航空發(fā)動機試車過程數(shù)據(jù)可視化方法研究

賈鑫磊

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 試車數(shù)據(jù)與發(fā)動機3D數(shù)字化模型融合的實時數(shù)據(jù)可視化方案

對于測試數(shù)據(jù)和三維數(shù)字模型而言，其具體的可視化方案為：在仿真場景模塊按照接收數(shù)據(jù)管理中心的真實數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠按照數(shù)據(jù)的差異進行預處理，顯示模塊由數(shù)據(jù)驅(qū)動，運用OSG三維場景進行演示。如，通過運用速度驅(qū)動三維模型進行旋轉(zhuǎn)，并隨著數(shù)據(jù)值的增加逐漸加速，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)，并以恒定的速度移動。加上參數(shù)的變化，三維模型將生成云圖和噴火效果等。除此之外，操作者也能夠按照實際要求對模型進行運作，進一步確保測試數(shù)據(jù)與發(fā)動機模型的有機整合[1]。

為確保其能夠順利運行，根據(jù)多次試驗表明，可以運用二叉空間分割、多分辨率表達式、等方法來減少數(shù)據(jù)的處理量，進而使處理速度不斷加快。針對標量場的可視化，一般運用動態(tài)生成云圖和曲線的方法。矢量場的可視化使用插值算法以及粒子動態(tài)控制來完成相應的操作，然而張量場使用的是一些動態(tài)方法。

2 試車數(shù)據(jù)可視化關(guān)鍵技術(shù)分析

整個方案主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)：測試參數(shù)驅(qū)動發(fā)動機的運動，發(fā)動機部件顏色以及云圖的顯示，數(shù)據(jù)和模型的重新操作，現(xiàn)將這些關(guān)鍵技術(shù)進行相應的闡述：

2.1 試車數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)動機的運動

因為航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)比較復雜，在保證模型正確性的基礎上，根據(jù)需要對其進行了簡化。簡化為五個功能部件:進氣道、壓縮機，燃燒室，渦輪和尾氣噴管。

通過使用有效的軟件進而設計相應的模型，還應該制作一些有效的視頻及動畫文件。眾所周知，動畫是對自然現(xiàn)象的一種模擬，動畫主要包括所有具體視覺效果的變化[2]。如果每秒幀數(shù)過多，動畫中的視圖會變化過快，導致時間失真。視頻以每秒30幀的速度播放，電影通常有24幀的長度，足以產(chǎn)生合適的動畫效果。物體從靜止到運動再到靜止有類似的規(guī)則:一開始緩慢平穩(wěn)，運動中速度快，運動停止時的速度慢，在幀數(shù)上表現(xiàn)為：框架從靜止到運動的數(shù)量逐漸減少，從運動到靜止的數(shù)量逐漸增加。中間運動過程速度最快，幀數(shù)最少。在航空發(fā)動機動畫設計中，根據(jù)航空發(fā)動機的特點設計關(guān)鍵幀和中間幀[3]。

2.2 試車數(shù)據(jù)與3D模型融合的數(shù)據(jù)場實時顯示

按照實時傳輸?shù)臏y試數(shù)據(jù)，將溫度場、壓力場等數(shù)據(jù)場與3Z模型集成，將數(shù)字以及顏色展現(xiàn)在測試屏幕上。圖1是航空發(fā)動機的溫度和壓力曲線。

按照溫度、壓力的有關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)動機試車時的狀態(tài)也會發(fā)生相應的變化。集成了實時測試數(shù)據(jù)和3Z模型，使測試過程更加科學、合理。

2.3 參數(shù)驅(qū)動的試車過程特效生成

對于參數(shù)驅(qū)動試驗而言，其往往具有一定的特殊效應，因此通常表現(xiàn)在發(fā)動機的噴火過程中。這個過程一般是按照溫度的具體變化而產(chǎn)生的是溫度場視覺效果的結(jié)果。然而，溫度場的可視化主要是數(shù)據(jù)的有效處理、映射、繪圖和顯示四個步驟來實現(xiàn)的，下面詳細描述了三個步驟。

圖1 航空發(fā)動機溫度、壓力曲線

2.3.1 數(shù)據(jù)預處理

這一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源主要是外部的一些仿真數(shù)據(jù)，一般是根據(jù)子系統(tǒng)模型進而對數(shù)據(jù)進行精確的計算，從而有效完成數(shù)據(jù)的傳輸作用，確保相關(guān)程序的穩(wěn)定運行。

2.3.2 數(shù)據(jù)映射

按照分系統(tǒng)模型計算得到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中可以得到溫度場實驗的完整溫度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠給相關(guān)人士帶來一定的參考價值。除此之外，由于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)仍然是分散的，為確保映射、繪制和顯示的及時性與有效性，一定要把離散的數(shù)據(jù)進行有效的整合，進而形成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)?？紤]到用戶的直觀操作，系統(tǒng)采用類似于實際渦輪溫度場的圓形規(guī)則網(wǎng)格。

2.3.3 繪制與顯示

顯示的任務主要由MFC提供的Cview類的成員函數(shù)進行自動完成，對于開發(fā)人員而言，其首要的任務就是控制背景和屏幕的刷新。邏輯并不復雜，但繪圖和顯示的可視化過程是最耗費時間，特別是對于噴霧粒子的質(zhì)量系統(tǒng)而言，因為粒子以及溫度都是不確定的，要想擁有良好的視覺效果，就應該對它的軌道進行有效的規(guī)范，除此之外，根據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的變化其顏色是一個循序漸進的過程。

3 結(jié)語

本文提出一種可視化方案的航空發(fā)動機，和發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)提出了三維數(shù)字模型實時可視化的集成方法，包括測試數(shù)據(jù)的運動參數(shù)引擎，引擎部分云圖像顯示，發(fā)動機在燃燒的過程中生成的一些特效、另外對數(shù)據(jù)以及模型的再次操作。最后，溫度場的變化和實時數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，能夠?qū)梢暬瘮?shù)據(jù)進行有效的分析，此外還能驗證該方法的效率和可用性，提高測試效率，并獲得更好的培訓效果，工程應用和推廣價值較高。在接下來的研究過程中，將進一步細化數(shù)據(jù)可視化在虛擬現(xiàn)實中的應用。