基于VTK程序下的锅炉炉内过程的可视化系统的开发与应用

摘要

本文旨在探索出一条计算流体力学与科学可视化相结合的新出路，利用可不断扩充的VTK可视化软件包，开发出一种新的模拟数据的后处理方法，克服传统的后处理工具的一些弊端。
　　 本文的研究工作是以W型锅炉为基础，主要分为数值模拟和可视化系统的建立两大部分，其中数值模拟工作的目的主要为可视化系统提供所需的数据：
　　 其中数值模拟研究以Fluent软件为研究平台，通过对焦碳燃烧模型、辐射传热模型、颗粒运动和气相流动、气相湍流燃烧等模型的选取，和对模拟参数的不停调试，得到相应的温度场与速度场的分布。
　　 可视化系统以VTK开源软件包为研究平台，分别开发出了适用于工程模拟的RANS的CFD数据和适用于理论研究的DNS及LES的CFD数据的可视化系统接口，可进行面绘制和体绘制等两种基础的可视化操作，以流线、流管、流面等不同方式显示出基于流线生成算法的流场情况，并开发出三种不同的数据提取方式：利用固定的虚拟方式提取流场数据、利用可移动的虚拟方式提取流场数据和同步绘制图片。
　　 本文增加了流场的体绘制功能，真正做到了将三维温度场和速度场的完全可视化，但是体绘制对计算机的硬件要求很高；创造性的开发出不同类型CFD数据的可视化系统接口，方便了后人的应用与继续开发；新增了两种全新的提取数据的方式：比之数值模拟常用的后处理软件，利用可移动的虚拟切片提取流场数据方式，克服了一般的后处理软件只能沿X、Y、Z三个平面平行移动的限制，可以自由移动；而同步绘制功能可以根据实际需要任意改变探针的位置，只提取出所需要的那部分数据，并定义所提取数据的类型。
　　 真实的锅炉炉内过程是非常复杂的，本文的可视化系统是结合VTK进行炉内过程显示研究的一种尝试。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 炉内过程数值模拟综述

1.2.1 概述

1.2.2 国外研究综述

1.2.3 国内研究综述

1.3 可视化技术综述

1.3.1 概述

1.3.2 国外研究综述

1.3.3 国内研究综述

1.4 本文的研究内容及意义

2 数值模拟理论基础及实验数据

2.1 概述

2.2 炉内过程数值模拟所需的模型

2.2.1 两相流模型

2.2.2 挥发分释放模型

2.2.3 辐射模型

2.2.4 气相湍流燃烧

2.2.5 焦碳的燃烧反应模型

2.3 W型锅炉的实验数据

2.4 本文采用的FLUENT求解模型

3 CFD数据的接口设计

3.1 RANS数据的接口设计

3.2 DNS和LES数据的接口设计

4 炉内过程的基础显示

4.1 几何结构的面绘制

4.2 等值面的绘制

4.3 体绘制及虚拟漫游

4.3.1 虚拟漫游的基本原理

4.3.2 体绘制

4.4 优化显示的细节处理

4.4.1 颜色映射的优化

4.4.2 不同坐标体系的建立

5 基于流线生成算法的流场显示

5.1 流线生成算法简介

5.2 流线的显示

5.3 流管和流面的显示

6 流场数据的不同方式提取

6.1 利用固定的虚拟方式提取流场数据

6.2 利用可移动的虚拟方式提取流场数据

6.2.1 利用可移动的虚拟探针提取数据

6.2.2 利用可移动的虚拟切片提取数据

6.3 同步绘制的实现

6.3.1 利用固定式虚拟探针提取数据后的同步绘制

6.3.2 利用可移动式虚拟探针提取数据后的同步绘制

7 全文总结与展望

7.1 本文所做的工作

7.2 本文的创新之处

7.3 本文的不足与未来展望

参考文献

作者简历