手机平台摩擦阻力系数计算软件的开发

卢向华 ,芮胜军 ,梁坤峰

(1.洛阳理工学院计算机与信息工程系,河南洛阳 471023;2.河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳 471003)

0 前言

在管路输送的工程设计计算中,求管内流体的能量损失是一项非常重要的计算内容。根据流体接触的边壁沿程变化情况,通常将能量损失分为沿程阻力损失和局部阻力损失[1-3],沿程阻力的求解常用达西方程[3-4],其求解的关键是摩擦阻力系数 λ的求取[5],λ的计算过程繁琐复杂,用公式计算困难且易出错。因此,在工程实际中,设计人员往往通过查莫迪图得到摩擦阻力系数 λ,这种方法虽然比较简单,但在工程施工现场携带和使用莫迪图很不方便。目前手机的使用已经非常普遍而且携带方便,基于Java技术的手机处理能力越来越强,存储容量越来越大,操作也越来越便利,在手机上开发 Jave应用程序来扩展手机的功能,成为手机发展的一种新趋势,从而手机也成为移动计算的首选。鉴于这种情况,本文利用J2ME技术开发了一个可以在支持CLDC1.1和CLDC2.0 API的手机上运行的摩擦阻力系数计算软件,工程设计人员在施工现场利用随身携带的手机就可以快速准确地计算摩擦阻力系数,大大提高工作效率。

1 J2ME技术架构

J2ME是SUN公司专门为小型的消费类电子设备(如手机、PDA、电视机顶盒等)而设计的JAVA2平台,是目前使用比较多的基于移动设备的开发技术,可以应用到移动电话、个人数字助理、网络 IP电话、机顶盒以及车载导航等系统中[6]。J2ME技术核心由一个Java虚拟机及一套适合运行在上述设备环境上的API构成,包括配置、简表和可选包3种类型的规范[7]。配置是为较窄范围的设备提供的基本类库(一组低级的API,代表Java至少必须提供的低级功能)和虚拟机,到目前为止,J2ME有两种配置:面向小型移动设备的CLDC和面向运行能力较强的移动设备的CDC。简表针对各种不同机器的特性定义了高级的API,通过简表可以定义J2ME所对应的Java平台,就移动设备而言,MIDP是使用最广泛的简表,是基于CLDC的目前最流行的Java运行环境。MIDP构架于CLDC之上,它扩充了CLDC APIs,为移动设备提供应用程序生命周期管理、图形界面、持久性存储、网络连接、安全等方面的 APIs。按照MIDP规范开发的J2ME应用程序叫MIDlet,在MIDlet生命周期中有3种可能的存在状态:运行状态、暂停状态、销毁状态。目前在手机上应用比较广泛的是MIDP2.0和CLDC1.1两项规范。可选包是一些本身具有独立价值的API,用来进一步扩充功能,如蓝牙、无线消息、3D图形等功能。

用于J2ME程序的开发工具为J2MEWireless Toolkit(即J2ME WTK),它是Sun公司提供的一个用于创建MIDP应用程序的工具集,是源代码的编译和运行的集成开发环境。

2 乘幂函数与对数函数设计编程

由于CLDC精简掉了J2SE类库中与微型设备无关的类,因此它只提供了有限的数学计算函数。开发摩擦阻力系数计算程序,需编写自然对数函数[8]和乘幂函数[8-9]。

表1和表2是自编函数与标准值的对照,从表1和表2中可以看出:ln(x)函数和pow(a,b)函数的计算结果与标准值之间的最大误差分别在 10-15和 10-9内,从而保证了摩擦阻力系数计算的准确性。

表1 ln(x)函数的计算结果与标准值的比较

表2 pow(a,b)函数的计算结果与标准值的比较

3 摩擦阻力系数计算设计编程

通过对用户需求及计算所采用的相关公式[10-12]的分析,计算摩擦阻力系数 λ,首先需要求得雷诺数Re。而雷诺数Re不仅和流速u有关,还和圆管直径d、流体的运动粘滞系数v有关,v由流体的温度t决定。通常情况下,大都是已知管径d、流体温度t及流量u(或流速)等参数求得雷诺数 Re,再根据其他相关参数及公式计算摩擦阻力系数 λ。

本软件设计包括输入、输出界面的搭建和实现计算功能的算法设计。输入界面用于接收用户输入的参数并进行计算,输出界面用于显示计算的结果,还可以通过按钮返回到输入界面修改或重新输入参数继续计算,算法设计的关键在于运用迭代算法计算摩擦阻力系数 λ。使用本软件只需要输入管道材料及直径、流体温度及流量,选择流体类型,就可以快速、准确地计算出摩擦阻力系数。

根据上述对该软件的总体结构设计,本文采用CLDC1.1配置和MIDP2.0简表,在Eclipse可视化开发环境中具体编程实现了该软件。采用WTK2.5.2模拟器运行,输入和输出界面分别如图1和图2所示。

4 计算实例及误差分析

本文针对实际工程应用中的常见情况,设计了多组数据在诺基亚 2700c型手机进行测试,并将计算结果与传统查莫迪图法得到的数据进行比较。表3中仅列出了采用文献[3-4]和文献[12]中的数据进行测试的部分结果。

通过比较可以看出:使用本软件计算出的摩擦阻力系数与通过查莫迪图得到的数据吻合。由于移动平台本身的原因,在其上进行浮点运算会导致一些误差,但是该误差在工程误差范围内,因此,本软件能够满足工程计算的精度要求。

表3 计算结果准确性对照表

5 结束语

本文利用J2ME技术开发了基于手机平台的摩擦阻力系数计算软件并进行测试,结果表明:该软件运行速度快,所得数据精度高,而且操作简单,使用灵活,可以方便工程人员在工程现场快速、准确地计算出摩擦阻力系数。该软件为工程人员提供了一个计算摩擦阻力系数的新途径,可以省去携带和查找纸质资料的麻烦,在实际工程施工现场,可以随时随地利用随身携带的手机进行数据计算,大大提高计算效率和准确率。由于手机携带方便,使用广泛,基于手机平台的摩擦阻力系数计算软件具有较好的应用效果和使用价值。

[1] 曹北平,叶枫.用Excel修正流体阻力摩擦系数关联式的探讨[J].计算机与应用化学,2008,25(8):1024-1026.

[2] 周传辉,翁维安.流体阻力系数的计算方法[J].制冷与空调,2004(3):35-36.

[3] 归柯庭,汪军,王秋颖.工程流体力学[M].北京:科学出版社,2003.

[4] 赵孝保,周欣.工程流体力学[M].2版.南京:东南大学出版社,2008.

[5] 叶枫,曹北平.流体阻力摩擦系数关联式的比较与改进[J].广州化工,2009,37(2):12-15.

[6] 万辉,王军.基于Eclipse环境的J2ME应用程序的开发[M].北京:清华大学出版,2009.

[7] 唐自仰,刘瑾,张克君.基于J2ME/Servlet的手机聊天系统[J].计算机工程,2009,35(10):262-264.

[8] 同济大学数学教研室.高等数学:下册[M].北京:高等教育出版社,1996.

[9] 王中伟.基于J2ME手机的工程测量软件中的乘幂算法[J].测绘工程,2009,18(1):32-33.

[10] White,Frank M.Fluid Mechanics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.

[11] 曹北平.流体阻力摩擦系数关联式演变的探讨[J].广州化工,2009,37(4):28-31.

[12] 周谟仁.流体力学泵与风机[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,1985.