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摘要：本文针对传统实验教学的局限性和虚拟仿真实验的迫切性需要，借助Creo软件和Unity3D软件，完成了流体流动过程的虚拟仿真实验系统的设计。本设计开发的虚拟仿真实验具有项目逼真、操作简单、简易交互功能等特点，可完成对实验装置VR场景、装置介绍、实验基础知识、实验操作的学习。
关键词：三维建模；虚拟仿真设计；流体流动过程实验；Unity3D
Realization and Teaching Application of Virtual Experiment of Fluid Flow Process
YUAN Jianjun,LIU Xinying,CHI Xinyu,CHENG Baojia
（Intelligent Equipment College,Shandong University of Science and Technology,Taian Shandong 271019）
【Abstract】：In view of the limitations of traditional experimental teaching and the urgent needs of the virtual simulation experiment,this paper completed the design of virtual simulation experiment system of a fluid flow process using the CREO software and the Unity3D software.The virtual simulation experiment developed in this design has the characteristics of realistic project,simple operation,simple interaction function,etc.,which can help the study of VR scene,device introduction,basic experimental knowledge and experimental operation of the experimental device.
【Key words】：3D modeling;virtual simulation design;fluidflow process experiment;Unity3D software
目前我国普通高等教育化工实验教学依然延续“上课＋实验”的传统模式，上课过程仍停留在老师讲、学生听的模式。教学流程通常是先集中进行大班化的理论课堂教学，然后安排集体实验课程。该实验教学方式在实验流程熟悉、实验课后复习等方面存在着较大的弊端。
今年来，为了提升高校办学水平和人才培养的质量，加快实验室教学改革和实验室建设，教育部拟将学科专业与信息技术深度融合，通过支持并鼓励高校建立以虚拟现实技术为基础的虚拟仿真实验教学资源，运用信息化的手段促进教学效果提升[1]。
疫情防控期间传统的教学方式面临着巨大的挑战，尤其实验教学方面，如何实现一些传统实验在线上的虚拟仿真，人机交互变得尤为迫切。
本文借助Creo软件和Unity3D软件，完成流体流动过程实验的3D建模、场景搭建和虚拟仿真的设计，解决该实验的在线和远程教学需要[2]。
1实验原理
本文针对流体流动中的流量计性能测定实验为例，该实验的实验原理是流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：
式中：Vs―被测流体(水)的体积流量，m/s；3
C―流量系数，无因次；
A0―流量计节流孔截面积，m2；
P上-P下―流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa；
ρ―被测流体(水)的密度，kg/m3。
本实验主要是用涡轮流量计和转子流量计作为标准流量计来测量流量VS。每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数△P和流量Vs绘制成一条曲线，即流量标定曲线。同时用上式整理数据可进一步得到C-Re关系曲线。
2 3D建模
本设计所选用的流体流动过程综合实验装置为天津大学化工基础实验中心所设计，型号为BLTZ-B，该实验装置的流程图如图1所示。针对不同的实验目的，该装置可以对不同管路的温度、压差、流量和离心机的功率进行调整。
1-离心泵；2-水箱；3、7-缓冲罐；4-光滑管测量管；5-粗糙管测量管；6-局部阻力测量管；8-流量计校核与离心泵性能测定管；V1-V19为测压管路阀门；V20-流量计校核与离心泵性能测定管流量调节阀；V21-流体阻力小流量调节阀；V22-流体阻力大流量调节阀；V23-光滑管阀；V24-粗糙管阀；V25-局部阻力阀；V26、V27-压力表阀；V28-水箱放水阀；F1-文丘
里流量计；F2-涡轮流量计；F3-转子流量计；F4-转子流量计；T1-温度计；P1-离心泵出口压力；P2-离心泵入口压力；PD1-压差传感器；PD2-倒置U型管。
在建模过程中，使用Creo软件，根据流体流动综合实验装置，按照统一的尺寸和比例构建各个元件模型，为了使得效果更加逼真，将装置各个元件模型构建完成后，还要将零部件进行进行材质渲染，完成的实验装置的部分效果图如图2所示。
经过材质渲染后才能将每一个元件装配起来，构成完整的装置模型，完成的虚拟实验的3D模型如图3所示。
3虚拟仿真平台
本论文的虚拟仿真的实现主要借助Unity3D软件来完成的，主要涉及的设计内容有碰撞检测技术、第一人称视角漫游及视角控制、光标检测物体、编辑模块组件信息。
3.1虚拟仿真系统功能设计
根据本虚拟仿真设计的设计需要，并结合开发软件的特点，确定流体流动过程虚拟仿真设计实验系统的功能。该实验系统的功能将分为两个模块：
（1）展示功能模块：通过Creo软件进行元件的三维建模、颜色材质的渲染和细节部分的贴图后，对实验装置的放置场景也进行布置，使该实验系统在Unity3D设计的展示模块中，达到逼真的展示效果。使用户可以任意选择观察角度，观察任意元件的细节；
（2）实验功能模块：该模块主要通过Unity3D软件实现。涵盖实验介绍、元件介绍和基本回路装配等实验内容。
3.2文件格式转换
完成流体流动过程实验装置零部件的建模后，需要对零部件进行装配，所有零部件都完成装配后，需要检查各零部件之间比例关系和位置关系是否合适，若比例关系和位置关系都合适，则装配模型接下来需要导入到Unity3D中进行虚拟仿真设计。
将零件模型文件和装配模型文件转换为.obj格式，便于导入到Unity3D软件中进行操作。在转换格式保存时，需要将所有的模型选定统一的U-V转换平面，由于零件模型和装配模型中的平面过多，尤其在装配模型中，所以需要选定统一的平面，设定为U-V转换平面，便于后续在Unity3D中进行操作。
转换格式和设置U-V转换平面操作如图4所示。
3.3模型整合实例
在Creo软件中完成建模操作后，将装配完的零件装配图从Creo软件中以.obj的格式导出，选定统一的U-V转换平面。将该模型文件导入Unity3D软件进行虚拟仿真设计之前，需要使用Unity3D软件将模型中不同的零部件进行整合划分。由于软件的兼容性等问题，从Creo软件中以.obj的格式导出的文件，是由三角面构成的，导入到Unity3D软件中后，需要手动将元件模型进行整合，此操作过程比较繁琐，在操作过程中需要注意，不能漏掉元件的三角组成模块。
3.4碰撞检测技术
本系统需要添加第一人称控制器(First Person Controller)来实现第一人称视角场景的漫游功能。元件模型在虚拟场景中漫游时，无论在虚拟场景中构建的墙壁还是导入的试验台模型，都不具有现实中的刚性，导致以第一人称视角进行漫游时，会直接穿过墙壁和实验装置，降低虚拟仿真设计的真实性和体验感。
Unity3D软件内置了可以模拟刚体碰撞的PHYS X物理引擎。该物理引擎由NVIDIA开发，可以直接导入到虚拟场景中。
3.5第一人称视角漫游及视角控制
本系统需要添加第一人称控制器(First Person Controller)来实现第一人称视角场景的漫游功能。元件模型在虚拟场景中漫游时，无论在虚拟场景中构建的墙壁还是导入的试验台模型，都不具有现实中的刚性，导致以第一人称视角进行漫游时，会直接穿过墙壁和实验装置，降低虚拟仿真设计的真实性和体验感。
Unity3D软件内置了可以模拟刚体碰撞的PHYS X物理引擎。该物理引擎由NVIDIA开发，可以直接导入到虚拟场景中。
除了需要导入刚体组件之外，还需要在元件模型中添加Collider组件，Unity3D软件中内置的碰撞器有：盒子对撞机、胶囊对撞机、地形碰撞器、网格碰撞器、球体碰撞器、车轮碰撞器六种轮式对撞机，每个对撞机的名称基本上反映了它的特点，比如球体对撞机主要通过检测对撞机的球中心距离来判断碰撞，不适合非球面模型的碰撞检测。由于本虚拟仿真设计的元件模型主要为长方形和圆柱形，所以选用盒子碰撞器对系统的元件模型进行包装。操作面板如图5所示。
3.6光标检测物体
在虚拟场景中，想要达到使用去触发某些元件模型的目的，要先判断鼠标是否指向了Sprite。系统拥有鼠标当前的位置坐标后，使用Unity3D系统自带的射线检测模块去检测元件模型，同时为了避免射线无法直接检测元件模型，需要先给Sprite加上BoxColider组件。然后使用Unity3D中的ScreenPointToRay指令，Screen PointToRay指令会是光标摄像机中发射一条射线到屏幕并返回这条射线，得到的参数就是元件模型的坐标。
3.7编辑模块组件信息
模型组件可以被光标捕捉和高亮显示后，还需要将模型组件的基本信息，如模型组件的名称、简介等添加到模型组件中，使光标捕捉到模型组件并点击选择后，可以显示出对应的名称和信息框，便于用户认识和学习模型元件的基本知识。名称显示信息和详细信息展示如图6所示。
4结论
在以计算机技术为基础的信息化教学方式逐渐在高等院校课程教育普及的大背景下，以流体流动过程综合实验为三维建模及虚拟仿真设计的研究对象，根据虚拟仿真教学的需求和实验内容，将虚拟仿真技术应用到流体流动过程综合实验虚拟仿真设计的开发中。以Creo软件建模软件和Unity3D软件为基础，设计流体流动过程综合实验虚拟仿真系统，让学生能够在网络虚拟实验室中，自主学习实验设备的基础结构和实验装置零部件简介，与传统的实验教学模式相互补充，推进理工科专业的教学模式改革。
参考文献
[1]教育部办公厅.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2013-08-21)[2020-06-08].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08/s7056/201308/t20130821_ 156121.html．
[2]宋莎.基于虚拟仿真实验教学平台的化工类专业应用创新型人才培养模式[J].化学教育(中英文),2019,40(22):74-78.
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