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《北京邮电大学》 2018年
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基于CT可视化技术的燃料电池水管理辅助软件的设计与实现

杨嫒  
【摘要】:燃料电池作为一种新型的发电装置,具有无污染、原料丰富、能量转化率高等诸多优点,具有非常高的研究价值。燃料电池内部的水气传输对其性能和稳定性有着非常关键的影响,水含量越多,质子交换膜的质子传导能力越强,但是如果水含量过高,会堵塞流道,使氢气和氧气无法均匀存在于流道中,燃料电池反应效率降低,导致电池性能下降。所以燃料电池的水管理至关重要,需要对燃料电池流道内的水气变化进行观察。然而燃料电池是一个密封、不透明的装置,无法做到直接观察内部流道的变化而不破坏它。本课题使用X射线对在不同工作过程中的燃料电池进行CT扫描,得到大量的二维层析图像,利用这些层析图像作为数据集,在Visual Studio 2013平台上利用MFC和VTK框架,使用C++语言设计并实现一个燃料电池CT可视化系统。本文首先介绍了光学模型、数据分类、数据点的赋值与重采样以及图像合成等方面的体绘制相关技术。详细分析了燃料电池CT可视化系统的功能需求,给出了系统的整体架构,划分系统的各个功能模块,设计了空间变化操作、光学传输函数设置、体绘制算法、流道提取、四维过程可视化、物质含量图表显示六个关键的功能。针对燃料电池内部流道部分提取问题,描述了本文采用的方法,首先对图像采用均值滤波进行降噪并进行二值化处理,然后采用Canny算子对图像进行边缘检测,利用实验获得了提取效果最好的阈值范围,最后通过计算每个轮廓所圈定的面积对流道部分进行提取。在体绘制方面,实现了在光线投射算法、等值面算法、二维纹理映射算法、最大密度投影算法下的燃料电池三维成像效果,重点论述了光线投射算法实现过程。采用VTK中的观察者/命令模式设计并实现了四维过程可视化功能。使用开源工具CChart实现了物质含量的饼状图、折线图显示。论文依次对3D重构菜单栏、4D重构菜单栏中的各个操作界面进行展示,并说明了 CT扫描的实验过程、测试的实验环境和软件中主要功能运行的时间对比,最后对本次课题进行了总结,针对当前系统中存在的不足指出了研究方向。该系统可以三维重构出燃料电池以及其内部流道的立体形态,四维重构出燃料电池的工作过程,并显示各物质成分所占的比例,能够使研究人员清晰、多角度的观察燃料电池内部流道中的变化情况。这样可以辅助研究人员发现燃料电池中的关键问题,从而提出改进燃料电池的设计方案。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM911.4;TP311.52

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