應(yīng)用VRML技術(shù)的脈沖爆震發(fā)動機(jī)虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)

鄭海飛， 唐 豪

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應(yīng)用VRML技術(shù)的脈沖爆震發(fā)動機(jī)虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)

鄭海飛， 唐 豪

（南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 210016）

在脈沖爆震發(fā)動機(jī)的教學(xué)科研中，迫切需要開發(fā)一個演示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行過程的虛擬實驗室系統(tǒng)。以VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)為平臺和UG三維實體建模為單元，構(gòu)建了具有交互功能的脈沖爆震發(fā)動機(jī)虛擬動態(tài)實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了脈沖爆震發(fā)動機(jī)的虛擬拆卸與裝配以及脈沖爆震發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的虛擬運行。該虛擬實驗系統(tǒng)避免了實際試驗過程的危險性和涉密性等問題，具備遠(yuǎn)程教學(xué)科研的演示功能。

計算機(jī)應(yīng)用；虛擬實驗系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實建模語言；脈沖爆震發(fā)動機(jī)；動態(tài)交互技術(shù)

大量研究表明，脈沖爆震發(fā)動機(jī)——Pulse Detonation Engine，PDE（下文均稱PDE）是本世紀(jì)非常有發(fā)展前途的一種動力裝置，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，在PDE的研究、設(shè)計、評價、審查過程中，對于各種PDE在實驗室的試驗過程、方法等需要作相關(guān)的介紹，但可能因為試驗正在進(jìn)行、研究內(nèi)容涉密、課堂教學(xué)是否便利及運行所帶來的高噪聲高污染等等原因，而無法進(jìn)行實地參觀，這就迫切需要運用計算機(jī)仿真與輔助設(shè)計來達(dá)到直觀的電腦動畫演示介紹的目的，因此建立基于VRML交互式技術(shù)的虛擬動態(tài)PDE是解決這種需求的關(guān)鍵途徑與技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實一直是計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中關(guān)注的焦點課題，而實現(xiàn)虛擬動態(tài)交互是用戶融入虛擬環(huán)境的基本要求之一。虛擬動態(tài)交互是指用戶的行為能夠?qū)崟r作用于虛擬環(huán)境。目前實現(xiàn)虛擬動態(tài)交互的首選方法主要有兩種：一用典型的程序語言（如OPENGL等）設(shè)計實現(xiàn)；二用虛擬現(xiàn)實三維立體網(wǎng)絡(luò)程序語言VRML設(shè)計實現(xiàn)。

VRML是Virtual Reality Modeling Language 即虛擬現(xiàn)實構(gòu)造語言的縮寫。VRML可以創(chuàng)建虛擬的加工機(jī)械、動力裝置等，甚至還可以創(chuàng)建出具有和瀏覽者的交互性更接近于現(xiàn)實世界的虛擬空間。

本文基于UG的三維實體設(shè)計與VRML語言相結(jié)合的技術(shù)手段，進(jìn)行PDE的虛擬動態(tài)交互式技術(shù)研究，以達(dá)到對PDE的結(jié)構(gòu)、零部件及工作過程的虛擬動態(tài)交互式技術(shù)的研究目的。

1 脈沖爆震發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理[3]

1.1 脈沖爆震發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)

吸氣式PDE主要由以下部件組成：進(jìn)氣道、燃料及氧化劑供給系統(tǒng)、預(yù)混段、起爆器、爆震室、尾噴管等。由進(jìn)氣道輸送來的來流與來自燃料供給系統(tǒng)的燃料在混合段混合，再進(jìn)入爆震室，經(jīng)點火起爆產(chǎn)生爆震波，燃燒產(chǎn)物通過噴管排出產(chǎn)生推力。

1.2 脈沖爆震發(fā)動機(jī)的工作原理

圖1為PDE的基本工作過程，它由以下幾個過程組成：

（1）掃氣過程

當(dāng)上一個循環(huán)完成后，燃燒室內(nèi)仍殘存部分燃?xì)?，如果直接沖入可燃混氣，有可能被這部分燃?xì)恻c燃，這就無法實施爆震燃燒過程，所以在沖入新鮮空氣前必須進(jìn)行掃氣，即沖入新空氣將爆震管中殘存的燃?xì)馀懦觥?/p>

（2）可燃混合物填充過程

對于氣體燃料，燃料與空氣的混合是進(jìn)氣過程的關(guān)鍵，而對于液體燃料來說，燃料迅速物化、蒸發(fā)、摻混是產(chǎn)生爆震燃燒的關(guān)鍵。

（3）爆震波的觸發(fā)

當(dāng)新鮮混氣充滿爆震管時，進(jìn)氣閥關(guān)閉，同時點火器點火以觸發(fā)爆震波。

（4）爆震波的起爆、形成及其傳播過程

被點著的可燃混合氣體開始以爆燃形式燃燒，待從封閉端反射回來的一系列壓縮波趕上向管口端傳播的壓縮波后，經(jīng)不斷地加強(qiáng)從而形成穩(wěn)定的C-J爆震波。

（5）膨脹與排氣過程

當(dāng)爆震波傳出爆震管時，管口處產(chǎn)生了一系列的反射膨脹波，反射膨脹波向管內(nèi)傳播，同時燃?xì)獗慌懦芡?。?dāng)全部膨脹波傳播得到推力壁上后，排氣過程結(jié)束，至此PDE完成了一個完整的工作周期。

圖1 PDE的工作原理圖

本文的虛擬動態(tài)交互式技術(shù)研究是以小尺寸氣動閥PDE為研究對象，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 PDE的結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)PDE的結(jié)構(gòu)和工作原理，對PDE的結(jié)構(gòu)、零部件和工作過程進(jìn)行虛擬動態(tài)交互式技術(shù)研究。其中，PDE運行情況的模擬較為復(fù)雜，是本文研究的重點和難點。

2 脈沖爆震發(fā)動機(jī)的虛擬動態(tài)交互式技術(shù)研究

2.1 研究總體框架

2.1.1 UG特點

Unigraphics NX軟件(UG)是集CAD/CAE/ CAM于一體的三維參數(shù)化設(shè)計軟件。UG可將三維實體模型導(dǎo)出格式為.WRL的VRML文件，進(jìn)而在VRML2.0編輯器中對模型進(jìn)行交互式虛擬動態(tài)研究。

2.1.2 VRML特點

VRML技術(shù)在虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)上具有以下一些特點：

（1）整個瀏覽過程由用戶控制，而不是由計算機(jī)來控制；

（2）VRML提供的技術(shù)能夠把三維、二維、文本和多媒體集成為統(tǒng)一的整體；

（3）VRML支持腳本語言，可以產(chǎn)生一種全新的交互式應(yīng)用；

（4）VRML支持外部編程接口(EAI)；

（5）VRML使用的是實時3D著色引擎。

2.1.3 總體框架

基于以上兩款軟件的特點，本文研究的具體流程及框圖（圖3）如下所示：

圖3 虛擬PDE的交互式技術(shù)研究流程圖

（1）根據(jù)PDE的實際幾何尺寸，在UG中建立三維模型。

（2）將在UG中創(chuàng)建的PDE三維模型導(dǎo)出.WRL文件，并在VRML編輯器中得到VRML三維實體代碼，并分析代碼。

（3）根據(jù)生成的PDE三維實體代碼進(jìn)行VRML交互式編程。即包括各運動節(jié)點的設(shè)計、三大功能模塊（零件的拆卸、零件的裝配、PDE的運行）控制器的設(shè)計、控制器腳本（Scrpit節(jié)點）的設(shè)計。

（4）進(jìn)行虛擬PDE的交互式操控。

2.2 研究技術(shù)方法

2.2.1 UG三維實體建模

以UG為平臺創(chuàng)建三維實體。

（1）首先通過建模、創(chuàng)建平面、拉伸、求和、求差等操作，建立起PDE各個零部件的零件圖。

（2）然后通過裝配功能把已創(chuàng)建的零件圖組裝成裝配圖。

通過UG建模得到PDE三維實體模型，比在VRML編輯器內(nèi)創(chuàng)建三維模型要更方便，生成的三維模型效果更好。

2.2.2 虛擬現(xiàn)實語言建模

首先在虛擬試驗室中設(shè)計三個控制按鈕，即DISASSEMBLE、ASSEMBLE、RUN，以實現(xiàn)虛擬PDE的三個交互式功能。三個控制按鈕設(shè)計好之后，運用Script腳本語言對各個零件的運動情況進(jìn)行設(shè)計：設(shè)計其運動的先后順序，時間長度等等。圖4即為虛擬現(xiàn)實語言建模的總體框架。

圖4 虛擬現(xiàn)實語言建模的總體框架圖

3 交互式虛擬PDE關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 模塊控制按鍵的虛擬現(xiàn)實語言建模研究

3.1.1 控制按鍵實體的虛擬現(xiàn)實語言建模研究

控制按鍵的設(shè)計是進(jìn)行交互式操作的關(guān)鍵。圖5中的三個深色按鍵即為虛擬實驗室中的PDE控制按鍵。

圖5 虛擬實驗室中PDE的控制按鍵圖

以DISASSEMBLE（拆卸功能模塊）的控制按鍵為例。

首先，要創(chuàng)建按鍵的實體。本文應(yīng)用Text節(jié)點，此節(jié)點用于在虛擬世界中創(chuàng)建文本。在Text節(jié)點定義中包含frontStyle域和string域。frontStyle域存放一個FrontStyle節(jié)點，用來控制文本的形式和放置方式。string域保存被渲染的文本字符串。string域是一個MFString域，這意味著它可以有多個字符串，每一個串在自己所在的行里進(jìn)行渲染。每兩行之間的間距缺省設(shè)置為字符的高度，它可以用FrontStyle節(jié)點來改變。

DISASSEMBLE模塊控制按鍵的功能可描述為：當(dāng)鼠標(biāo)點擊按鍵時，PDE的各個零部件便開始按拆卸路徑進(jìn)行運動，而且伴隨著拆卸時環(huán)境音樂的播放。因此，此按鍵傳出的了兩個命令——零件開始按既定路徑運動的命令和環(huán)境音樂播放命令。這就需要用到Group節(jié)點，在Group節(jié)點內(nèi)創(chuàng)建鼠標(biāo)點擊的TouchSensor節(jié)點（）、按鍵的文本節(jié)點、環(huán)境聲音節(jié)點Sound。控制按鍵的具體程序如下所示：

Group{

children [

DEF touch1 TouchSensor {}

DEF MySwitch1 Switch {

whichChoice 0

choice [

DEF Body__1 Transform {……

children [ ……

geometry Text

{ string [ " DESTRUCTION "]

fontStyle FontStyle {size 40

spacing 5

}

}

DEF Body__11 Transform {……

children [ ……

geometry Box {size 270 40 1}

]

}

]

}

]

}

Sound {…… }

]

ROUTE touch1.touchTime TO bad.startTime

}

3.1.2 控制按鍵腳本的虛擬現(xiàn)實語言建模研究

為了實現(xiàn)控制按鍵的控制功能，本文采用scritp腳本語言進(jìn)行操控。在控制按鍵的實體建模程序塊中，運用Switch節(jié)點，其定義為：

Switch{

exposedField MFNode choice []

exposedField SFInt32 whichChoice -1

}

whichChoice的缺省值為 -1。這個值指示不應(yīng)當(dāng)選擇任何子節(jié)點。在一個場景中隱藏或顯示一個對象的簡單方法是讓Swich具有單個choice，然后將whichChoice改為-1隱藏對象，改為0則顯示對象。如果choice域中多個子節(jié)點，便按遞增順序選擇它們，并用0作為whichChoice的開始值。使用Swich節(jié)點是用于Scritp腳本中事件的輸出與輸入，并選擇對象。DISASSEMBLE按鍵的Scritp腳本程序如下所示：

DEF A_Script Script

{ eventIn SFBool Process1

field SFNode node_V1 USE MySwitch1

field SFNode node_touch1 USE touch1

field SFNode node_touch2 USE touch2

url "vrmlscript:

function Process(value)

{ if(value==false)

{ if(node_V1.whichChoise==0)

{node_touch1.enabled=true;

node_touch2.enabled=false;

}

}

} "

}

當(dāng)鼠標(biāo)點擊DISASSEMBLE按鍵時，node_V1.whichChoise==0，TouchSensor節(jié)點的touch1.enabled值為true，進(jìn)而輸出開始時間給TS1.startTime，拆卸功能便可實現(xiàn)。

3.2 零部件拆卸模塊的虛擬現(xiàn)實語言建模研究

通過對UG導(dǎo)出的VRML程序代碼的閱讀及分析，掌握各個零件的編碼是設(shè)計零部件拆卸路徑的關(guān)鍵。

在設(shè)計路徑前，必須要設(shè)計一個TimeSensor節(jié)點，相當(dāng)于一個時間閥，當(dāng)事件傳送過來時就開啟時間閥startTime。其程序代碼為：

DEF TS1 TimeSensor

{ cycleInterval 200

stopTime 1

loop FALSE

}

其中規(guī)定了時間長度以及非循環(huán)性。之后，便開始定義路徑，本文用的是PositionInterpolator插值器節(jié)點。PositionInterpolator插值器節(jié)點中的key稱為關(guān)鍵碼，存放每個時間點。key Value稱為關(guān)鍵值，用于存放空間點。以爆震管為例，它的路徑代碼為：

DEF P28 PositionInterpolator

{ key [0 ,0.76,0.765,1]

keyValue [

1402.516418 250.032287 129.155578,

1402.516418 250.032287 129.155578,

1620.516418 250.032287 129.155578,

1620.516418 250.032287 129.155578 ]

}

接下來就要對路徑事件的輸入與輸出進(jìn)行編程，其代碼為（以爆震管為例）：

ROUTE touch1.isActive TO

A_Script.Process1

ROUTE touch1.touchTime TO

TS1.startTime

ROUTE TS1.fraction_changed TO

P28.set_fraction

ROUTE P28.value_changed TO

Body__29956.set_translation

當(dāng)鼠標(biāo)點擊DESTRUCTION（拆卸功能模塊）按鍵時，touch1.isActive輸出其值false，傳遞給A_Script.Process1，A_Script腳本中的touch1值true傳遞給時間閥，便開始啟動PositionInterpolator插值器節(jié)點中的路徑變化，進(jìn)而使得爆管按照既定路線運動。由此，可以設(shè)計出其他零部件的運動路徑。圖6為拆卸過程中的爆震管。

圖6 爆震管的拆卸過程模擬圖

注：1——爆震管；2——繞流器；3——法蘭；4——點火段；5——進(jìn)氣道。

3.3 零部件裝配模塊的虛擬現(xiàn)實語言建模研究

在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，設(shè)計零部件裝配模塊時就十分的方便了。在這里仍然以爆震管為例，再其裝配路徑中仍然運用到了PositionInterpolator插值器節(jié)點。

另外，應(yīng)該再設(shè)計一個與該功能對應(yīng)的TimeSensor節(jié)點，之后便是對路徑事件的輸入與輸出進(jìn)行編程。需要提出的是，應(yīng)該另外設(shè)計一個關(guān)于ASSEMBLAGE（裝配功能模塊）的script腳本節(jié)點。其具體的原理與拆卸模塊中的相似，這里就不再贅述。

3.4 脈沖爆震發(fā)動機(jī)運行模塊的虛擬現(xiàn)實語言建模研究

PDE的虛擬運行模塊是較為復(fù)雜的模塊，因為要設(shè)計出流體的效果，如火焰以及混氣點火后經(jīng)繞流片形成的爆震波等。本文采用的方法是利用實體建模，生成火焰、爆震波的三維模型，然后賦予其實際特征紋理。這一模塊是本文的重點難點，更是本文的創(chuàng)新點。

為了在PDE運行時火焰能夠顯現(xiàn)出來，所以要在這一模塊繼續(xù)使用Swich節(jié)點。在choice內(nèi)創(chuàng)造火焰等其他實體，它們的whichChoice代碼從1開始（0是按鍵的代碼）。因此，與此功能相應(yīng)的script腳本也有所不同。其程序代碼為：

DEF C_Script Script {

eventIn SFTime switchTime

eventOut SFInt32 whichChoice

url "vrmlscript:

function switchTime()

{ if(whichChoice= =0)

whichChoice=1;

else whichChoice=0; } "

}

當(dāng)鼠標(biāo)點擊RUN（運行模塊）時，whichChoice= =0，這時便讓whichChoice=1，然后，火焰、爆震波等實體便開始顯現(xiàn)出來。圖7為其效果圖。

圖7 虛擬PDE的運行工況模擬圖

注：1——進(jìn)氣道輸入空氣與燃料；2——點火器中引燃混合氣體；3——爆震波；4——火焰噴射。

從圖7中可以看到，火焰在隨時間變化，因為這里采用了CoordinateInterpolator節(jié)點，其與PositionInterpolator節(jié)點類似，設(shè)計好要變換的模型中的定義點之后，進(jìn)行事件輸入輸出即得到火焰隨時間變化。

另外，本文應(yīng)用ScalarInterpolator 節(jié)點，可使爆震管的透明度隨時間而變化，這樣PDE運行時便能看見爆震管內(nèi)部情況。其節(jié)點定義與CoordinateInterpolator等節(jié)點類似。運用ScalarInterpolator節(jié)點使實體透明度變化，需要在實體的材料定義處做如下處理：

appearance Appearance {

materialMaterial {……}

}

下劃線處是爆震管的編號。接下來，進(jìn)行事件的輸入輸出編程。其代碼為：

ROUTE touch3.touchTime TO TS3.startTime

ROUTE TS3.fraction_changed TO inter1.set_fraction

ROUTE inter1.value_changed TO baoguan1.set_transparency ……

通過以上研究與設(shè)計，虛擬PDE的運行功能便可實現(xiàn)。運用虛擬動態(tài)交互式技術(shù)很好的模擬出了實際PDE的裝配過程以及工作運行過程。

4 總結(jié)與展望

（1）通過建模編程研究，得到了完整的虛擬PDE，并闡述了PDE虛擬動態(tài)交互式操控各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了三大功能——零部件的拆卸(DISASSEMBLE)、零部件的裝配(ASSEMBLE)、PDE的運行(RUN)，從而解決了上文提出的工程難題。

（2）通過建模仿真研究，體現(xiàn)出VRML技術(shù)在虛擬實驗室設(shè)計方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢。利用VRML技術(shù)實現(xiàn)PDE的虛擬動態(tài)交互式操控是可行的，可以很好的模擬出實驗中的PDE。對PDE的虛擬動態(tài)仿真有著很高的參考價值與廣泛的應(yīng)用前景。

（3）本文所設(shè)計的虛擬PDE實現(xiàn)了在虛擬實驗室中的交互式操控，在以后的發(fā)展與應(yīng)用過程中，可將VRML交互式技術(shù)與其他數(shù)值模擬仿真技術(shù)相結(jié)合，以建立一個更加接近實際情況的虛擬實驗室。

[1] 吳 蘭, 羅如為, 陳孝威. 基于VRML與3DSMAX的虛擬動態(tài)交互技術(shù)研究[J]. 計算機(jī)仿真, 2007, 24(1): 213.

[2] 陽化冰, 劉忠麗, 劉忠軒, 等. 虛擬現(xiàn)實構(gòu)造語言VRML[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2000. 1-2.

[3] 嚴(yán)傳俊, 范 偉, 等. 脈沖爆震發(fā)動機(jī)原理及關(guān)鍵技術(shù)[M]. 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2004. 56, 78-79.

[4] 馮 偉. 用UG構(gòu)建《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》課程用三維模型庫的研究[J]. 內(nèi)江科技, 2009, (4): 175.

[5]MENG X X, LIU W W, XU Y N. Real-time collaborative design system for product assembly over the internet [J]. Information Technology for Balanced Manufacturing Systems, 2006, 220: 253-260.

Development of a Virtual Lab System for Pulse Detonation Engine by VRML Technology

ZHENG Hai-fei, TANG Hao

( Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing Jiangsu 210016, China )

The development of a virtual lab system for pulse detonation engine to demonstrate its structure and operation process is urgently needed in the teaching and scientific research. The interactive virtual dynamic experiment system is developed based on the VRML technology and 3D models designed by UG, to realize the virtual assembly and disassembly and virtual operation. This system solves the deficiencies of being risky and confidential in the actual test procedures and has the demonstration functions of remote education and scientific research.

computer application; virtual lab; VRML; pulse detonation engine; dynamic interactive technique

TP 391.9

A

1003-0158(2011)04-0057-06

2010-01-26

國家自然科學(xué)基金資助項目（NSFC50776045）

鄭海飛（1986-），男，河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向為燃燒與傳熱、VRML虛擬現(xiàn)實交互式技術(shù)。