专利名称：面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法
技术领域：
本发明涉及流场数据分析技术领域，尤其涉及一种非定常三维流场的涡结构自动分析方法。
背景技术：
流体的涡旋运动是工程和自然界中普遍存在的一种流动现象，对产品设计有重要的影响。例如，在机翼周围产生的涡，既有可能增强其升力，也有可能产生强烈的湍流，导致结构疲劳和失效。在汽车周围产生的涡会增加阻力，产生噪音，并且有可能在雨中影响视线。因此，分析涡的生成、运动、变化规律非常重要。当前学界对定常条件下涡的生成机制及其稳定性已有一般共识，但对非定常情况下涡运动的机理还在继续探索之中。对于非定常复杂流场，常规的分析方法主要是可视化技术，如流线、迹线抽取，等值面抽取，体绘制和纹理映射等。但流线、迹线等矢量可视化方法在复杂流场中很难选定适当的种子点来表达流场的整体特征，结果往往含有大量冗余信息。等值面和颜色映射主要针对标量场，可以反应激波等特征的位置，但对于矢量场分析作用较少，同时等值面的合理取值也需要反复手工尝试。体绘制和纹理映射具有较好的绘制效果，能显示流场某些方面的全局信息，但体绘制主要针对标量数据，纹理映射主要针对2 维和2. 5维空间数据，对于高维复杂矢量场的描述能力都非常有限。为了更好地了解流场的特征和规律，近年来流场拓扑结构特征的抽取和可视化技术得到了广泛的发展和应用。对于涡的运动，流场特征抽取的基本思想是将流场中的涡结构单独分割出来，去除掉其他非关键的流域，这样能显著提高流场分析的效率。这种方法对稳态数据非常有效，但对非定常时序数据，虽然可以通过动画的形式演示，但由于特征的数目非常多，很难直接观测到流动发展的全貌。
发明内容
为了避免传统可视化技术在降维过程中遇到的信息遗漏或显示过度复杂等问题， 本发明为计算流体力学软件的后处理部分提供一种非定常三维流场涡结构的智能分析方法。本发明的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法的实现，其特征是包括以下步骤
(1)获取流体计算数据；
(2)利用涡检测算法检测流场中涡结构的位置；
(3)进行涡的度量，计算涡的几何参数、动力学参数、统计参数等属性；
(4)使用涡核匹配的方法对涡的运动进行跟踪，形成涡状态变化图，对涡状态变化图进行标号，涡的状态变化图中每个节点代表一个时间步中的一个涡结构，节点属性是涡结构的各种度量特征，这样涡的状态变化图将复杂的时序三维场数据映射为了二维有向无环图；(5)对该状态图进行频繁子图挖掘，能够将状态图中经常出现的模式抽取出来，以分析对应流场中涡的运动规律。(6)通过步骤(2)- (5)所获得的流场涡结构的各种信息，作为CFD软件后处理部分可视化的输入或者后处理部分数据挖掘的输入用来分析流场涡结构的变化规律。本发明的有益效果在于
1.为不定常三维流场涡结构的分析提供了一种智能化的解决方案，可以从数据中快速高效的寻找有价值的信息。能够辅助工程师更好地进行产品设计和性能分析。2.采用基于涡核匹配的涡结构跟踪算法，匹配精确高、速度快。3.应用图挖掘技术分析涡结构状态变化图，能够自动寻找涡结构的变化规律。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。图1为面向非定常流场涡结构分析框架图； 图2为涡结构的特征图3为涡结构状态变化图； 图4列车隧道三维模型全景图5数据挖掘频繁子图，其中，(a)为涡结构跟踪图中所有顶点标号为ν的频繁子图； (b)为顶点按照ζ大小标号为zl-zlO的频繁子图；(c)为顶点按照长度length大小标号为 Iengthl-IengthlO 的频繁子图。
具体实施例方式1.获取流体计算数据；
计算流体力学的数据的获得要几何建模、划分网格、求解器求解几个步骤。几何建模需要通过实际工程测绘获得精确的几何模型的尺寸，包括实际几何模型的长、宽、高、半径等几何信息，利用几何建模软件建立几何模型；根据实际计算的需要，将几何模型划分成许多网格单元；计算求解阶段根据流体运动的基本方程质量守恒、动量守恒、能量守恒定律进行求解，获得流场数据的计算结果。2.利用涡检测算法检测流场中涡结构的位置；
把输入计算模型的网格分解成四面体单元；对于每一个四面体网格线性插值速度ν得到速度梯度矩阵J ；计算J的三个特征值，如果J有一个实特征值
毛和一对共轭复特征值冬时，算法进入下一步，否则处理下一个四面体网格；将四面体每个节点处的速度V减去V在上的投影，这相当于计算V在以4为法向量的平面上的投
影；在四面体网格内差值得到W的各个分量，将W置为零得到W为零的直线1，若1和此四面体相交两次则将此线段加入涡核中。3.进行涡的度量，计算涡的几何参数、动力学参数、统计参数等属性；
涡结构的几何参数包括涡结构的位置、大小、形状、体积等参数，动力学参数包括旋转方向、旋转速度，统计学特征指涡结构范围内的平均速度、平均压力、速度的均方差、压力的均方差等其他的一些统计特性。
涡结构的位置是提取到涡结构所有涡核点位置的平均值
权利要求
1.一种面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)获取流体计算数据；(2)利用涡检测算法检测流场中涡结构的位置；(3)进行涡的度量，计算涡的几何参数、动力学参数、统计参数等属性；(4)使用涡核匹配的方法对涡的运动进行跟踪，形成涡状态变化图使用涡核匹配的方法对涡的运动进行跟踪，形成涡状态变化图，对涡状态变化图进行标号，涡的状态变化图中每个节点代表一个时间步中的一个涡结构，节点属性是涡结构的各种度量特征，这样涡的状态变化图将复杂的时序三维场数据映射为了二维有向无环图；(5)对该状态图进行频繁子图挖掘，能够将状态图中经常出现的模式抽取出来，以分析对应流场中涡的运动规律；(6)通过步骤(2)-(5)所获得的流场涡结构的各种信息，作为CFD软件后处理部分可视化的输入或者后处理部分数据挖掘的输入用来分析流场涡结构的变化规律。
2.根据权利要求1所述的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法，其特征在于， 所述步骤(1)中，所述流体计算数据为计算流体力学中的三维流场数据。
3.根据权利要求1所述的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法，其特征在于， 所述步骤(2)中，所述涡检测算法可采用基于临界点理论的涡结构检测算法。
4.根据权利要求1所述的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法，其特征在于， 所述步骤(3)中，所述涡的几何参数包括位置、大小、形状和体积，动力学参数包括旋转方向和旋转速度。
5.根据权利要求1所述的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法，其特征在于， 所述步骤(4)中，所述基于涡核匹配的跟踪算法是指计算涡核线之间的距离来判断两个涡结构是否匹配。
6.根据权利要求1所述的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法，其特征在于， 所述步骤(5)中，所述频繁子图算法是指large graph型的频繁子图算法。
7.根据权利要求1所述的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法，其特征在于， 所述步骤(6)中，步骤2-5获得的涡结构位置、属性、涡结构状态变化图等信息可以作为计算流体力学后处理可视化部分或者数据分析部分的输入。
全文摘要
本发明公开了一种面向非定常三维流场涡结构的智能化分析方法。本发明由四个部分组成检测、度量、跟踪和挖掘，为非定常三维流场涡结构的分析提供了一整套的分析方法，可以从数据中快速高效的提取有价值的信息。本发明可以给出涡结构几何、动力学、统计学上的度量参数，方便力学专家研究；采用涡核匹配的跟踪方法，匹配精确高、速度快；将高维数据映射为二维有向无环图，并采用频繁子图挖掘算法对涡结构状态变化图进行挖掘，无需手动分析，可以大大减轻流体力学领域专家的工作量。该发明可用于产品设计中的气动性能分析。
文档编号G06F17/50GK102323965SQ20111024645
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者宋广华, 李明, 解利军, 郑耀 申请人:浙江大学