手機平臺摩擦阻力系數計算軟件的開發

盧向華 ,芮勝軍 ,梁坤峰

(1.洛陽理工學院計算機與信息工程系,河南洛陽 471023;2.河南科技大學車輛與動力工程學院,河南洛陽 471003)

0 前言

在管路輸送的工程設計計算中,求管內流體的能量損失是一項非常重要的計算內容。根據流體接觸的邊壁沿程變化情況,通常將能量損失分為沿程阻力損失和局部阻力損失[1-3],沿程阻力的求解常用達西方程[3-4],其求解的關鍵是摩擦阻力系數 λ的求取[5],λ的計算過程繁瑣復雜,用公式計算困難且易出錯。因此,在工程實際中,設計人員往往通過查莫迪圖得到摩擦阻力系數 λ,這種方法雖然比較簡單,但在工程施工現場攜帶和使用莫迪圖很不方便。目前手機的使用已經非常普遍而且攜帶方便,基于Java技術的手機處理能力越來越強,存儲容量越來越大,操作也越來越便利,在手機上開發 Jave應用程序來擴展手機的功能,成為手機發展的一種新趨勢,從而手機也成為移動計算的首選。鑒于這種情況,本文利用J2ME技術開發了一個可以在支持CLDC1.1和CLDC2.0 API的手機上運行的摩擦阻力系數計算軟件,工程設計人員在施工現場利用隨身攜帶的手機就可以快速準確地計算摩擦阻力系數,大大提高工作效率。

1 J2ME技術架構

J2ME是SUN公司專門為小型的消費類電子設備(如手機、PDA、電視機頂盒等)而設計的JAVA2平臺,是目前使用比較多的基于移動設備的開發技術,可以應用到移動電話、個人數字助理、網絡 IP電話、機頂盒以及車載導航等系統中[6]。J2ME技術核心由一個Java虛擬機及一套適合運行在上述設備環境上的API構成,包括配置、簡表和可選包3種類型的規范[7]。配置是為較窄范圍的設備提供的基本類庫(一組低級的API,代表Java至少必須提供的低級功能)和虛擬機,到目前為止,J2ME有兩種配置:面向小型移動設備的CLDC和面向運行能力較強的移動設備的CDC。簡表針對各種不同機器的特性定義了高級的API,通過簡表可以定義J2ME所對應的Java平臺,就移動設備而言,MIDP是使用最廣泛的簡表,是基于CLDC的目前最流行的Java運行環境。MIDP構架于CLDC之上,它擴充了CLDC APIs,為移動設備提供應用程序生命周期管理、圖形界面、持久性存儲、網絡連接、安全等方面的 APIs。按照MIDP規范開發的J2ME應用程序叫MIDlet,在MIDlet生命周期中有3種可能的存在狀態:運行狀態、暫停狀態、銷毀狀態。目前在手機上應用比較廣泛的是MIDP2.0和CLDC1.1兩項規范?？蛇x包是一些本身具有獨立價值的API,用來進一步擴充功能,如藍牙、無線消息、3D圖形等功能。

用于J2ME程序的開發工具為J2MEWireless Toolkit(即J2ME WTK),它是Sun公司提供的一個用于創建MIDP應用程序的工具集,是源代碼的編譯和運行的集成開發環境。

2 乘冪函數與對數函數設計編程

由于CLDC精簡掉了J2SE類庫中與微型設備無關的類,因此它只提供了有限的數學計算函數。開發摩擦阻力系數計算程序,需編寫自然對數函數[8]和乘冪函數[8-9]。

表1和表2是自編函數與標準值的對照,從表1和表2中可以看出:ln(x)函數和pow(a,b)函數的計算結果與標準值之間的最大誤差分別在 10-15和 10-9內,從而保證了摩擦阻力系數計算的準確性。

表1 ln(x)函數的計算結果與標準值的比較

表2 pow(a,b)函數的計算結果與標準值的比較

3 摩擦阻力系數計算設計編程

通過對用戶需求及計算所采用的相關公式[10-12]的分析,計算摩擦阻力系數 λ,首先需要求得雷諾數Re。而雷諾數Re不僅和流速u有關,還和圓管直徑d、流體的運動粘滯系數v有關,v由流體的溫度t決定。通常情況下,大都是已知管徑d、流體溫度t及流量u(或流速)等參數求得雷諾數 Re,再根據其他相關參數及公式計算摩擦阻力系數 λ。

本軟件設計包括輸入、輸出界面的搭建和實現計算功能的算法設計。輸入界面用于接收用戶輸入的參數并進行計算,輸出界面用于顯示計算的結果,還可以通過按鈕返回到輸入界面修改或重新輸入參數繼續計算,算法設計的關鍵在于運用迭代算法計算摩擦阻力系數 λ。使用本軟件只需要輸入管道材料及直徑、流體溫度及流量,選擇流體類型,就可以快速、準確地計算出摩擦阻力系數。

根據上述對該軟件的總體結構設計,本文采用CLDC1.1配置和MIDP2.0簡表,在Eclipse可視化開發環境中具體編程實現了該軟件。采用WTK2.5.2模擬器運行,輸入和輸出界面分別如圖1和圖2所示。

4 計算實例及誤差分析

本文針對實際工程應用中的常見情況,設計了多組數據在諾基亞 2700c型手機進行測試,并將計算結果與傳統查莫迪圖法得到的數據進行比較。表3中僅列出了采用文獻[3-4]和文獻[12]中的數據進行測試的部分結果。

通過比較可以看出:使用本軟件計算出的摩擦阻力系數與通過查莫迪圖得到的數據吻合。由于移動平臺本身的原因,在其上進行浮點運算會導致一些誤差,但是該誤差在工程誤差范圍內,因此,本軟件能夠滿足工程計算的精度要求。

表3 計算結果準確性對照表

5 結束語

本文利用J2ME技術開發了基于手機平臺的摩擦阻力系數計算軟件并進行測試,結果表明:該軟件運行速度快,所得數據精度高,而且操作簡單,使用靈活,可以方便工程人員在工程現場快速、準確地計算出摩擦阻力系數。該軟件為工程人員提供了一個計算摩擦阻力系數的新途徑,可以省去攜帶和查找紙質資料的麻煩,在實際工程施工現場,可以隨時隨地利用隨身攜帶的手機進行數據計算,大大提高計算效率和準確率。由于手機攜帶方便,使用廣泛,基于手機平臺的摩擦阻力系數計算軟件具有較好的應用效果和使用價值。

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