基于流体动力学在VR中的研究

1、基于流体动力学在VR中的研究摘要:在高层建筑的设计中，经常会计算高层建筑的风载荷是否合格，并附上相应的数据或者图片给予论证，但这些数 据和图片只有在相关领域内拥有这些知识的专家才能明白其中的含义。而在计算机技术和硬件高度发达的今天,可以通 过数值数学和计算机科学结合将复杂的数据和单一的图片转变成三维动态图形并使用U nrealEngne强大的实时渲染功 能，以VR的形式高度自由地观看三维动态图形在建筑内外部的运行轨迹和方向，将在设计前期存在的问题得以及时更 正。并且这项可视化技术凭借节约成本、提高效率、缩短设计周期等等优势,不仅可以应用在建筑业本身，在汽车仿真、航 空航天、轨道交通等等领域内也

2、可应用。关键词:风载荷;可视化;实时渲染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ond 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流体动力学是流体力学的一个分支，研究作为连 续介质的流体在力的作用下的运动规律及其边界的相 互作用! 而风荷载是流体动力学中的一小部分计算参 数，但是对于超高度、大体量的结构稳定性来说，这个 参数却又是至关重要的。随着计算机软硬件的飞速发 展及计算流体动力学的日趋成熟，使在计算机上计算 风载荷并得到相关数据和图像得以实现和大量应用， 但是这种方法输出的结果太过专业和复杂。而结合现 今的VR技术则可以以一种全新的视角和模式，身临 其境地体验到流体动力学别样的魅力。1计算流体动力学计算流体动力学 Computational F lud Dynam ics, C FD）是一种可精确模拟流体

7、流动和传热的模拟技术。3 它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法， 对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和 分析研究，以解决各种实际问题。前文提及的通过计 算得到相关数据和图片，也是通过CFD这类软件解算 得到的。在本次研究中，笔者使用的CFD软件是Autodesk CFD， 选择使用它的主要因素有四：一是Au- todesk CFD是Autodesk旗下的一款软件，它和Autodesk 其他的众多软件如3dsMax、Revit Inventor等都 可以非常方便的将数据进行传递；二是Autodesk CFD 解算的精确度与ANSYS这种主流流体软件计算结果 相差不到3%，数据

8、准确性可以作为可靠参考依据；三 是如图1通过使用该软件已有很多成功案例得以实 施；四是Autodesk CFD可以通过3dsMax将输出的.csv 文件变成可以调整显示效果并附带解算信息的三维模 型。而其自身的定位亦可用在整个设计过程中：在概念 阶段，可使用其尝试新的想法、研究趋势并确定用户的 想法在现实中的表现如何，在提交设计资源前用它来 理解概念的含义;在开发阶段，可使用其分析对设计所 做更改的影响并最终获得能提供所需性能的设计;在 营销阶段，可使用其创建可展示设计优势的二维和三 维图像及视频。3图1 Autodesk C FD在不同领域的应用2 CFD的数据转换方法Autodesk CF

9、D解算得到的数据为.csv格式文件， 可使用W indows自带的M icrosoftExcel打开浏览，表1 为局部数据展示。如图2、图3所示，通过3Ds Max （版本2016及以 上内嵌接口导入.csv格式文件,可自动将冗长的数据 转换为三维模型。图2 3DsMax的内嵌数据接口表1.csv格式数据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虚幻引擎中VR技术的应用VR,全称Virtual Reality,中文译为虚拟现实技术, 简而言之就是通过计算机生成一种交互式的三维动态 场景，并能够让用户沉浸到该环境中。在2016年通过井喷式的爆发和软硬件的迭代更新，至 今已经可以有不错的体验感受，而选择虚幻引擎（Unreal Eng M 是因为其拥有强大的实时渲染能力和出色 的显示效果。如图4所示,将数据转换完成后的三维模 型导入虚幻引擎中，就可得到在M ax中看到的效果， 也可通过调整材质换成需要的显示效果，如烟、雾、线 条等，结合VR技术就可以360。的观看气流在空间中 的运动轨迹，从而达到评估场景空气流通是否顺畅等 其他状况。图4空