲染任务量；然后根据视场需要对航空发动机三维结构模型进行纹理渲染；之后，根据所述数据输入模块解算的航空发动机转子转速信号驱动航空发动机三维结构模型的转子部件按照转子转速大小进行等比例转动，根据所述数据输入模块解算的航空发动机可调几何机构偏转角或位移量信号驱动航空发动机三维结构模型的可调几何机构按照相应偏转角或位移量大小进行偏转或移动，并将航空发动机三维结构模型中可调几何机构运动后的几何信息给至所述气动热力流场渲染模块；

所述气动热力流场渲染模块用于实现航空发动机三维气动热力流场的实时模拟功能，其首先根据三维结构模型信息对三维气动热力流场进行坐标对齐，将各截面位置与航空发动机三维结构模型进行对应；然后在三维结构模型中模拟三维气动热力流场分布，具体实现方案为：采用粒子系统技术模拟航空发动机气体流动情况，通过产生大量运动的小型粒子模拟流体运动，利用粒子颜色变化模拟三维气动热力流场的温度场分布情况，根据所述数据输入模块解算的航空发动机截面温度信号计算各截面对应的颜色值，然后利用插值方法计算航空发动机三维流道中其余位置的气动热力流场颜色值，利用粒子透明度变化模拟三维气动热力流场的压力场分布情况，根据所述数据输入模块解算的航空发动机截面压力信号计算各截面对应的透明度值，然后利用插值方法计算航空发动机三维流道中其余位置的气动热力流场透明度值，根据所述数据输入模块解算的航空发动机点火状态信号渲染燃烧室火焰燃烧状态和形状；同时，根据航空发动机三维结构模型中可调几何机构运动后的几何信息实时调整粒子系统运动的边界，实现三维气动热力流场分布跟随航空发动机可调几何机构运动进行变化的效果，即根据航空发动机可调几何机构偏转角或位移量实时调整相应可调几何机构周围气动热力流场的方向和几何边界。

本发明采用以上技术方案即可实现航空发动机三维气动热力流场的实时模拟功能，利用数据输入模块实时给出航空发动机各截面运行数据，然后利用坐标映射和对齐、插值计算、粒子系统运动效果模拟、流动边界控制等方式模拟气动热力流场运动效果。与三维气动热力流场采用大量数值计算获取三维流场数据不同，本发明采用几个截面气动热力流场数据进行插值拟合的方法计算整个航空发动机三维流道的气动流场数据，实现气动热力流场模拟效果，可有效减小数据计算量，便于实现实时仿真效果，在实现气动流场数据与三维结构模型融合的同时，增加了数字化呈现效果。

附图说明

图1：本发明三维视景实时渲染系统方案框图。

图2：某型涡扇发动机截面定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。

本实施例以某型变循环涡扇发动机为例进行介绍(截面定义示意如图2所示)，包含数据输入模块、三维结构模型渲染与驱动模块、气动热力流场渲染模块。

数据输入模块用来接收航空发动机气动热力仿真数据，可通过数据通信、AD板卡采集或数据文件读取的方式实现，此处为了方便采用以太网UDP通信方式实现，通信周期为若干毫秒一帧，每个通信数据帧中包含的数据有航空发动机高压转子转速、低压转子转速、压气机静子导叶偏转角、模式选择阀门开度、A8喉道调节机构控制量、推力矢量偏转机构俯仰角控制量和偏航角控制量、各截面温度(Tt2、Tt2.5、Tt3、Tt4、Tt5、Tt6、Tt8、Tt9)、各截面压力(Pt2、Pt2.5、Pt3、Pt4、Pt5、Pt6、Pt8、Pt9)、主燃烧室点火状态和燃烧状态数据、加力燃烧室各区工作状态和燃烧状态数据，根据约定协议解算航空发动机各状态运行数据后给至三维结构模型渲染与驱动模块和气动热力流场渲染模块；

三维结构模型渲染与驱动模块用于实现航空发动机三维结构模型相关的处理工作，包括实时加载和优化处理、纹理渲染、可调几何机构驱动等内容，首先根据三维结构模型的格式选择合适的加载驱动程序将其加载至三维仿真视景中，并根据仿真任务需要进行模型优化处理，减小后续模型处理和渲染计算量；然后对航空发动机三维结构模型进行纹理渲染，可采用金属材质贴图渲染和光照调节设置等方式，保证航空发动机视觉逼真度；之后，根据航空发动机高、低压转子转速信号驱动航空发动机三维结构模型的转子部件按照转子转速大小进行等效转动，根据航空发动机压气机静子导叶偏转角、模式选择阀门开度、A8喉道调节机构控制量、推力矢量偏转机构俯仰角控制量和偏航角控制量等信号驱动相应可调几何机构运动，模拟航空发动机运行过程中的调节控制作用；

气动热力流场渲染模块用于实现航空发动机三维气动热力流场的实时渲染效果，首先根据三维结构模型信息对三维气动热力流场进行坐标对齐，将各截面位置与航空发动机三维结构模型进行对应；然后进行三维气动热力流场模拟仿真，具体实现方案为：采用粒子系统技术通过产生大量粒子运动效果模拟航空发动机气体流动情况，利用颜色变化模拟三维气动热力流场的温度场分布情况，建立温度值与粒子颜色的映射表，根据航空发动机截面温度信号(Tt2、Tt2.5、Tt3、Tt4、Tt5、Tt6、Tt8、Tt9)计算各截面对应的颜色值，然后利用相邻两个截面的温度值，采用线性插值法计算航空发动机三维流道中两个截面之间其余位置的气动热力流场颜色值；利用透明度变化模拟三维气动热力流场的压力场分布情况，根据航空发动机截面压力信号(Pt2、Pt2.5、Pt3、Pt4、Pt5、Pt6、Pt8、Pt9)计算各截面对应的透明度值，然后利用相邻两个截面的压力值，采用线性插值法计算航空发动机三维流道中两个截面之间其余位置的气动热力流场透明度值，根据航空发动机点火状态信号(主燃烧室点火状态和燃烧状态数据、加力燃烧室各区工作状态和燃烧状态数据)分别渲染主燃烧室和加力燃烧室火焰燃烧状态和形状；同时，根据航空发动机三维结构模型的可调几何机构的运动情况实时调整粒子系统运动的边界，实现三维气动热力流场分布跟随航空发动机可调几何机构运动进行变化的效果，即根据航空发动机可调几何机构偏转角或位移量实时调整响应可调几何机构周围气动热力流场的方向和几何边界，如根据推力矢量偏转机构俯仰偏转和偏航偏转调整粒子运动的方向，实现喷口尾焰随矢量喷管偏转而偏移的效果。

通过以上步骤即可实现数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染系统。以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明方法的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染系统，其特征在于至少含有数据输入模块、三维结构模型渲染与驱动模块、气动热力流场渲染模块；其中：

所述数据输入模块用于实现外部数据连接接口，其通过数据通信或信号采集或文件读取的方式，按照等时间间隔给出数据解算结果，根据约定协议解算航空发动机状态运行数据，至少包含航空发动机转子转速、可调几何机构偏转角或位移量、截面温度、截面压力、点火状态数据，给至所述三维结构模型渲染与驱动模块和所述气动热力流场渲染模块；

所述三维结构模型渲染与驱动模块用于实现航空发动机三维结构模型实时加载和优化处理、纹理渲染、可调几何机构驱动功能，其首先根据仿真任务加载航空发动机三维结构模型，并进行模型优化处理，以减小渲染任务量；然后根据视场需要对航空发动机三维结构模型进行纹理渲染；之后，根据所述数据输入模块解算的航空发动机转子转速信号驱动航空发动机三维结构模型的转子部件按照转子转速大小进行等比例转动，根据所述数据输入模块解算的航空发动机可调几何机构偏转角或位移量信号驱动航空发动机三维结构模型的可调几何机构按照相应偏转角或位移量大小进行偏转或移动，并将航空发动机三维结构模型中可调几何机构运动后的几何信息给至所述气动热力流场渲染模块；

所述气动热力流场渲染模块用于实现航空发动机三维气动热力流场的实时模拟功能，其首先根据三维结构模型信息对三维气动热力流场进行坐标对齐，将各截面位置与航空发动机三维结构模型进行对应；然后在三维结构模型中模拟三维气动热力流场分布，具体实现方案为：采用粒子系统技术模拟航空发动机气体流动情况，通过产生大量运动的小型粒子模拟流体运动，利用粒子颜色变化模拟三维气动热力流场的温度场分布情况，根据所述数据输入模块解算的航空发动机截面温度信号计算各截面对应的颜色值，然后利用插值方法计算航空发动机三维流道中其余位置的气动热力流场颜色值，利用粒子透明度变化模拟三维气动热力流场的压力场分布情况，根据所述数据输入模块解算的航空发动机截面压力信号计算各截面对应的透明度值，然后利用插值方法计算航空发动机三维流道中其余位置的气动热力流场透明度值，根据所述数据输入模块解算的航空发动机点火状态信号渲染燃烧室火焰燃烧状态和形状；同时，根据航空发动机三维结构模型中可调几何机构运动后的几何信息实时调整粒子系统运动的边界，实现三维气动热力流场分布跟随航空发动机可调几何机构运动进行变化的效果，即根据航空发动机可调几何机构偏转角或位移量实时调整相应可调几何机构周围气动热力流场的方向和几何边界。

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