摘 要

随着社会的不断发展和进步，科学技术越来越先进，越来越多的新技术成为国家的重点发展和热门对象，其中虚拟现实技术被称为未来的三大技术之一，成为许多国家的发展的对象，如今虚拟现实技术发展迅速，在越来越多的领域有着应用。《工程热力学与传热学》实验是一门非常重要的课程，其中包含着六个实验课程，而《工程热力学和传热学》这门课中的实验课之一的换热器实验室是重要组成部分。传统的实验教学是填充式教育,老师和学生缺乏互动，学生无法很好理解和吸收所学的知识，而且不能提高学生的动手实验能力，无法提高学生的学习兴趣。这时就需要可以代替传统实验室的全新的实验室,需要对传统的教学方式进行改变。

本文主要研究运用虚拟现实技术对换热器实验进行仿真，可以让学生在虚拟环境下进行实验，从而克服传统实验所带来的问题，使实验教学效果更好。研究主要内容是对虚拟换热器仿真的研究，运用3dsmax、unity3d等仿真软件完成虚拟换热器仿真台架的模型建立、虚拟换热器实验环境的场景搭建，GUI用户界面的建立，运用数据显示、人机交互的仿真关键技术到建好的换热器虚拟实验中用以完成虚拟换热器仿真实验室进行换热器实验的功能。

虚拟现实技术在实验室上的应用为本文的换热器虚拟仿真研究提供了理论基础与研究经验,虚拟换热器仿真实验平台的建立可以解决传统实验室所带来的问题,也将会形成一种全新的实验教学方式。

关键词:虚拟现实；换热器实验；仿真实验平台；仿真技术

Abstract

With the continuous development and progress of society, science and technology are becoming more and more advanced, and more new technologies have become the key development and hot objects of the country. Among them, virtual reality technology is called one of the three technologies in the future, and has become the object of development in many countries. Nowadays, virtual reality technology is developing rapidly and has applications in more and more fields. "Engineering Thermodynamics and Heat Transfer" is a very important course, which contains six experimental courses, and "Engineering Thermodynamics and Heat Transfer" one of the experimental courses in the heat exchanger laboratory is an important part. The traditional experimental teaching is filled education, teachers and students lack of interaction, students can not understand and absorb the knowledge learned well, and can not improve students' hands-on experimental ability, can not improve students' interest in learning.A new laboratory that can replace the traditional laboratory is needed, and the traditional teaching methods need to be changed.

This paper mainly studies the simulation of heat exchanger experiment by using virtual reality technology, which can make students carry out experiments in virtual environment, so as to overcome the problems brought by traditional experiments and make the experimental teaching effect better. The main content of the research is the virtual heat exchanger simulation research, using 3 dsmax、unity3d and other simulation software to complete the virtual heat exchanger simulation bench model building, virtual heat exchanger experimental environment scene construction, GUI the establishment of user interface, the use of data display, human-computer interaction simulation key technology to complete the virtual heat exchanger virtual experiment in the virtual heat exchanger simulation laboratory to complete the function of heat exchanger experiment.

The application of virtual reality technology in the laboratory provides the theoretical basis and research experience for the virtual simulation research of heat exchanger in this paper. The establishment of virtual heat exchanger simulation experimental platform can solve the problems brought by the traditional laboratory, and will also form a new experimental teaching method.

Key Words：virtual reality; heat exchanger experiment; simulation experiment platform；Simulation Technology

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及目的 1

1.2研究意义 1

1.3研究现状 1

1.3.1虚拟现实研究现状 1

1.3.2仿真实验室研究现状 2

1.3.3总结和评述 3

1.4研究内容及技术路线 3

第2 章 平台设计相关理论基础 5

2.1换热器理论 5

2.1.1换热器的概念及工作原理 5

2.1.2 换热器分类及特点 5

2.2虚拟现实技术 6

2.2.1虚拟现实的概念 7

2.2.2虚拟现实的特征 7

2.2.3虚拟现实的关键技术及应用 7

2.2.4 虚拟现实技术的发展趋势 8

2.3本章小结 8

第3章 换热器虚拟仿真实验设计 9

3.1 设计需求分析 9

3.2平台设计 9

3.2.1平台整体设计 9

3.2.2平台功能设计 10

3.3仿真设计关键技术 11

3.3.1平台构建工具 11

3.3.2人机交互 12

3.3.3数据显示 12

3.3.4 GUI界面建立 12

3.4本章小结 14

第4章 基于虚拟现实换热器实验仿真实现 15

4.1 模型建立 15

4.2 实验场景搭建 18

4.3 场景漫游 19

4.3.1 添加第一人称控制器 19

4.3.2创建物理阻拦 19

4.4虚拟换热器实验 20

4.4.1实验步骤 20

4.4.2实验数据处理 22

4.5本章小结 23

第5章 总结和展望 24

5.1总结 24

5.2展望 24

致谢 25

参考文献 26

第1章 绪论

1.1研究背景及目的

本文的研究主要是以换热器综合实验为例，建立虚拟仿真平台，而学生可通过进行换热器实验了解换热器和学习传热与热力学的相关理论知识。然而目前传统的换热器实验教学内容单一，老师发放实验指导书，照着指导书上讲，学生照着老师所做的依葫芦画瓢，老师和学生之间互动不够频繁，这无法激起学生兴趣和积极性，学生不能对所学知识进一步巩固，而且由于选课人数过多，实验课程安排过于集中，导致实验维护起来有困难，学生在实验过程中由于各种原因对设备造成损害，导致设备使用寿命减少。

为了解决这种问题，学校开始改变教育理念，进行教育改革，将学思结合、学以致用、知行统一和因材施教作为改革的核心宗旨，以实践教学规律为指导思想，对热工实验课程进行改革，对教学方式进行改变^[1]。如今虚拟现实技术成为当今的最热门技术之一，虚拟现实技术在教育领域的应用也越来越广泛^[2]，基于虚拟现实技术的仿真实验室和学习平台也已成为越来越多的高校实验课程建设的一部分。而本研究课题就是对换热器实验台进行虚拟现实仿真，建立出换热器实验仿真实验平台。