基于流體動(dòng)力學(xué)在VR中的研究

1、基于流體動(dòng)力學(xué)在VR中的研究摘要:在高層建筑的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)計(jì)算高層建筑的風(fēng)載荷是否合格，并附上相應(yīng)的數(shù)據(jù)或者圖片給予論證，但這些數(shù) 據(jù)和圖片只有在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)擁有這些知識(shí)的專家才能明白其中的含義。而在計(jì)算機(jī)技術(shù)和硬件高度發(fā)達(dá)的今天,可以通 過(guò)數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合將復(fù)雜的數(shù)據(jù)和單一的圖片轉(zhuǎn)變成三維動(dòng)態(tài)圖形并使用U nrealEngne強(qiáng)大的實(shí)時(shí)渲染功 能，以VR的形式高度自由地觀看三維動(dòng)態(tài)圖形在建筑內(nèi)外部的運(yùn)行軌跡和方向，將在設(shè)計(jì)前期存在的問(wèn)題得以及時(shí)更 正。并且這項(xiàng)可視化技術(shù)憑借節(jié)約成本、提高效率、縮短設(shè)計(jì)周期等等優(yōu)勢(shì),不僅可以應(yīng)用在建筑業(yè)本身，在汽車仿真、航 空航天、軌道交通等等領(lǐng)域內(nèi)也

2、可應(yīng)用。關(guān)鍵詞:風(fēng)載荷;可視化;實(shí)時(shí)渲染R esearch on F luid D ynam ics in V irtua l R ea lityAbstract： In the desn of hgh-rise buidbgs it is often necessary to calcuate whether the w ind bad of hgh-rise bu id ngs is qualified or not, and to attach corre甲o(hù)nd ng data or p ictures to prove them . But these data and p ictu

3、res can only be underwood by experts who have these know ledge n relevant fields Today, w ith the h ghly deveoped com puter techno ogy and handwai, it is possble Io com b ne num er ical m athem at ics and com puter sc ience to make them com plex. Convertbg data and a sbgle pictu博 inlo three-dmensona

4、l dynam ic graphics and using the powerful rea-tme rendering Hbncton of Unal Engine, and view ing the trapclory and direcdon of three-dmensSnal dynam ic graphics insde and outsde the build ng 和ely n the 幻何 of VR, the problems in the early stage of design can be corrected n t m e. Moreover; th is v i

5、sual izaton lechnoogy 博 I ies on the advantages of sav ng costs m pv ng efc iency and shorten ng the des gn cycle, etc. It can be appl ed not only n the construct on ndustry tself, but also n the f elds of automob le s mulat on, aerospace, ra l trans t and so on.Keywords： w nd had； v isual Zaton； al

6、t m e流體動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)分支，研究作為連 續(xù)介質(zhì)的流體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其邊界的相 互作用! 而風(fēng)荷載是流體動(dòng)力學(xué)中的一小部分計(jì)算參 數(shù)，但是對(duì)于超高度、大體量的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，這個(gè) 參數(shù)卻又是至關(guān)重要的。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā) 展及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的日趨成熟，使在計(jì)算機(jī)上計(jì)算 風(fēng)載荷并得到相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像得以實(shí)現(xiàn)和大量應(yīng)用， 但是這種方法輸出的結(jié)果太過(guò)專業(yè)和復(fù)雜。而結(jié)合現(xiàn) 今的VR技術(shù)則可以以一種全新的視角和模式，身臨 其境地體驗(yàn)到流體動(dòng)力學(xué)別樣的魅力。1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) Computational F lud Dynam ics, C FD）是一種可精確模擬流體

7、流動(dòng)和傳熱的模擬技術(shù)。3 它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法， 對(duì)流體力學(xué)的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和 分析研究，以解決各種實(shí)際問(wèn)題。前文提及的通過(guò)計(jì) 算得到相關(guān)數(shù)據(jù)和圖片，也是通過(guò)CFD這類軟件解算 得到的。在本次研究中，筆者使用的CFD軟件是Autodesk CFD， 選擇使用它的主要因素有四：一是Au- todesk CFD是Autodesk旗下的一款軟件，它和Autodesk 其他的眾多軟件如3dsMax、Revit Inventor等都 可以非常方便的將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞；二是Autodesk CFD 解算的精確度與ANSYS這種主流流體軟件計(jì)算結(jié)果 相差不到3%，數(shù)據(jù)

8、準(zhǔn)確性可以作為可靠參考依據(jù)；三 是如圖1通過(guò)使用該軟件已有很多成功案例得以實(shí) 施；四是Autodesk CFD可以通過(guò)3dsMax將輸出的.csv 文件變成可以調(diào)整顯示效果并附帶解算信息的三維模 型。而其自身的定位亦可用在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中：在概念 階段，可使用其嘗試新的想法、研究趨勢(shì)并確定用戶的 想法在現(xiàn)實(shí)中的表現(xiàn)如何，在提交設(shè)計(jì)資源前用它來(lái) 理解概念的含義;在開發(fā)階段，可使用其分析對(duì)設(shè)計(jì)所 做更改的影響并最終獲得能提供所需性能的設(shè)計(jì);在 營(yíng)銷階段，可使用其創(chuàng)建可展示設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)的二維和三 維圖像及視頻。3圖1 Autodesk C FD在不同領(lǐng)域的應(yīng)用2 CFD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法Autodesk CF

9、D解算得到的數(shù)據(jù)為.csv格式文件， 可使用W indows自帶的M icrosoftExcel打開瀏覽，表1 為局部數(shù)據(jù)展示。如圖2、圖3所示，通過(guò)3Ds Max （版本2016及以 上內(nèi)嵌接口導(dǎo)入.csv格式文件,可自動(dòng)將冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換為三維模型。圖2 3DsMax的內(nèi)嵌數(shù)據(jù)接口表1.csv格式數(shù)據(jù)Node012G lobal Id123X71-7171Y113113113Z66114VxVel000VyVel000VzVel000Press#2.49E-05Tem p540.973540.798540.101Scall000TurbK2.63E-122.63E-122.63E-12Tu

10、rbD1.479 891.174 210.1337 56H eatF lux#3.75E-087.77E-07ShearM ag1.91E-081.49E-085.37E-09NVol000D ensily1.10E-071.10E-071.10E-07M ach0003虛幻引擎中VR技術(shù)的應(yīng)用VR,全稱Virtual Reality,中文譯為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù), 簡(jiǎn)而言之就是通過(guò)計(jì)算機(jī)生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài) 場(chǎng)景，并能夠讓用戶沉浸到該環(huán)境中。在2016年通過(guò)井噴式的爆發(fā)和軟硬件的迭代更新，至 今已經(jīng)可以有不錯(cuò)的體驗(yàn)感受，而選擇虛幻引擎（Unreal Eng M 是因?yàn)槠鋼碛袕?qiáng)大的實(shí)時(shí)渲染能力和出色 的顯示效果。如圖4所示,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后的三維模 型導(dǎo)入虛幻引擎中，就可得到在M ax中看到的效果， 也可通過(guò)調(diào)整材質(zhì)換成需要的顯示效果，如煙、霧、線 條等，結(jié)合VR技術(shù)就可以360。的觀看氣流在空間中 的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而達(dá)到評(píng)估場(chǎng)景空氣流通是否順暢等 其他狀況。圖4空