RealFlow在模擬計量分離器流程中的應(yīng)用

摘 要 在油田領(lǐng)域中，井口計量分離器內(nèi)部的工藝流程由于罐體本身為一個相對密閉的容器，因此在培訓(xùn)講解中無法進(jìn)行剖析演示，針對分離器設(shè)備工藝流程利用RealFlow流體模擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，對其實用性進(jìn)行了初步的嘗試，同時結(jié)合分離器的流程模擬制作的過程，介紹了RealFlow的特點、功能。文章通過對比測試，較好的解決了粒子碰撞計算與逼真度平衡的問題，同時對流體mash模型及相關(guān)技術(shù)特點進(jìn)行了分析，為模擬仿真系統(tǒng)開發(fā)中的流體運(yùn)動的模擬提供了一種較好的解決方法。

關(guān)鍵詞 RealFlow；工藝流程；流體模擬

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0069-01

在對密閉設(shè)備的工藝流程培訓(xùn)過程中，如果利用圖片、文字說明等傳統(tǒng)的演示方法對其描述，具有很多的局限性，培訓(xùn)效果也很難滿足要求。如果利用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)進(jìn)行模擬仿真設(shè)備實體，再利用流體模擬仿真技術(shù)，可真實模擬出設(shè)備內(nèi)部流體的流動過程。

1 流體模擬工具RealFlow

RealFlow是3ds max、Maya、LightWave、Softimage|XSI等3D工作平臺的重要的通用外圍軟件。RealFlow是目前唯一能夠處理粒子對物體的作用的一整套力學(xué)模擬系統(tǒng)。RealFlow也可以作為單純的粒子系統(tǒng)使用，來處理數(shù)量龐大的粒子。在相同硬件條件下，RealFlow能處理的粒子數(shù)是3DS Max或Maya等3D平臺所能處理的粒子數(shù)的幾十倍。

2 RealFlow的主要特色[1]

1）非常直觀的圖形化友好界面，完全支持OpenGL。

2）氣體、液體、粘性的和彈性的物質(zhì)能夠很容易地仿真。

3）擁有多種不同類型的粒子發(fā)射器。

4）多種液體間的互動。

5）采用優(yōu)化平滑內(nèi)核的內(nèi)建多線程的網(wǎng)格生成機(jī)制。

6）完全支持各種大型三維動畫軟件平臺。

7）在同一網(wǎng)格中不同流體之間常用材質(zhì)的混合。

3 RealFlow的制作流程

RealFlow的制作思路是通過粒子模擬流體、氣體的流動與碰撞，運(yùn)算出正確的運(yùn)動軌跡，再在質(zhì)點與質(zhì)點之間產(chǎn)生平滑的多邊形網(wǎng)格。保存序列文件后，再導(dǎo)入到其他3D軟件中渲染。以3Ds max為例，講述它的制作流程。

1）在3Ds max中制作場景，可以保存兩種RealFlow接受的格式，不動的模型可以保存為obj格式，動畫的模型可以保存為SD格式，視需要而定。

2）在RealFlow中進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，包括三種文件類型：

屏幕圖像—可以保存為逐幀圖片，只有預(yù)視效果的作用，沒有實際作用；Mesh網(wǎng)格—將液體模型輸出成逐幀Bin文件，這種動態(tài)模型可以在三維軟件中打開；粒子—將點狀粒子輸出成逐幀Bin文件，它可以在三維軟件中打開，具有粒子系統(tǒng)的功能。

3）在3Ds max中導(dǎo)入需要的數(shù)據(jù)，包括液體模型（Bin文件）和粒子系統(tǒng)（Bin文件）兩種類型，與整個場景進(jìn)行整合渲染，液體模型可以使用各種材質(zhì)類型。

4 利用RealFlow模擬分離器內(nèi)部液體流動的過程

4.1 分離器三維模型的制作

利用3Ds max軟件制作出分離器內(nèi)部節(jié)構(gòu)模型，由于RealFlow只能識別三角形的網(wǎng)格物體，將其簡化的模型轉(zhuǎn)換為可編輯面片，變?yōu)槿蔷W(wǎng)格物體，最終導(dǎo)出為obj格式文件。

4.2 分離器設(shè)備流程中液體流動的模擬

4.2.1 分離器內(nèi)部流程過程

要達(dá)到真實模擬效果，必須先了解流體流動過程。液體流動的過程是：液體先從分離器一端的進(jìn)口處由底部向上噴出待液體達(dá)到一定高度后，由于豎管將液體導(dǎo)入計量罐內(nèi)，這時，開始進(jìn)行量油，直到量油結(jié)束，將罐體內(nèi)的液體導(dǎo)出。

4.2.2 模型的導(dǎo)入

由于3Ds max的單位與realflow的單位比例為100：1，導(dǎo)入后將模型的比例縮小為0.01。這樣設(shè)置在能實現(xiàn)相同效果的同時，也可以減少粒子的發(fā)射數(shù)量，解算的時間變短。

4.2.3 粒子、重力加速器

RealFlow中的粒子類型有很多種，根據(jù)我們要求，選用圓面粒子發(fā)射器。為了模擬真實的效果，將粒子發(fā)射器進(jìn)行角度傾斜，讓粒子先碰撞到管壁，再沿管壁在重力的作用下流動。通過對粒子的精度、密度、內(nèi)外壓力、粘滯性、速度、粒子發(fā)射時間進(jìn)行調(diào)整。

4.2.4 mesh網(wǎng)格模型的生成

在調(diào)整粒子達(dá)到最終效果后，給粒子披上一層外衣-網(wǎng)格模型，對粒子進(jìn)行包裹。網(wǎng)格模型作為最后導(dǎo)入到3Ds max中的網(wǎng)格物體。過濾器是設(shè)置網(wǎng)格外觀比較重要的一項設(shè)置，也用于解決網(wǎng)面與其他物體的適配問題，尤其是網(wǎng)面與填充物體的適配[2]。

4.3 RealFlow中粒子運(yùn)動的屬性設(shè)置

4.3.1 流體的運(yùn)動過程中粒子運(yùn)動的狀態(tài)

由于計量間分離器中始終有一部分液體，模仿這部分液體是通過粒子器預(yù)先注入粒子，待粒子穩(wěn)定后再從入口處注入新的粒子。這部分粒子對于系統(tǒng)的運(yùn)算速度產(chǎn)生很大的影響，粒子過多會造成運(yùn)算緩慢，粒子過少會造成重新注入粒子后，由于粒子之間的密度變化及內(nèi)壓差的突然變化產(chǎn)生過大的波瀾，對模擬的真實度產(chǎn)生影響。

4.3.2 模擬液體表面，mesh網(wǎng)格的設(shè)置

在模擬罐體與液體相接觸的面與液體表面之間的角度盡可能與真實的場景相似，就需要對mesh網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整[3]。Mesh中屬性面板中的Polygon size（多邊形尺寸）只是設(shè)置組成網(wǎng)格面中的多邊形密度的大小，對于初形成網(wǎng)面的臃腫的調(diào)節(jié)

無效。

4.3.3 場景優(yōu)化，改善粒子的運(yùn)算速度

創(chuàng)建RealFlow場景時，默認(rèn)系統(tǒng)縮放比例值為一個標(biāo)準(zhǔn)單位，導(dǎo)入的模型往往很大，通過改變系統(tǒng)默認(rèn)值以適應(yīng)粒子發(fā)射器的大小來減少粒子的計算時間，加快粒子的計算過程。

5 結(jié)束語

利用RealFlow進(jìn)行流體模擬，實現(xiàn)了分離器工藝流程的模擬過程，提高了系統(tǒng)開效率，較好的解決了粒子碰撞計算與逼真度平衡的問題，同時對流體mash模型及相關(guān)技術(shù)特點進(jìn)行了分析。為模擬仿真系統(tǒng)開發(fā)中的流體運(yùn)動的模擬提供了一種較好的解決方法。

參考文獻(xiàn)

[1]歐陽箴.隼之翼II暢游流動的世界[M].北京：希望電子出版社，2002：2-7.

[2]張慶中.Maya總動員RealFlow影視特效秘籍[M].北京：希望電子出版社，2007：103-104.

[3]雷桐.REALFLOW流體制作經(jīng)典實例解析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：272-273.

作者簡介

叢立明（1976-），男，工程師，研究方向：計算機(jī)軟件開發(fā)。endprint