應用VRML技術的脈沖爆震發動機虛擬實驗系統開發

鄭海飛， 唐 豪

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應用VRML技術的脈沖爆震發動機虛擬實驗系統開發

鄭海飛， 唐 豪

（南京航空航天大學，江蘇南京 210016）

在脈沖爆震發動機的教學科研中，迫切需要開發一個演示系統結構與運行過程的虛擬實驗室系統。以VRML虛擬現實技術為平臺和UG三維實體建模為單元，構建了具有交互功能的脈沖爆震發動機虛擬動態實驗系統，實現了脈沖爆震發動機的虛擬拆卸與裝配以及脈沖爆震發動機系統的虛擬運行。該虛擬實驗系統避免了實際試驗過程的危險性和涉密性等問題，具備遠程教學科研的演示功能。

計算機應用；虛擬實驗系統；虛擬現實建模語言；脈沖爆震發動機；動態交互技術

大量研究表明，脈沖爆震發動機——Pulse Detonation Engine，PDE（下文均稱PDE）是本世紀非常有發展前途的一種動力裝置，在航空航天領域內有著廣闊的應用前景。然而，在PDE的研究、設計、評價、審查過程中，對于各種PDE在實驗室的試驗過程、方法等需要作相關的介紹，但可能因為試驗正在進行、研究內容涉密、課堂教學是否便利及運行所帶來的高噪聲高污染等等原因，而無法進行實地參觀，這就迫切需要運用計算機仿真與輔助設計來達到直觀的電腦動畫演示介紹的目的，因此建立基于VRML交互式技術的虛擬動態PDE是解決這種需求的關鍵途徑與技術。

虛擬現實一直是計算機圖形學領域中關注的焦點課題，而實現虛擬動態交互是用戶融入虛擬環境的基本要求之一。虛擬動態交互是指用戶的行為能夠實時作用于虛擬環境。目前實現虛擬動態交互的首選方法主要有兩種：一用典型的程序語言（如OPENGL等）設計實現；二用虛擬現實三維立體網絡程序語言VRML設計實現。

VRML是Virtual Reality Modeling Language 即虛擬現實構造語言的縮寫。VRML可以創建虛擬的加工機械、動力裝置等，甚至還可以創建出具有和瀏覽者的交互性更接近于現實世界的虛擬空間。

本文基于UG的三維實體設計與VRML語言相結合的技術手段，進行PDE的虛擬動態交互式技術研究，以達到對PDE的結構、零部件及工作過程的虛擬動態交互式技術的研究目的。

1 脈沖爆震發動機的結構及工作原理[3]

1.1 脈沖爆震發動機的結構

吸氣式PDE主要由以下部件組成：進氣道、燃料及氧化劑供給系統、預混段、起爆器、爆震室、尾噴管等。由進氣道輸送來的來流與來自燃料供給系統的燃料在混合段混合，再進入爆震室，經點火起爆產生爆震波，燃燒產物通過噴管排出產生推力。

1.2 脈沖爆震發動機的工作原理

圖1為PDE的基本工作過程，它由以下幾個過程組成：

（1）掃氣過程

當上一個循環完成后，燃燒室內仍殘存部分燃氣，如果直接沖入可燃混氣，有可能被這部分燃氣點燃，這就無法實施爆震燃燒過程，所以在沖入新鮮空氣前必須進行掃氣，即沖入新空氣將爆震管中殘存的燃氣排出。

（2）可燃混合物填充過程

對于氣體燃料，燃料與空氣的混合是進氣過程的關鍵，而對于液體燃料來說，燃料迅速物化、蒸發、摻混是產生爆震燃燒的關鍵。

（3）爆震波的觸發

當新鮮混氣充滿爆震管時，進氣閥關閉，同時點火器點火以觸發爆震波。

（4）爆震波的起爆、形成及其傳播過程

被點著的可燃混合氣體開始以爆燃形式燃燒，待從封閉端反射回來的一系列壓縮波趕上向管口端傳播的壓縮波后，經不斷地加強從而形成穩定的C-J爆震波。

（5）膨脹與排氣過程

當爆震波傳出爆震管時，管口處產生了一系列的反射膨脹波，反射膨脹波向管內傳播，同時燃氣被排除管外。當全部膨脹波傳播得到推力壁上后，排氣過程結束，至此PDE完成了一個完整的工作周期。

圖1 PDE的工作原理圖

本文的虛擬動態交互式技術研究是以小尺寸氣動閥PDE為研究對象，其結構圖如圖2所示。

圖2 PDE的結構圖

根據PDE的結構和工作原理，對PDE的結構、零部件和工作過程進行虛擬動態交互式技術研究。其中，PDE運行情況的模擬較為復雜，是本文研究的重點和難點。

2 脈沖爆震發動機的虛擬動態交互式技術研究

2.1 研究總體框架

2.1.1 UG特點

Unigraphics NX軟件(UG)是集CAD/CAE/ CAM于一體的三維參數化設計軟件。UG可將三維實體模型導出格式為.WRL的VRML文件，進而在VRML2.0編輯器中對模型進行交互式虛擬動態研究。

2.1.2 VRML特點

VRML技術在虛擬現實的實現上具有以下一些特點：

（1）整個瀏覽過程由用戶控制，而不是由計算機來控制；

（2）VRML提供的技術能夠把三維、二維、文本和多媒體集成為統一的整體；

（3）VRML支持腳本語言，可以產生一種全新的交互式應用；

（4）VRML支持外部編程接口(EAI)；

（5）VRML使用的是實時3D著色引擎。

2.1.3 總體框架

基于以上兩款軟件的特點，本文研究的具體流程及框圖（圖3）如下所示：

圖3 虛擬PDE的交互式技術研究流程圖

（1）根據PDE的實際幾何尺寸，在UG中建立三維模型。

（2）將在UG中創建的PDE三維模型導出.WRL文件，并在VRML編輯器中得到VRML三維實體代碼，并分析代碼。

（3）根據生成的PDE三維實體代碼進行VRML交互式編程。即包括各運動節點的設計、三大功能模塊（零件的拆卸、零件的裝配、PDE的運行）控制器的設計、控制器腳本（Scrpit節點）的設計。

（4）進行虛擬PDE的交互式操控。

2.2 研究技術方法

2.2.1 UG三維實體建模

以UG為平臺創建三維實體。

（1）首先通過建模、創建平面、拉伸、求和、求差等操作，建立起PDE各個零部件的零件圖。

（2）然后通過裝配功能把已創建的零件圖組裝成裝配圖。

通過UG建模得到PDE三維實體模型，比在VRML編輯器內創建三維模型要更方便，生成的三維模型效果更好。

2.2.2 虛擬現實語言建模

首先在虛擬試驗室中設計三個控制按鈕，即DISASSEMBLE、ASSEMBLE、RUN，以實現虛擬PDE的三個交互式功能。三個控制按鈕設計好之后，運用Script腳本語言對各個零件的運動情況進行設計：設計其運動的先后順序，時間長度等等。圖4即為虛擬現實語言建模的總體框架。

圖4 虛擬現實語言建模的總體框架圖

3 交互式虛擬PDE關鍵技術研究

3.1 模塊控制按鍵的虛擬現實語言建模研究

3.1.1 控制按鍵實體的虛擬現實語言建模研究

控制按鍵的設計是進行交互式操作的關鍵。圖5中的三個深色按鍵即為虛擬實驗室中的PDE控制按鍵。

圖5 虛擬實驗室中PDE的控制按鍵圖

以DISASSEMBLE（拆卸功能模塊）的控制按鍵為例。

首先，要創建按鍵的實體。本文應用Text節點，此節點用于在虛擬世界中創建文本。在Text節點定義中包含frontStyle域和string域。frontStyle域存放一個FrontStyle節點，用來控制文本的形式和放置方式。string域保存被渲染的文本字符串。string域是一個MFString域，這意味著它可以有多個字符串，每一個串在自己所在的行里進行渲染。每兩行之間的間距缺省設置為字符的高度，它可以用FrontStyle節點來改變。

DISASSEMBLE模塊控制按鍵的功能可描述為：當鼠標點擊按鍵時，PDE的各個零部件便開始按拆卸路徑進行運動，而且伴隨著拆卸時環境音樂的播放。因此，此按鍵傳出的了兩個命令——零件開始按既定路徑運動的命令和環境音樂播放命令。這就需要用到Group節點，在Group節點內創建鼠標點擊的TouchSensor節點（）、按鍵的文本節點、環境聲音節點Sound。控制按鍵的具體程序如下所示：

Group{

children [

DEF touch1 TouchSensor {}

DEF MySwitch1 Switch {

whichChoice 0

choice [

DEF Body__1 Transform {……

children [ ……

geometry Text

{ string [ " DESTRUCTION "]

fontStyle FontStyle {size 40

spacing 5

}

}

DEF Body__11 Transform {……

children [ ……

geometry Box {size 270 40 1}

]

}

]

}

]

}

Sound {…… }

]

ROUTE touch1.touchTime TO bad.startTime

}

3.1.2 控制按鍵腳本的虛擬現實語言建模研究

為了實現控制按鍵的控制功能，本文采用scritp腳本語言進行操控。在控制按鍵的實體建模程序塊中，運用Switch節點，其定義為：

Switch{

exposedField MFNode choice []

exposedField SFInt32 whichChoice -1

}

whichChoice的缺省值為 -1。這個值指示不應當選擇任何子節點。在一個場景中隱藏或顯示一個對象的簡單方法是讓Swich具有單個choice，然后將whichChoice改為-1隱藏對象，改為0則顯示對象。如果choice域中多個子節點，便按遞增順序選擇它們，并用0作為whichChoice的開始值。使用Swich節點是用于Scritp腳本中事件的輸出與輸入，并選擇對象。DISASSEMBLE按鍵的Scritp腳本程序如下所示：

DEF A_Script Script

{ eventIn SFBool Process1

field SFNode node_V1 USE MySwitch1

field SFNode node_touch1 USE touch1

field SFNode node_touch2 USE touch2

url "vrmlscript:

function Process(value)

{ if(value==false)

{ if(node_V1.whichChoise==0)

{node_touch1.enabled=true;

node_touch2.enabled=false;

}

}

} "

}

當鼠標點擊DISASSEMBLE按鍵時，node_V1.whichChoise==0，TouchSensor節點的touch1.enabled值為true，進而輸出開始時間給TS1.startTime，拆卸功能便可實現。

3.2 零部件拆卸模塊的虛擬現實語言建模研究

通過對UG導出的VRML程序代碼的閱讀及分析，掌握各個零件的編碼是設計零部件拆卸路徑的關鍵。

在設計路徑前，必須要設計一個TimeSensor節點，相當于一個時間閥，當事件傳送過來時就開啟時間閥startTime。其程序代碼為：

DEF TS1 TimeSensor

{ cycleInterval 200

stopTime 1

loop FALSE

}

其中規定了時間長度以及非循環性。之后，便開始定義路徑，本文用的是PositionInterpolator插值器節點。PositionInterpolator插值器節點中的key稱為關鍵碼，存放每個時間點。key Value稱為關鍵值，用于存放空間點。以爆震管為例，它的路徑代碼為：

DEF P28 PositionInterpolator

{ key [0 ,0.76,0.765,1]

keyValue [

1402.516418 250.032287 129.155578,

1402.516418 250.032287 129.155578,

1620.516418 250.032287 129.155578,

1620.516418 250.032287 129.155578 ]

}

接下來就要對路徑事件的輸入與輸出進行編程，其代碼為（以爆震管為例）：

ROUTE touch1.isActive TO

A_Script.Process1

ROUTE touch1.touchTime TO

TS1.startTime

ROUTE TS1.fraction_changed TO

P28.set_fraction

ROUTE P28.value_changed TO

Body__29956.set_translation

當鼠標點擊DESTRUCTION（拆卸功能模塊）按鍵時，touch1.isActive輸出其值false，傳遞給A_Script.Process1，A_Script腳本中的touch1值true傳遞給時間閥，便開始啟動PositionInterpolator插值器節點中的路徑變化，進而使得爆管按照既定路線運動。由此，可以設計出其他零部件的運動路徑。圖6為拆卸過程中的爆震管。

圖6 爆震管的拆卸過程模擬圖

注：1——爆震管；2——繞流器；3——法蘭；4——點火段；5——進氣道。

3.3 零部件裝配模塊的虛擬現實語言建模研究

在上一節的基礎上，設計零部件裝配模塊時就十分的方便了。在這里仍然以爆震管為例，再其裝配路徑中仍然運用到了PositionInterpolator插值器節點。

另外，應該再設計一個與該功能對應的TimeSensor節點，之后便是對路徑事件的輸入與輸出進行編程。需要提出的是，應該另外設計一個關于ASSEMBLAGE（裝配功能模塊）的script腳本節點。其具體的原理與拆卸模塊中的相似，這里就不再贅述。

3.4 脈沖爆震發動機運行模塊的虛擬現實語言建模研究

PDE的虛擬運行模塊是較為復雜的模塊，因為要設計出流體的效果，如火焰以及混氣點火后經繞流片形成的爆震波等。本文采用的方法是利用實體建模，生成火焰、爆震波的三維模型，然后賦予其實際特征紋理。這一模塊是本文的重點難點，更是本文的創新點。

為了在PDE運行時火焰能夠顯現出來，所以要在這一模塊繼續使用Swich節點。在choice內創造火焰等其他實體，它們的whichChoice代碼從1開始（0是按鍵的代碼）。因此，與此功能相應的script腳本也有所不同。其程序代碼為：

DEF C_Script Script {

eventIn SFTime switchTime

eventOut SFInt32 whichChoice

url "vrmlscript:

function switchTime()

{ if(whichChoice= =0)

whichChoice=1;

else whichChoice=0; } "

}

當鼠標點擊RUN（運行模塊）時，whichChoice= =0，這時便讓whichChoice=1，然后，火焰、爆震波等實體便開始顯現出來。圖7為其效果圖。

圖7 虛擬PDE的運行工況模擬圖

注：1——進氣道輸入空氣與燃料；2——點火器中引燃混合氣體；3——爆震波；4——火焰噴射。

從圖7中可以看到，火焰在隨時間變化，因為這里采用了CoordinateInterpolator節點，其與PositionInterpolator節點類似，設計好要變換的模型中的定義點之后，進行事件輸入輸出即得到火焰隨時間變化。

另外，本文應用ScalarInterpolator 節點，可使爆震管的透明度隨時間而變化，這樣PDE運行時便能看見爆震管內部情況。其節點定義與CoordinateInterpolator等節點類似。運用ScalarInterpolator節點使實體透明度變化，需要在實體的材料定義處做如下處理：

appearance Appearance {

materialMaterial {……}

}

下劃線處是爆震管的編號。接下來，進行事件的輸入輸出編程。其代碼為：

ROUTE touch3.touchTime TO TS3.startTime

ROUTE TS3.fraction_changed TO inter1.set_fraction

ROUTE inter1.value_changed TO baoguan1.set_transparency ……

通過以上研究與設計，虛擬PDE的運行功能便可實現。運用虛擬動態交互式技術很好的模擬出了實際PDE的裝配過程以及工作運行過程。

4 總結與展望

（1）通過建模編程研究，得到了完整的虛擬PDE，并闡述了PDE虛擬動態交互式操控各個環節的關鍵技術，實現了三大功能——零部件的拆卸(DISASSEMBLE)、零部件的裝配(ASSEMBLE)、PDE的運行(RUN)，從而解決了上文提出的工程難題。

（2）通過建模仿真研究，體現出VRML技術在虛擬實驗室設計方面有著強大的優勢。利用VRML技術實現PDE的虛擬動態交互式操控是可行的，可以很好的模擬出實驗中的PDE。對PDE的虛擬動態仿真有著很高的參考價值與廣泛的應用前景。

（3）本文所設計的虛擬PDE實現了在虛擬實驗室中的交互式操控，在以后的發展與應用過程中，可將VRML交互式技術與其他數值模擬仿真技術相結合，以建立一個更加接近實際情況的虛擬實驗室。

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[3] 嚴傳俊, 范 偉, 等. 脈沖爆震發動機原理及關鍵技術[M]. 西北工業大學出版社, 2004. 56, 78-79.

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[5]MENG X X, LIU W W, XU Y N. Real-time collaborative design system for product assembly over the internet [J]. Information Technology for Balanced Manufacturing Systems, 2006, 220: 253-260.

Development of a Virtual Lab System for Pulse Detonation Engine by VRML Technology

ZHENG Hai-fei, TANG Hao

( Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing Jiangsu 210016, China )

The development of a virtual lab system for pulse detonation engine to demonstrate its structure and operation process is urgently needed in the teaching and scientific research. The interactive virtual dynamic experiment system is developed based on the VRML technology and 3D models designed by UG, to realize the virtual assembly and disassembly and virtual operation. This system solves the deficiencies of being risky and confidential in the actual test procedures and has the demonstration functions of remote education and scientific research.

computer application; virtual lab; VRML; pulse detonation engine; dynamic interactive technique

TP 391.9

A

1003-0158(2011)04-0057-06

2010-01-26

國家自然科學基金資助項目（NSFC50776045）

鄭海飛（1986-），男，河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向為燃燒與傳熱、VRML虛擬現實交互式技術。