一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法
【专利摘要】本发明公开了一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，利用超限插值技术生成粗的背景结构网格框架，然后建立物面网格节点与背景结构网格框架之间的映射关系，通过调整背景结构网格框架控制棱柱网格的生长区域、生长方向和生长速率，人工交互实现棱柱网格快速高效的生成；本发明的设施使得棱柱网格生长方向不发生交叉，保证了棱柱网格的成功生成，通过人工交互修改背景结构网格框架，实现对棱柱网格的局部控制和调整，改善棱柱网格生成的质量。
【专利说明】—种可实现交互操作的棱柱网格生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算力学中网格生成领域，尤其涉及计算流体动力学中外流场网格生成及一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法。
【背景技术】
[0002]高质量的离散网格是获得准确CFD(Computational Fluid Dynamics, CFD)计算结果的基础，目前，尽管出现了一些高效的商业网格划分软件，网格生成依然占有约60%的CFD工作量。高效高质量的网格划分仍然是CFD应用面临的关键研究问题之一。
[0003]三角形或四面体网格可以对任意二维或三维区域进行自动填充，实现任意复杂外形网格的全自动生成，但三角形或四面体网格在模拟高雷诺数边界层流动时显得力不从心。全六面体流场结构网格可以在边界层区域生成较大长细比的网格，具有较好的模拟精度且内存占有小，但复杂外形的空间拓扑设计和网格节点分布的精细调整极大地增加了全六面体结构网格生成的难度和时间消耗。棱柱网格具有非结构网格和结构网格的双重性质，属于半结构网格类型，采用棱柱网格可以比较好的模拟边界层内的高梯度流动，因此，在流场边界层区域采用棱柱网格，在流动变化缓慢的区域采用四面体网格或笛卡尔网格的混合网格方法受到了很多CFD研究者的青睐。
[0004]棱柱网格生成方法由NAKAHASHI和STEGER提出，传统方法的主要思想均是沿着物面法向的方向一步一步推进生成棱柱网格。其不足之处在于:
[0005]法向推进的矢量方向不易控制，特别是在多个面交叉的位置，法向矢量方向容易交叉，造成网格交叉出现负体积，导致棱柱网格生成失败；为了修正矢量交叉，需要对推进步长进行优化，修正推进步长，从而改变了推进步长的增长速率，而边界层粘性网格对棱柱网格高度的增长速率有一定的要求，法向推进的方法难以保证统一的增长速率；由于推进步长的优化，不同的推进步长使的推进出来的新的一层表面单元不光滑，从而导致网格质量降低；法向推进网格的生成需要对输入参数进行较多的人工调整，且网格一旦生成失败，需要从新生成，耗费时间较多；法向推进方法生成棱柱网格后，难以对网格进行局部修改，如需修改，需要从新设定输入参数，从新生成全部网格，费时费力。
【发明内容】
[0006]本发明提出了一种可实现交互操作的棱柱网格生成技术，即利用超限插值技术生成背景结构网格框架，通过背景结构框架控制棱柱网格的生长区域、生长方向和生长速率。目的在于:
[0007]针对法向推进方法中复杂外形表面推进法矢难以控制，容易造成推进方向交叉使得网格体积为负而导致网格生成失败的问题，利用预先生成的背景结构网格框架控制表面网格节点的推进方向，保证棱柱网格生成过程中节点推进方向不交叉，网格不出现负体积，保证棱柱网格生成的成功；
[0008]针对法向推进方法中步长优化难以保证网格统一的增长速率，通过统一的分布函数设定背景结构网格框架沿棱柱网格增长方向的节点分布，保证生成的棱柱网格具有统一的增长速率；
[0009]针对法向推进方法中推进步长改变使推进生成的单层网格单元不光滑导致网格质量较低的问题，利用背景结构网格框架控制单层网格单元的形状，保证生成的棱柱网格具有较闻的网格质量。
[0010]针对法向推进方法中需要对输入控制参数的人工调整的问题，本发明采用线形插值的方法快速生成棱柱网格，较大地提高了棱柱网格的生成效率。
[0011]针对法向推进方法中棱柱网格生成后难以进行局部修改的问题，本发明通过交互修改背景结构网格框架实现对棱柱网格的局部控制，从而实现棱柱网格的交互生成。
[0012]本发明采用如下技术方案:一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，该方法包括以下步骤:
[0013]步骤一:根据物体表面的几何外形特征，沿着接近物面平行和垂直的方向绘制生成背景结构网格框架控制线，平行物面方向的背景结构网格框架控制线约束了棱柱网格的生长范围，垂直物面方向的背景结构网格框架控制线约束棱柱网格的生长方向，背景结构网格框架控制线包围的区域则构成棱柱网格的生成区域；
[0014]步骤二:在平行或位于物面的背景结构网格框架控制线上布置适量的网格节点，网格节点分布通常采用均匀分布，在物面垂直方向的背景结构网格框架控制线上布置与棱柱层数相同数量的网格节点，网格节点通过分布函数按照一定的分布规律布置，以控制棱柱网格的生长速率；
[0015]步骤三:利用超限插值技术生成背景结构网格框架，获得背景结构网格线和背景结构网格节点，物体表面被背景结构网格框架划分为许多较小的物面框架四边形；
[0016]步骤四:通过四边形任一对角线剖分将物面框架四边形分割为两个物面框架三角形；；
[0017]步骤五:基于面网格生成技术，生成物体表面的表面网格，获得棱柱网格生成必须的物面网格单元和物面网格单元节点；
[0018]步骤六:建立物面网格单元节点与物面框架三角形之间的映射关系，计算映射系数；
[0019]步骤七:利用映射系数和背景结构网格框架节点坐标计算出每一层棱柱网格节点坐标，根据棱柱网格节点坐标生成棱柱网格。
[0020]在上述技术方案中，通过人工调整背景结构网格框架控制线的方向、位置控制棱柱网格的生长区域、生长方向和生长速率，实现棱柱网格的交互式生成。
[0021]在上述技术方案中，所述物体表面的表面网格为多边形。
[0022]在上述技术方案中，通过人工调整局部位置的背景结构网格框架控制线的形状、方向及节点分布，可以交互实现对棱柱网格的局部控制和修改。
[0023]在上述技术方案中，所述映射关系为U1, a2，a3，d)，且Xs=V ^a2X' 2+a3X' 3 ;
[0024]其中:XS表示任意一个物面网格单元节点，三角形八\\&表示任意的物面框架三角形，AX1X2X3的三个顶点Xp X2、X3分别沿各自的推进矢量方向<或反方向冬)延长与过节点Xs平行于Λ X1X2X3的平面相交于X1'、Χ2’、Χ3’三点，d为物面网格单元节点Xs到物面框架三角形AX1X2X3的距离，Xs位于三角形法向一侧，d≥O，Xs位于三角形法向反向一侧，d〈0。
[0025]6、在上述技术方案中，所述网格节点坐标采用如下方式计算:
【权利要求】
1.一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一:根据物体表面的几何外形特征，沿着接近物面平行和垂直的方向绘制生成背景结构网格框架控制线，平行物面方向的背景结构网格框架控制线约束了棱柱网格的生长范围，垂直物面方向的背景结构网格框架控制线约束棱柱网格的生长方向，背景结构网格框架控制线包围的区域则构成棱柱网格的生成区域； 步骤二:在平行或位于物面的背景结构网格框架控制线上布置适量的网格节点，网格节点分布通常采用均匀分布，在物面垂直方向的背景结构网格框架控制线上布置与棱柱层数相同数量的网格节点，网格节点通过分布函数按照一定的分布规律布置，以控制棱柱网格的生长速率； 步骤三:利用超限插值技术生成背景结构网格框架，获得背景结构网格线和背景结构网格节点，物体表面被背景结构网格框架划分为许多较小的物面框架四边形； 步骤四:通过四边形任一对角线剖分将物面框架四边形分割为两个物面框架三角形； 步骤五:基于面网格生成技术，生成物体表面的表面网格，获得棱柱网格生成必须的物面网格单元和物面网格单元节点； 步骤六:建立物面网格单元节点与物面框架三角形之间的映射关系，计算映射系数； 步骤七:利用映射系数和背景结构网格框架节点坐标计算出每一层棱柱网格节点坐标，根据棱柱网格节点坐标生成棱柱网格。
2.根据权利要求1所述的一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，其特征为通过人工调整背景结构网格框架控制线的方向、位置及节点分布控制棱柱网格的生长区域、生长方向和生长速率,实现棱柱网格的交互式生成。
3.根据权利要求1所述的一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，其特征为所述物体表面的表面网格为多边形。
4.根据权利要求1所述的一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，其特征为通过人工调整局部位置的背景结构网格框架控制线的形状、方向及节点分布，可以交互实现对棱柱网格的局部控制和修改。
5.根据权利要求1所述的一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，其特征为所述映射关系为 α ?, α 2, α 3，d，且 Xs= a ^ α 2X’ 2+ a 3X，3 ; 其中:XS表示任意一个物面网格单元节点，三角形AX1X2X3表示任意的物面框架三角形，AX1X2X3的三个顶点\、\2、X3分别沿各自的推进矢量方向或反方向延长与过节点Xs平行于AX1X2X3的平面相交于X’ pX’ 2、X’ 3三点，d为物面网格单元节点Xs到物面框架三角形Δ X1X2X3的距离，Xs位于三角形法向一侧，d≥O, XS位于三角形法向反向一侧，d〈0。
6.根据权利要求5所述的一种可实现交互操作的棱柱网格生成方法，其特征为所述网格节点坐标采用如下方式计算:
【文档编号】G06T17/30GK103559740SQ201310375948
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】孙岩, 邓小刚, 王运涛, 毛枚良, 张来平, 王光学, 刘化勇, 常兴华, 涂国华 申请人:空气动力学国家重点实验室