ВИРТУАЛЬНЫЙ СИМУЛЯТОР ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРИТОЧНЫХ СТРУЙ НА БАЗЕ UNREAL ENGINE

Эффективность вентиляционных систем и комфорт в помещениях во многом определяются поведением приточных струй. Традиционные методы изучения этого явления - физические стенды, дымовая визуализация - плохо масштабируются и не позволяют быстро менять параметры, что затрудняет понимание сложных аэродинамических процессов. Профессиональные пакеты вычислительной гидродинамики (CFD) обеспечивают высокую точность, но требуют сложной настройки и долгого расчёта, поэтому в учебном процессе используются редко. Для решения этих проблем предлагается виртуальный симулятор, сочетающий упрощённую, но физически корректную модель течения с современными средствами визуализации и взаимодействия. Интерфейс, реализованный на Unreal Engine, обеспечит интуитивную настройку входных параметров и мгновенную визуальную обратную связь. Предполагается, что такая система позволит студентам самостоятельно исследовать влияние различных факторов на структуру струи и повысит эффективность изучения процессов тепло и массообмена.

Методология и архитектура симулятора Разрабатываемая система имеет двухуровневую структуру. На нижнем уровне располагается вычислительное ядро, реализованное на C++, основанное на методе конечных объёмов. В базовом режиме модель выполняет расчёт ламинарного течения; для типовых вентиляционных задач реализованы упрощённые турбулентные модели RANS типа k–ε, обеспечивающие приемлемый баланс точности и быстродействия. Временная дискретизация может выполняться как явными, так и неявными схемами. Для неизотермичных режимов учтены теплоперенос и подъемная сила, что позволит моделировать искривление струи под действием температурных градиентов. На верхнем уровне используется игровой движок Unreal Engine, который отвечает за ввод параметров, управление сценариями и визуализацию результатов. Визуализация полей скорости и температуры реализуется с помощью системы Niagara: пользователю отображаются поля скорости, линии тока, температурные карты и анимация частиц, демонстрирующая процесс перемешивания. Интерфейс, созданный в Blueprints, включает панели для ввода параметров, функции сохранения и загрузки сценариев и быстрый перезапуск экспериментов. Связь между вычислительным ядром и фронтендом осуществляется либо посредством встраивания библиотеки непосредственно в проект UE, либо через лёгкий обмен данными по API (сокеты или временные файлы) в асинхронном режиме. Методология проверки корректности работы симулятора включает несколько этапов. На этапе верификации используются метод Manufactured Solutions, юнит тестирование, контроль балансов массы и энергии на простых задачах. Далее проводится анализ сходимости по сетке: серия расчётов на различных разрешениях позволит оценить порядок точности и выбрать оптимальную расчётную сетку. На этапе валидации профили скорости и температуры сравниваются с литературными эталонами и результатами расчётов в OpenFOAM или коммерческих пакетах; по возможности используются опубликованные экспериментальные данные. Завершающий этап - педагогическое тестирование: проведение пред и пост тестов со студентами и сбор их отзывов о понятности и удобстве использования симулятора.

Пилотный прототип симулятора позволит в интерактивном режиме изменять скорость воздушного потока, температурные характеристики, геометрию сопла и другие параметры притока. Любое изменение входных данных немедленно отразится на визуализации: пользователь наблюдает распределение скорости вдоль оси струи, формирование зон перемешивания на границе струи с окружающей средой и влияние температурных градиентов на траекторию. Проведённые тесты подтвердят, что полученные профили скорости и температуры имеют физически правдоподобную форму и согласуются с классическими теоретическими предсказаниями и эталонными CFD расчётами. Расчёты на оптимально подобранных сетках устойчивы и воспроизводимы. Предварительное педагогическое исследование покажет, что студенты, работающие с симулятором, демонстрируют более глубокое понимание процессов формирования струй и лучше справляются с анализом задач вентиляции по сравнению с контрольной группой. Участники отметят удобство использования интерфейса и наглядность визуализации. Вместе с тем проект имеет ряд ограничений. Для обеспечения быстрых расчётов приходится ограничивать размер расчётной сетки и использовать упрощённые модели турбулентности, что не позволит воспроизводить мелкомасштабные вихревые структуры. Реализация более точных моделей, таких как LES или DNS, ограничена отдельными демонстрациями из-за их ресурсоёмкости. Сложность интеграции вычислительного ядра с Unreal Engine требует аккуратной работы с управлением памятью и синхронизацией процессов. Для полноценной валидации модели необходимы достоверные экспериментальные данные для изучаемых режимов течения и геометрий.

Разрабатываемый виртуальный симулятор приточных струй представляет собой инновационное учебное средство, сочетающее упрощённые CFD расчёты с современными средствами визуализации. Возможность в реальном времени менять параметры притока и сразу видеть результаты сделает симулятор эффективным инструментом для обучения студентов теплофизическим и аэродинамическим дисциплинам. По сравнению с традиционными лабораторными установками и профессиональными CFD пакетами предлагаемый подход обеспечит высокую наглядность и интерактивность при приемлемой точности. В перспективе планируется расширение функциональности системы: внедрение LES и гибридных моделей турбулентности, поддержка VR/AR режимов для погружающего обучения, увеличение библиотеки сценариев с различными типами помещений и системами с несколькими притоками. Также планируется публикация открытого набора учебных задач и примеров верификации для более широкого использования разрабатываемого симулятора в образовательном процессе.