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摘 要

工程热力学与传热学实验是武汉理工大学能源与动力工程学院轮机工程、能源与动力工程、油气储运工程专业的实验实践必修课程。其中，换热器综合实验为工程热力学与传热学独立实验组成项目之一。该实验项目是对目前应用较为广泛的三种类型间壁式换热器：套管、板式、列管换热器的基本换热性能进行实验。换热器性能实验的主要作用是，计算换热器的对数传热温差以及热平衡误差、总传热系数，进而对三种换热器，在两种不同流动方式或不同温度和流量工况下的热传递情况和换热器传热性能进行对比和选择。

本文以能源与动力工程学院热工实验室现有换热器综合实验台架为研究对象，首先阐述了当前换热器仿真研究方法和虚拟现实技术在人员训练领域的可行性，对比分析了当前虚拟现实平台搭建软件各自的优劣，最终选定3DsMAX、Unity两款开发软件，结合Steam VR和VRTK两款开发插件为辅助工具来开发平台。

以实体台架尺寸和功能为原型的前提下，使用3DsMAX多种内置物体经改造后建立了换热器仿真模型；在Unity中使用多种碰撞体、材质和灯光效果以达到接近真实的物理和视觉体验。

使用重复函数来调用协程的代码逻辑，实现了数据跳动显示和数据巡检的功能。编写C#代码来控制数据初始化功能、动画操作提示功能、UI交互功能。本研究内容以提高实践教学质量、拓展学生学习途径为导向，为广大师生尤其是实践教学一线的教师们，提供了一套可重复交互式的换热器综合实训仿真平台，所得成果在换热器仿真领域具有一定研究意义。

关键词：虚拟现实；3DsMAX；Unity 3D；换热器仿真；实践教学

Abstract

Engineering thermodynamics and heat transfer experiment is a compulsory course for the experimental practice of Marine engineering, energy and power engineering, and oil and gas storage and transportation engineering majors in the school of energy and power engineering, wuhan university of technology. Among them, the comprehensive experiment of heat exchanger is one of the independent experimental projects of engineering thermodynamics and heat transfer. The experimental project is to test the basic heat transfer performance of three types of interwall heat exchangers widely used at present: casing, plate and tube heat exchangers. The main function of heat exchanger performance experiment is to calculate the logarithmic heat transfer temperature difference, heat balance error and total heat transfer coefficient of heat exchanger, and then compare and select the heat transfer performance of three heat exchangers under two different flow modes or different temperature and flow conditions.

Based on the existing heat exchanger thermal energy and power engineering college laboratory comprehensive experiment platform for research object, first of all, this paper expounds the current heat exchanger simulation method and the feasibility of virtual reality technology in the field of personnel training, the contrast analysis of the current virtual reality platform to build software respective advantages and disadvantages, finally selected 3 ds MAX, the Unity of two development software, combined with Steam VR and VRTK two developing a plug-in for auxiliary tool for development platform.

Based on the prototype of the size and function of the solid frame, a heat exchanger simulation model was established by using 3DsMAX with a variety of built-in objects. Use a variety of colliding bodies, textures, and lighting effects in Unity to achieve a near-real physical and visual experience.

Using the repetitive function to call the code logic of the coroutine, realized the function of data runout display and data inspection. Write C# code to control data initialization, animation prompts, and UI interaction. Guided by improving the quality of practical teaching and expanding the learning approaches of students, this study provides a repeatable interactive platform for the comprehensive practical training of heat exchangers for teachers and students, especially for the front-line teachers of practical teaching. The results obtained have a certain research significance in the field of heat exchanger simulation.

Key Words：Virtual reality; 3DsMAX; Unity 3D; Heat exchanger simulation; Practical teaching

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研究目的 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.2.1 换热器仿真研究 2

1.2.2 虚拟现实研究 3

1.2.3 虚拟现实与仿真训练研究 3

1.3 研究内容、章节安排及技术路线 4

1.3.1 研究的基本内容 4

1.3.2 拟采用的技术方案与措施 5

1.4 本章小结 8

第2章 VR平台总体设计 9

2.1 项目简介 9

2.1.1 台架及传感器情况介绍 9

2.1.2 建模及虚拟引擎软件选择 10

2.2 虚拟换热器实验台架模型需求 11

2.3 Unity功能需求分析 12

2.3.1 Unity数据显示需求 13

2.3.2 Unity碰撞体需求 13

2.3.3 UGUI菜单需求 14

2.4 Steam VR手柄交互需求 14

2.5 本章小结 15

第3章 基于3DsMAX的模型和基于Unity的场景实现 16

3.1 3DsMAX换热台架模型搭建要点 16

3.1.1 模型建立 16

3.1.2 材质 19

3.1.3 优化模型 20

3.2 Unity仿真场景搭建解析 21

3.2.1 虚拟教室搭建 21

3.2.2 碰撞器和光照烘焙 22

3.3 本章小结 23

第4章 数据显示实现和HTC Vive交互功能实现 24

4.1 登陆界面实现 24

4.2 数据显示实现 24

4.3 模型互动效果实现 27

4.3.1 模型应答动作 27

4.3.2 实验操作提示动画 27

4.4 HTC Vive与UGUI的交互实现 29

4.5 HTC Vive与场景漫游和用户场景交互 31

4.5.1 HTC Vive场景漫游 31

4.5.2 HTC Vive场景交互逻辑 33

4.5.3 HTC Vive场景交互实现 36

4.6 本章小结 37

第5章 总结与展望 38

5.1 总结 38

5.3 展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究目的

换热器是一种是在石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种用以物料或流体之间热量传递的工艺设备。具有关数据，换热器在炼油、化工装备设备数量中占总数量的40%，相关投资中占总投资的30%~50%。同时，在换热器日常使用中，随着使用年数的增加，换热器难免出现因内部工质酸碱度改变等原因造成的堵塞结垢以及泄露破损等情况，需要大量人力、财力进行定期维护修理^[1]。在实验教学中，实体换热器实验室还存在如实验室开放度不高、培养学生创新思维难，实验设备被人为破坏、实验室断水、断电、季节温度变化、实验员误操作等破坏实验设备或影响实验精确度的问题。目前在实验教学改革进程中，教育部正大力推进的国家虚拟仿真实验教学项目。利用虚拟平台做虚拟交互实验，可以降低对实体实验室的依赖，从而解决许多因现实条件、资源不均衡等导致的实验教学问题。

1.1.2 研究意义

以金属为外壳制造主材料制造的换热器，常常会以为长时间流体侵蚀和高温负荷而导致出现金属腐蚀的现象，这种损失随时间积累逐年增大。虚拟现实技术可以在真实场景中出现不可及或不可逆的操作或真实实验成本较高、实验耗材量大、大型或综合型技能训练时，提供低成本、无潜在危险、仿真度高、沉浸感强的实验环境^[2]。虚拟现实技术不仅使受训对象得到了实操动手锻炼，而且能帮助受训人员观察实验设备内部构造和理解实验基本原理内容；又能模拟受训对象学习专业技能时将会面临的真实环境，提供逼真的虚拟训练环境，其在科研和仿真训练方面应用潜力巨大^[3]。如果能将换热器综合实验过程在VR头显设备上还原出来，将从根本上解决上述提到的故障隐患。虚拟模型并不存在现实实体，也就谈不上故障和维护了，这将大大减轻维护人员精力和维护成本。同时由于虚拟模型不受场地和数量限制，原则上只要有网络和必备的头显、PC等设备，换热实验将不再拘泥于实验的时间和场地限制，能够使更多学生获得同等优质的学习资源、实验资源。

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 换热器仿真研究

依据传热的原理，可将换热器分为：间壁式、混合式、蓄热式、陶瓷换热器。本文的研究对象是能源与动力工程学院实验中心现有的间壁式换热器综合实验台架，台架包含三种间壁式换热器：管式换热器、板式换热器和列管式换热器。间壁式换热器是用壁面将两种温度不同的流体分割开来，在温度差的作用下通过壁面壁面接触导热使两种流体在壁表面产生热对流进行换热的一种换热器。间壁式换热器也是目前应用最为广泛的换热器之一。

河北建筑工程学院李凡，将板式换热器模型化为为一个无限长的单柱管，换热过程模型化为热流体工质与壁面的热交换、壁面与冷流体工质的热交换，创新地运用了CyberSim平台建立模型，完成了板式换热器的数字化表示及仿真模型，并通过将模型和真实板式换热器的实际实验数据对比校验了其数字化仿真模型。结题验收成果表明，仿真模型数据与实际运行数据的基本吻合，相对误差在５％以内，满足仿真要求^[4]。

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