技术特征：
1.一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述方法包括：步骤 1、基于三维绕流问题中存在的复杂外形几何信息，构建三维复杂外形物面几何模型；步骤 2、将步骤1模型中流场计算区域划分为等距笛卡尔网格，并作为几何自适应初始背景网格，即初始笛卡尔网格；步骤3、采用基于分离轴理论的网格相交判定算法，判定浸入边界法中需要识别的流场与物体表面相交的网格单元，作为相交单元；步骤4、基于改进射线算法的网格内外判定算法，对除去步骤3中相交单元的初始笛卡尔网格进行内外判定，将单元分类为完全处于物体内部的单元和完全处于流场中的单元；其中，完全处于物体内部的单元作为内部单元，完全处于流场中的单元作为流场单元；步骤5、设立缓冲区，对包含相交单元在内的缓冲区进行各向同性加密，对由相交单元加密产生的新单元重复步骤3和步骤4以确定其单元种类，重复加密次数视流场分辨率需要而定；步骤6、根据浸入边界算法需要，将流场单元通过物面关系分类为近壁面单元和普通流场单元；步骤7、根据近壁面单元，流场普通单元和相交单元，得到三维绕流计算网格；步骤8、基于步骤7得到的三维绕流计算网格进行流场计算，并通过流场计算结果捕捉特征结构并进行流场自适应，基于参数值对流场进行选择性加密，进而生成能反映当前流场特征结构的三维自适应笛卡尔网格，直至得到全流场的数值模拟结果。2.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤1中，三维复杂外形的表面几何信息作为输入，其表面离散为由三角形组成的物面集合，以stl文件形式输出并作为流场求解程序输入，三角形分布疏密程度根据三维外形几何信息而定，模拟其真实几何外形。3.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤2中，将流场计算区域划分为初始等距笛卡尔网格，假设在笛卡尔坐标系下x, y, z方向上计算域长度分别为lx、ly、lz,由此确定沿x, y, z方向网格个数nx、ny、nz分别为：其中，表示初始等距笛卡尔网格的边长，初始笛卡尔网格总数n即为n=nx
×
ny
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nz；所有初始笛卡尔网格均视为根节点，在后续网格生成过程中只可被加密，不可被粗化。4.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤3中，采用基于分离轴理论的网格相交判定算法，判定三维外形的三角形物面集合是否与初始笛卡尔网格相交以及记录相交三角形的对应序号：假设三角形物面集合三角形个数为n，初始笛卡尔网格数量为m，则为求解物面集合与初始笛卡尔网格的相交情况，共需要n
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m次判断；初始笛卡尔网格长、宽、高相等，可视为正方体，由此问题认为是求解三角形集合与正方形集合的相交关系；记三角形t的三个顶点分别为n0，n1，n2，正方体q表示为
；其中q为正方体中心，表示待检测正方体的边长，分别为正方体当地沿长、宽、高方向的单位向量且，分别为当地笛卡尔坐标系oxyz中x, y, z方向向量，且；为获得相交关系，分别对三组不同分类的轴线进行判定：首先对第一组，即当地笛卡尔坐标系x, y, z方向向量进行判定，将三角形三顶点分别沿方向投影，根据投影判断三角形t与正方体q是否相交；其次对第二组进行判定：首先定义, 其中，,,；将三角形三个顶点沿方向投影，即为：另外规定,, 测量长度r为：若或，则三角形与正方体不相交；第二组共定义9条轴，进行9次判定；最后进行第三组判定：第三组对三角形t法向量进行判定，对于任意三角形t，法向量可表示为：平面参数方程记为：将法向量沿当地笛卡尔坐标系oxyz中x, y, z方向分量分别记作，定义长度向量, 各分量绝对值大小为，正负号取值保证,；若或，则三角形与正方体不相交；经过以上三组共13条轴判定后依然未判定为分离关系，则判定当前三角形与正方体相交；相交的正方体被标记为相交单元并记录与之相交的三角形序号。5.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤4中，基于改进型射线算法的网格内外判定算法，对除去相交单元的
初始笛卡尔网格单元进行内外判定：以三维射线法为基础，选取物体内部一点为起点，每次判定终点为待判定相对位置关系的正方体网格中心，构成待判定线段，求解该线段与物面信息三角形集合的相交次数：若相交次数为偶数，则该正方体网格处于物体内部，为内部单元；若相交次数为奇数，则该正方体网格处于物体外部，为流场单元。6.根据权利要求5所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤4中，记p为物体内部任意一点，q为待判定正方体网格中心，待判定三角形t三个顶点分别为n0，n1，n2；qp即为待判定线段，所在直线可表示为：其中，为方向向量，对于三角形t中任意一点c，均可表示为：其中，u, v满足u≥0，v≥0且u+v≤1；求解当前qp所在直线与三角形平面的交点：经移项转换，可以写成：若求解所得u, v满足u≥0，v≥0且u+v≤1，t满足0≤t≤1，则当前线段qp与三角形的交点在三角形内，即线段op与三角形t相交，反之则不相交，判定结束；假设物面集合三角形个数为n，剩余笛卡尔网格个数为m，则共需进行n
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m次判定。7.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤5中，缓冲区大小可以通过缓冲系数α规定，当笛卡尔网格中心到物面的距离d满足d≤α时，该笛卡尔网格即为缓冲区内网格并进行各向同性加密；加密前为相交单元的网格，对其加密后生成的8个新现单元重复步骤3和4，即进行相交和内外判定；加密前即为流场网格和内部网格的单元无需判定，继续维持原网格类型；所述步骤5中，网格单元间需要满足1:2平衡，即相邻网格间边长之比不可大于2，在每一次加密操作后对全局网格进行平衡操作；具体操作为：对全局网格按边循环，对于不符合1:2平衡条件的网格，对网格边较大的一边进行局部加密，直至符合1:2平衡条件。8.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤6中，对于已经确定的流场单元进行了二次分类，判定与相交单元相邻的所有流场单元为近壁面单元，其余为普通流场单元，以满足后续浸入边界算法的需要。9.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤7中，以z
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order曲线形式，串联判定得到的近壁面单元、流场普通单元和相交单元作为流场计算单元，即三维绕流计算网格，并作为输入传递至流场求解器中。
10.根据权利要求1所述的一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，其特征在于，所述步骤8中，基于步骤7中给出的三维绕流计算网格进行流场数值模拟计算，然后根据当前网格的速度旋度、速度散度参数识别流场中的旋涡、激波关键特征结构，并基于参数值对流场进行选择性加密，加密结果符合流场实时特征并继续用于全流场绕流问题的计算，进而实现绕流问题关键流动细节更为的精细捕捉和准确计算。
技术总结
本发明公开了一种任意外形的三维绕流问题自适应笛卡尔网格生成方法，基于三维绕流问题中存在的几何信息，生成适合浸入边界法的各向同性自适应笛卡尔网格，并进行流场计算，根据流场计算结果加密含有关键流动特征的区域。本发明针对存在复杂三维绕流的计算流体力学数值模拟问题，采用三角形组成的表面集合作为输入，采用基于分离轴理论的网格相交判定方法和基于改进射线算法的网格内外判定方法进行网格分类，采用基于单元的网格剖分方法进行网格单元的加密和粗化，可以高效鲁棒地生成符合浸入边界方法和流场计算分辨率需要的自适应笛卡尔网格，并根据后续得到的流场参数选择性加密含有特征结构的区域，实时展现当前流场区域内的流场特征结构。域内的流场特征结构。域内的流场特征结构。
技术研发人员：杨宇辰 赵宁 齐昕宇
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.09.09
技术公布日：2021/10/15