手機平臺摩擦阻力系數(shù)計算軟件的開發(fā)

盧向華 ,芮勝軍 ,梁坤峰

(1.洛陽理工學(xué)院計算機與信息工程系,河南洛陽 471023;2.河南科技大學(xué)車輛與動力工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

在管路輸送的工程設(shè)計計算中,求管內(nèi)流體的能量損失是一項非常重要的計算內(nèi)容。根據(jù)流體接觸的邊壁沿程變化情況,通常將能量損失分為沿程阻力損失和局部阻力損失[1-3],沿程阻力的求解常用達(dá)西方程[3-4],其求解的關(guān)鍵是摩擦阻力系數(shù) λ的求取[5],λ的計算過程繁瑣復(fù)雜,用公式計算困難且易出錯。因此,在工程實際中,設(shè)計人員往往通過查莫迪圖得到摩擦阻力系數(shù) λ,這種方法雖然比較簡單,但在工程施工現(xiàn)場攜帶和使用莫迪圖很不方便。目前手機的使用已經(jīng)非常普遍而且攜帶方便,基于Java技術(shù)的手機處理能力越來越強,存儲容量越來越大,操作也越來越便利,在手機上開發(fā) Jave應(yīng)用程序來擴展手機的功能,成為手機發(fā)展的一種新趨勢,從而手機也成為移動計算的首選。鑒于這種情況,本文利用J2ME技術(shù)開發(fā)了一個可以在支持CLDC1.1和CLDC2.0 API的手機上運行的摩擦阻力系數(shù)計算軟件,工程設(shè)計人員在施工現(xiàn)場利用隨身攜帶的手機就可以快速準(zhǔn)確地計算摩擦阻力系數(shù),大大提高工作效率。

1 J2ME技術(shù)架構(gòu)

J2ME是SUN公司專門為小型的消費類電子設(shè)備(如手機、PDA、電視機頂盒等)而設(shè)計的JAVA2平臺,是目前使用比較多的基于移動設(shè)備的開發(fā)技術(shù),可以應(yīng)用到移動電話、個人數(shù)字助理、網(wǎng)絡(luò) IP電話、機頂盒以及車載導(dǎo)航等系統(tǒng)中[6]。J2ME技術(shù)核心由一個Java虛擬機及一套適合運行在上述設(shè)備環(huán)境上的API構(gòu)成,包括配置、簡表和可選包3種類型的規(guī)范[7]。配置是為較窄范圍的設(shè)備提供的基本類庫(一組低級的API,代表Java至少必須提供的低級功能)和虛擬機,到目前為止,J2ME有兩種配置:面向小型移動設(shè)備的CLDC和面向運行能力較強的移動設(shè)備的CDC。簡表針對各種不同機器的特性定義了高級的API,通過簡表可以定義J2ME所對應(yīng)的Java平臺,就移動設(shè)備而言,MIDP是使用最廣泛的簡表,是基于CLDC的目前最流行的Java運行環(huán)境。MIDP構(gòu)架于CLDC之上,它擴充了CLDC APIs,為移動設(shè)備提供應(yīng)用程序生命周期管理、圖形界面、持久性存儲、網(wǎng)絡(luò)連接、安全等方面的 APIs。按照MIDP規(guī)范開發(fā)的J2ME應(yīng)用程序叫MIDlet,在MIDlet生命周期中有3種可能的存在狀態(tài):運行狀態(tài)、暫停狀態(tài)、銷毀狀態(tài)。目前在手機上應(yīng)用比較廣泛的是MIDP2.0和CLDC1.1兩項規(guī)范。可選包是一些本身具有獨立價值的API,用來進(jìn)一步擴充功能,如藍(lán)牙、無線消息、3D圖形等功能。

用于J2ME程序的開發(fā)工具為J2MEWireless Toolkit(即J2ME WTK),它是Sun公司提供的一個用于創(chuàng)建MIDP應(yīng)用程序的工具集,是源代碼的編譯和運行的集成開發(fā)環(huán)境。

2 乘冪函數(shù)與對數(shù)函數(shù)設(shè)計編程

由于CLDC精簡掉了J2SE類庫中與微型設(shè)備無關(guān)的類,因此它只提供了有限的數(shù)學(xué)計算函數(shù)。開發(fā)摩擦阻力系數(shù)計算程序,需編寫自然對數(shù)函數(shù)[8]和乘冪函數(shù)[8-9]。

表1和表2是自編函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的對照,從表1和表2中可以看出:ln(x)函數(shù)和pow(a,b)函數(shù)的計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間的最大誤差分別在 10-15和 10-9內(nèi),從而保證了摩擦阻力系數(shù)計算的準(zhǔn)確性。

表1 ln(x)函數(shù)的計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

表2 pow(a,b)函數(shù)的計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

3 摩擦阻力系數(shù)計算設(shè)計編程

通過對用戶需求及計算所采用的相關(guān)公式[10-12]的分析,計算摩擦阻力系數(shù) λ,首先需要求得雷諾數(shù)Re。而雷諾數(shù)Re不僅和流速u有關(guān),還和圓管直徑d、流體的運動粘滯系數(shù)v有關(guān),v由流體的溫度t決定。通常情況下,大都是已知管徑d、流體溫度t及流量u(或流速)等參數(shù)求得雷諾數(shù) Re,再根據(jù)其他相關(guān)參數(shù)及公式計算摩擦阻力系數(shù) λ。

本軟件設(shè)計包括輸入、輸出界面的搭建和實現(xiàn)計算功能的算法設(shè)計。輸入界面用于接收用戶輸入的參數(shù)并進(jìn)行計算,輸出界面用于顯示計算的結(jié)果,還可以通過按鈕返回到輸入界面修改或重新輸入?yún)?shù)繼續(xù)計算,算法設(shè)計的關(guān)鍵在于運用迭代算法計算摩擦阻力系數(shù) λ。使用本軟件只需要輸入管道材料及直徑、流體溫度及流量,選擇流體類型,就可以快速、準(zhǔn)確地計算出摩擦阻力系數(shù)。

根據(jù)上述對該軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計,本文采用CLDC1.1配置和MIDP2.0簡表,在Eclipse可視化開發(fā)環(huán)境中具體編程實現(xiàn)了該軟件。采用WTK2.5.2模擬器運行,輸入和輸出界面分別如圖1和圖2所示。

4 計算實例及誤差分析

本文針對實際工程應(yīng)用中的常見情況,設(shè)計了多組數(shù)據(jù)在諾基亞 2700c型手機進(jìn)行測試,并將計算結(jié)果與傳統(tǒng)查莫迪圖法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。表3中僅列出了采用文獻(xiàn)[3-4]和文獻(xiàn)[12]中的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試的部分結(jié)果。

通過比較可以看出:使用本軟件計算出的摩擦阻力系數(shù)與通過查莫迪圖得到的數(shù)據(jù)吻合。由于移動平臺本身的原因,在其上進(jìn)行浮點運算會導(dǎo)致一些誤差,但是該誤差在工程誤差范圍內(nèi),因此,本軟件能夠滿足工程計算的精度要求。

表3 計算結(jié)果準(zhǔn)確性對照表

5 結(jié)束語

本文利用J2ME技術(shù)開發(fā)了基于手機平臺的摩擦阻力系數(shù)計算軟件并進(jìn)行測試,結(jié)果表明:該軟件運行速度快,所得數(shù)據(jù)精度高,而且操作簡單,使用靈活,可以方便工程人員在工程現(xiàn)場快速、準(zhǔn)確地計算出摩擦阻力系數(shù)。該軟件為工程人員提供了一個計算摩擦阻力系數(shù)的新途徑,可以省去攜帶和查找紙質(zhì)資料的麻煩,在實際工程施工現(xiàn)場,可以隨時隨地利用隨身攜帶的手機進(jìn)行數(shù)據(jù)計算,大大提高計算效率和準(zhǔn)確率。由于手機攜帶方便,使用廣泛,基于手機平臺的摩擦阻力系數(shù)計算軟件具有較好的應(yīng)用效果和使用價值。

[1] 曹北平,葉楓.用Excel修正流體阻力摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式的探討[J].計算機與應(yīng)用化學(xué),2008,25(8):1024-1026.

[2] 周傳輝,翁維安.流體阻力系數(shù)的計算方法[J].制冷與空調(diào),2004(3):35-36.

[3] 歸柯庭,汪軍,王秋穎.工程流體力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[4] 趙孝保,周欣.工程流體力學(xué)[M].2版.南京:東南大學(xué)出版社,2008.

[5] 葉楓,曹北平.流體阻力摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式的比較與改進(jìn)[J].廣州化工,2009,37(2):12-15.

[6] 萬輝,王軍.基于Eclipse環(huán)境的J2ME應(yīng)用程序的開發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版,2009.

[7] 唐自仰,劉瑾,張克君.基于J2ME/Servlet的手機聊天系統(tǒng)[J].計算機工程,2009,35(10):262-264.

[8] 同濟大學(xué)數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué):下冊[M].北京:高等教育出版社,1996.

[9] 王中偉.基于J2ME手機的工程測量軟件中的乘冪算法[J].測繪工程,2009,18(1):32-33.

[10] White,Frank M.Fluid Mechanics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.

[11] 曹北平.流體阻力摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式演變的探討[J].廣州化工,2009,37(4):28-31.

[12] 周謨?nèi)?流體力學(xué)泵與風(fēng)機[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1985.