基于网络的流体力学实验室关键技术研究

论文摘要

本文分析流体力学主要实验装置的特点,总结出了流体力学实验装置和实验条件的共同特点,探讨了流体力学实验装置的实验信息采控平台,建立了由远程实验和虚拟实验组成的系统结构,并对远程实验的软件结构中涉及到的关键技术进行了研究。研制了用于流体力学实验装置的远程实验室控制器,并进行了远程实验控制器的主要性能实验。提出基于机器视觉的液柱式压力计读数方法,并通过实验研究证明该方法是有效可行的。同时将远程实验技术在风洞实验和空气流动特性实验等其它流体力学实验中得以应用。最后研究虚拟实验室的关键技术,分析虚拟实验数学模型的建立、虚拟实验室的建构模型、虚拟仪器的三维形体几何模型研究及虚拟实验室的交互性,并开发了部分流体力学虚拟实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 详细摘要
• Detailed Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 传统实验
• 1.1.2 远程教育
• 1.1.3 基于网络的实验
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 虚拟实验室的发展
• 1.2.2 远程实验室的发展
• 1.2.3 流体力学虚拟实验室的发展
• 1.2.4 流体力学远程实验室的发展
• 1.2.5 基于网络的实验室成功实例
• 1.3 本课题研究基础
• 1.4 本课题研究内容
• 1.4.1 研究问题的提出
• 1.4.2 本论文研究内容
• 1.4.3 研究意义
• 1.5 小结
• 2 流体力学实验系统结构及其网络化机制研究
• 2.1 流体力学主要实验
• 2.1.1 风洞实验
• 2.1.2 空气流动特性实验
• 2.1.3 伯努利方程实验
• 2.1.4 雷诺实验
• 2.2 实验装置的共性分析
• 2.2.1 实验装置的特点
• 2.2.2 实验条件
• 2.2.3 被控对象的共同特点
• 2.3 流体力学实验信息采控平台的提出
• 2.3.1 实验信息采控平台的总体组成
• 2.3.2 实验信息采控平台的功能
• 2.4 流体力学实验的系统结构
• 2.4.1 程实验基本功能的确定
• 2.4.2 远程实验的硬件结构
• 2.4.3 远程实验的软件结构
• 2.4.4 远程实验流程的确定
• 2.4.5 虚拟实验的作用
• 2.5 远程实验的网络化机制研究
• 2.5.1 客户机/服务器模式中WinSock数据通信
• 2.5.2 客户端程序机制及实现
• 2.5.3 实验服务器程序机制及实现
• 2.5.4 PC控制器的程序机制及实现
• 2.5.5 远程实时视频/监视技术的实现
• 2.6 小结
• 3 实验信息控制——远程实验控制器的研究
• 3.1 被控对象的控制原理
• 3.1.1 实验信息控制系统的组成
• 3.1.2 开关的控制原理
• 3.1.3 步进电机的控制原理
• 3.1.4 系统控制原理的应用扩展
• 3.2 远程实验控制器系统方案
• 3.2.1 远程实验控制器的技术指标及功能要求
• 3.2.2 控制系统的构成及控制原理
• 3.2.3 电机的选用
• 3.2.4 步进电机运动控制器
• 3.2.5 步进电机的过程控制
• 3.3 远程实验控制器的功能测试
• 3.3.1 测试平台
• 3.3.2 起停功能实验
• 3.3.3 驱动方向实验
• 3.3.4 开关量控制检测
• 3.3.5 控制系统的定位误差分析及实验结果的重复性检测
• 3.4 小结
• 4 实验信息采集——机器视觉的液柱式压力计读数
• 4.1 基于机器视觉的液柱式压力计读数方案
• 4.1.1 机器视觉读数与人工读数比较
• 4.1.2 人工读数过程及方法
• 4.1.3 基于机器视觉的读数方案
• 4.2 固定视点的压力计成像模型及修正
• 4.2.1 压力计的视觉成像模型
• 4.2.2 视觉成像模型的修正
• 4.3 基于背景差分及数学形态学的图像处理
• 4.3.1 背景差分图像
• 4.3.2 测压管水头图像分割方法
• 4.3.3 测压管水头图像的形态学滤波
• 4.4 图像边缘检测
• 4.4.1 边缘检测算子
• 4.4.2 边缘检测结果分析
• 4.5 水头值的提取算法
• 4.5.1 水头图像投影
• 4.5.2 理想水头图像的区域定位
• 4.5.3 水头边界的匹配
• 4.5.4 实际水头图像的区域定位
• 4.5.5 水头值的计算
• 4.6 实验研究
• 4.6.1 机器视觉系统的性能测试实验
• 4.6.2 重复性及正确性实验
• 4.7 小结
• 5 远程实验技术在流体力学实验中的应用
• 5.1 在风洞实验中的应用
• 5.1.1 机翼实验模型
• 5.1.2 实验原理
• 5.1.3 原实验方式
• 5.1.4 风洞实验信息采集控制
• 5.1.5 远程实验控制器的应用及实验重复性检测
• 5.1.6 机器视觉的应用及与人工读数比较
• 5.1.7 客户端及视频技术的应用
• 5.1.8 实验服务器的应用
• 5.1.9 PC控制器的应用
• 5.1.10 风洞实验子模块
• 5.2 在空气流动特性实验中的应用
• 5.2.1 空气圆管流动特性实验原理
• 5.2.2 空气喷嘴射流特性实验原理
• 5.2.3 孔板流量计实验原理
• 5.2.4 空气流动特性实验信息采集控制
• 5.2.5 远程空气流动特性实验
• 5.3 在伯努利方程实验装置中的应用探讨
• 5.4 在雷诺数实验装置中的应用探讨
• 5.5 小结
• 6 流体力学虚拟实验及其三维模型研究
• 6.1 虚拟实验室的建构模型
• 6.1.1 建构模型实例
• 6.1.2 流体力学虚拟实验室的建构模型
• 6.2 虚拟实验室的建立方法
• 6.2.1 机翼虚拟风洞实验室
• 6.2.2 物块风洞虚拟实验室
• 6.2.3 虚拟实验室的建立方法
• 6.3 基于OPENGL的流体实验系统三维建模研究
• 6.3.1 功能
• 6.3.2 函数库
• 6.3.3 工作结构
• 6.3.4 工作流程及操作步骤
• 6.3.5 图形变换
• 6.3.6 使用Python结合OpenGL创建三维模型
• 6.4 三维形体的几何建模
• 6.4.1 三维形体的表示方法
• 6.4.2 几何模型建立
• 6.5 真实感及虚拟漫游的实现
• 6.5.1 光照模型
• 6.5.2 纹理映射
• 6.5.3 动画的实现
• 6.5.4 漫游实现
• 6.6 虚拟实验室的交互性
• 6.7 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 主要结论
• 7.1.2 创新点
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A 物块阻力系数
• 附录B 流体力学虚拟实验室
• 致谢
• 作者简介
• 在学期间参加的科研项目
• 在学期间发表的学术论文