内燃机燃烧的可视化建模及其在WD615柴油机数字样机中的实现

论文摘要

近年来，数字样机技术已经成为产品开发的一种主要方法，它以计算机仿真模型为基础，为相关产品建立合适的数字化模型。本文通过研究内燃机场景中，液体燃料从喷油到雾化到燃烧的一系列物理过程，结合了计算机图形学领域对不规则物体真实感模型的相关研究，分别为以上物理过程建立起相关的数学模型。粒子系统以及细胞自动机模型是描述不规则物体的有效手段，本文将粒子系统以及细胞自动机应用到那内燃机场景中，并在WD615内燃机的数字样机环境中实现了喷油、雾化以及燃烧的可视化效果。第一章概述了当前数字样机技术的发展趋向，提出了在数字样机中建立可视化模型的现实意义。同时对计算机图形学中对不规则物体的描述方法进行了研究，比较了通过研究物质运动规律建立数据模型和通过预运算建立伪随机效果的区别，并以粒子系统和细胞自动机为例概述了通过建立数据模型对不规则物体进行描述的建模方法。最后给出了全文的研究方向以及结构组织。第二章描述了内燃机的喷油效果，并对喷油过程的物理模型进行数学建模。通过应用粒子系统对油雾粒子的物理运动模型进行描述，定义了粒子系统中粒子的特征属性以及运动规律，同时结合喷油装置的参数定义场景的喷油周期以及每次的喷油量。同时阐述了在场景实现中使用的的基于广告板技术的纹理映射方法。第三章描述燃料粒子在点燃以前受热蒸发并且与空气混合的雾化效果。通过建立场景中随机产生的扰动效果与雾化现象之间的关系，定义了液体燃料蒸气及其相邻粒子之间的相互作用规律。利用细胞自动机建立了与场景对应的细胞空间，同时基于粒子相互作用的机制建立细胞自动机的演化规律，并对雾化过程的扩散趋向性的可视化实现了控制。最后阐述了如何通过应用元球的思想实现了粒子密度的可视化连续分布。第四章根据内燃机气缸中的燃烧过程的物理模型，描述了火焰传播的方式以及气缸中燃烧模型的分类。基于气缸内粒子数量守恒同时体积不断变化的特点，提出了变体积的细胞自动机模型。变体积的细胞自动机模型根据体积的变化需要，进行细胞空间的重新划分，并且在细胞空间重新划分以后对新老细胞进行状态的转移。最后根据火焰传播模型建立该细胞自动机的转换规则，实现了燃烧效果的可视化模型。第五章实现了将内燃机喷油、雾化以及燃烧现象的相关数据模型以及可视化效果集成到WD615数字样机环境中。将通过OpenGL函数实现的喷油、雾化以及燃烧等不规则的视觉效果嵌入到基于WTK(WorldToolKit)开发的数字样机场景中去，为该场景提供了可视化的研究模型。第六章中对全文研究内容进行了总结并对今后的技术发展方向进行展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有关燃烧过程可视化效果的研究现状
• 1.2.1 对不规则物体的描述方法
• 1.2.2 粒子系统的建模方法概述
• 1.2.3 细胞自动机的建模方法概述
• 1.2.4 内燃机燃烧模型的研究现状
• 1.3 本文的研究内容以及结构
• 1.3.1 论文研究的主要内容
• 1.3.2 论文的框架结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 内燃机中的喷油效果及其粒子系统实现
• 2.1 引言
• 2.2 喷油过程的描述模型
• 2.2.1 喷油的物理过程
• 2.2.2 喷油过程的特征参数
• 2.3 喷油过程的粒子系统可视化模型
• 2.3.1 描述不规则物体的粒子系统结构
• 2.3.2 喷油系统的油雾粒子模型
• 2.3.3 油雾粒子的生命周期
• 2.3.4 油雾粒子的诞生与消亡
• 2.4 喷油场景中的粒子渲染
• 2.4.1 粒子系统中的纹理映射
• 2.4.2 基于广告牌技术的空间映射方法
• 2.4.3 喷油渲染效果
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于细胞自动机的液体燃料雾化可视化实现
• 3.1 引言
• 3.2 液体燃料雾化的物理模型
• 3.2.1 液体燃料的预蒸发
• 3.2.2 液体粒子雾化的物理过程
• 3.3 液体燃料雾化效果的可视化建模
• 3.3.1 细胞自动机的模型表达
• 3.3.2 基于雾化效果的细胞自动机模型
• 3.3.3 场景雾化演变的转换规则
• 3.3.4 雾化过程可视化的扩散趋向控制
• 3.4 场景中雾化效果的实现
• 3.4.1 渲染中粒子系统对细胞状态二元分布的补充
• 3.4.2 利用元球实现连续分布
• 3.5 本章小结
• 第四章 内燃机中变体积燃烧效果的建模与实现
• 4.1 引言
• 4.2 内燃机中的燃烧模型
• 4.2.1 火焰的传播方式
• 4.2.2 气缸环境中的燃烧模型
• 4.2.3 描述场景燃烧效果的数学模型
• 4.3 气缸场景的细胞自动机的变体积实现
• 4.3.1 变体积的细胞自动机
• 4.3.2 内燃机场景中变体积细胞自动机的数据模型
• 4.3.3 细胞空间变化后的细胞状态转移
• 4.4 燃烧效果的转换规则以及效果实现
• 4.4.1 细胞自动机的转换规则
• 4.4.2 燃烧效果的实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 内燃机数字样机中的燃烧效果可视化实现
• 5.1 引言
• 5.2 数字样机的可视化场景
• 5.2.1 可视化场景的开发平台
• 5.2.2 可视化场景的系统界面
• 5.3 数字样机场景中的可视化实例
• 5.3.1 WD615数字样机的数据参数
• 5.3.2 喷油效果的可视化实例
• 5.3.3 雾化效果的可视化实例
• 5.3.4 燃烧效果的可视化实例
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢