案例分享 | MultiViz助力国防科技大学虚拟风洞仿真实验建设

MRLi 2019-11-27 1074


           

近日,国防科技大学主导的《虚拟风洞仿真实验》教学项目,已进入公众评测阶段。本项目采用虚拟现实技术构建可交互的虚拟风洞仿真实验场景,包括低速风洞翼型测压实验、常规高超声速风洞双椭球测压实验和数值风洞流场认知实验三个模块。学生可以在探索和交互中学习风洞设计原理和真实风洞基本操作流程,身临其境的观察风洞内部、翼型、三角翼、双椭球等典型流动特征,从而加深对气动现象的理解,巩固空气动力学系列课程的教学效果。
               

项目背景
               

风洞是新型飞行器的孵化器,也是空气动力学教学的重要实验设备,通过风洞学生可以观察、了解典型流动现象,树立正确的流场认知,小型风洞、水洞等演示实验已在实际教学活动中得到广泛应用。但传统实验教学仍存在以下问题:一、实体风洞成本高、高校建设数量少,难以保障所有学生的实际操作;二、风洞实验设备操作、模型制作、传感器安装等对操作者要求很高,某些风洞设备涉及高压电、高压气罐、高温气体等,实验风险大,因此高校的常规教学中学生难以完成风洞的全流程实验操作,通常以参观和演示实验为主。因此有必要建设虚拟风洞试验场景,高效直观地传授风洞基本知识和操作流程;三、空气动力学等课程中涉及的大量基本原理和典型流动现象,依靠PPT等多媒体方式难以讲授清楚。因此有必要将VR等先进的信息技术引入课堂,让学生身临其境的探索流动现象,自己观察总结流动原理,充分调动学生的主观能动性,激发学习兴趣。                

解决方案
               

针对传统风洞教学中学生无法全过程操作风洞的困难和常规数值模拟流场分析的局限,可以通过虚拟现实与数值模拟相结合的方式,以虚拟现实技术构建可操作的虚拟风洞仿真实验场景,供学生了解风洞的关键部件,掌握风洞实验的操作步骤和测量方法。由数值模拟提供丰富的流场数据,学生可在虚拟场景中抓取CFD数据,进行旋转、移动、缩放操作,全方位观察流动数据,分析探索流动机理。                

如图1所示为北京朗迪锋科技有限公司为建立虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台而提出的解决方案。此解决方案以MultiViz和MakeReal3D为核心,集成流体CFD、结构FEM、热、三维CAD、三维场景以及交互编程的文本等多学科数据,通过鼠标键盘、显示器、VR头盔、沉浸式立体显示系统等设备进行可视化交互。                


               

解决方案结构图                

(1)多领域通用工程数据可视化分析工具MultiViz                
MultiViz是一款多领域通用工程数据可视化分析工具,针对大规模的CAE数据、实验数据和测量数据进行可视化分析,以直观形象的方式帮助客户更准确的理解数据,快速做出设计决策。可广泛的应用于航空航天、汽车、核、能源等工业领域。                
在产品研发过程中,用户使用MultiViz可以迅速的建立起可视化环境,利用定量或者定性的手段去分析数据。利用它的脚本处理能力可以快速的进行结果的交互和批量处理。处理后的工程数据还可以导出到虚拟现实环境中进行呈现。MultiViz软件的主要功能包括:                
  • 多学科数据导入                        

  • CAE大模型导入                        

  • 等值线等值面                        

  • 流线、流管                        

  • 切片、切块                        

  • 矢量图                        

  • 体渲染                        

  • 脚本功能                        

  • 数据查询                        

  • 动画                        

               

多领域多学科可视化分析结果图                

2)工业产品全生命周期虚拟现实仿真平台MakeReal3D                
MakeReal3D专注于虚拟现实仿真技术在产品设计、制造、营销、使用、维护等生命周期各环节的应用与开发,从而帮助工业客户提高工作效率及产品体验。                

MakeReal3D中导入MultiViz处理后的工程数据然后再加入真实的CAD模型和三维场景,便可以实现各种不同数据的融合。                

                       
                       
3 不同数据(CAD、CAE、材质、场景等)融合效果图                
MakeReal3D软件在本方案中涉及的功能主要包括                
  • 多学科CAE后处理结果导入                        
  • CAD模型导入                        
  • 模型材质添加                        
  • 三维场景添加                        
  • 动静态CAE数据显示与交互                        
  • 探针查询CAE数据                        
  • 各种交互逻辑                        
  • 发布独立可执行文件                        
(3)VR显示与交互系统                

VR显示与交互系统一般指的是头盔、手柄、CAVECADWallHoloSpace、PowerWall、Led立体拼墙等,通过MakeReal3D软件可以实现和VR显示与交互系统的连接,从而实现在VR环境下CAE数据的显示和交互。                

                           
图4 系统级硬件平台
                           
                           

图5 桌面级硬件平台                                

案例展示

本项目采用虚拟现实技术,构建可操作的虚拟风洞仿真实验场景,包括低速风洞翼型测压实验、常规高超声速风洞双椭球测压实验和数值风洞流场认知实验三个模块,其实验目的分别为:                
(1)低速风洞翼型测压实验                

通过构建低速风洞模型和仿真实验模块,可开展低速翼型表面压强分布的测量实验,帮助学生掌握低速风洞实验操作基本流程,认识低速风洞关键部件和设计原理,加深对翼型表面压力分布气动原理的理解。

6 低速风洞实验场景                

(2)常规高超风洞双椭球测压实验                
通过构建高超风洞模型和仿真实验模块,可开展高超声速双椭球表面压强分布的测量实验,帮助学生掌握高超声速风洞实验操作基本流程,认识高超风洞关键部件和设计原理,加深对高超声速再入类外形表面压力分布气动原理的理解。                


               

7 高速风洞实验场景                
(3)数值风洞流场认知实验                
通过低速圆柱绕流、翼型绕流、三角翼分离流、超声速混合层和高超声速双椭球流动等典型流动计算流体力学(CFD)仿真结果3D展示,帮助学生在流动现象观察中理解雷诺数和流体粘性对圆柱绕流流场的影响,理解迎角和马赫数等因素对翼型流场的影响,理解三角翼涡破裂现象,理解超声速混合层从层流、转捩到湍流的发展过程等。                


               

8 数值风洞流场认知实验场景                
下面是完整的虚拟风洞实验操作演示视频:               

项目建设的先进性

本项目的先进性体现在技术和课件两个方面:                

(1)技术先进性包含三点:虚拟现实、互联网、云桌面。构造的虚拟现实场景可以支持异地多人同时进入实验,借助将要普及的5G技术,完全可以实现流畅的异地协同实验。教师角色进入场景后可以观看到所有学生的操作并能进行语音指导,辅导效率大大提高。云桌面中计算和渲染任务都由服务器完成,学生不用配置昂贵的计算机就可以体验虚拟现实实验,降低教学成本。                

(2)课件的先进性体现在充分利用CFD技术,模拟了大量的典型流动现象。借助先进的后处理技术将这些流动特征提取并嵌入虚拟现实场景中,为学生营造自由探索的学习空间。                

项目的创新性
               

(1)教学方法创新                
引入虚拟现实技术,将复杂的流动现象直观地展示在学生面前,加深其对流动现象的认知,巩固所学的理论知识。通过对风洞及测量设备的建模仿真,使学生身临其境地模拟实际风洞的实验操作流程,有效弥补传统风洞实验教学环节中学生难以独立完整进行实验操作的不足,提高学习趣味性和启发性,调动学生的学习和思考热情。                
利用互联网的便捷性,激发学生自主学习的能动性,突破了实验教学在时间和空间上的限制,使学生能够按需规划自己的实验学习进度。                
(2)评价体系创新                
引入实验过程评价。传统的实验教学只能通过考试和实验报告来评价,而在虚拟实验中,学生的每一步操作步骤都可以记录评估,因此可以评价学生的操作流程,这对常规高超风洞等对操作规程有严格要求的实验至关重要               

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