CN111400969B - 一种非结构直角网格加速生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非结构直角网格加速生成方法，包括以下步骤：对物体形状进行描述生成背景网格的步骤；背景网格进行分区的步骤；设置网格生成参数的步骤；根据分区后的背景网格及设置参数生成叉树结构的步骤；删除物形以内以及与物形相交单元，产生锯齿形内面的步骤；对锯齿形内面进行光顺，得到光顺后内面的步骤；对光顺后内面进行加速生成和投影的步骤；计算网格量并输出网格信息的步骤。本发明解决了在计算流体力学中直角网格生成时划分叉树结构、切割、投影时由于需要搜索大量背景网格节点导致网格生成时间较长的问题，通过对背景网格进行分区的方式，可以极大地减少需要搜索的背景网格数量，在不影响网格质量的前提下，加速网格生成。

Description

一种非结构直角网格加速生成方法

技术领域

本发明涉及一种非结构直角网格加速生成方法，属于网格生成方法技术领域。

背景技术

计算流体力学(CFD)是现代流体力学研究方法中的重要手段，而网格生成技术是CFD中的关键环节。按照网格类型划分，计算网格可分为结构网格和非结构网格。结构网格节点变化有序，求解效率、精度较高，但处理复杂外形时较为繁琐；非结构网格节点和单元形成具有随意性，处理外形时比较灵活，更适合复杂外形，非结构直角网格就属于非结构网格范畴。

网格生成所要求飞行器几何外形应按照表面三角化方式提供，根据表面网格坐标点信息获得所需背景网格。非结构直角网格的生成是采用叉树结构的方式，为了生成网格，先选出计算的流场区域，取为大的长方体包围全飞行器，将该长方体，然后对计算域进行均匀划分，尽量保证单元各边长度接近，这样生成的网格就是初始网格。在初始网格基础上根据单元与物面的距离关系对网格进行多层加密，使网格满足计算要求，生成完整的叉树网格，图1所示即为采用八叉树的方式将单元一分为八，实现网格加密的过程。

由于直角网格各网格面、边完全正交，而需要拟合的物形可能为任意形状，原始的直角网格在物面边界处往往不能达到完全贴体，一种处理方式是在处理边界时将流场内的网格点光顺、投影，生成贴体的网格。

一般将图形处理操作中的聚合、求交、相减等运算过程称为布尔运算，在直角网格生成中主要存在的布尔运算是求交运算。在直角网格生成过程中，八叉树生成、切割网格判断和内面网格点投影三个步骤需要大量的几何布尔运算，占据了大部分的网格生成时间，相关算例测算显示，这三个部分占总的网格生成时间的90～95％，这几部分的几何布尔运算最终都可转化为基本几何结构的求交运算：

(1)八叉树网格生成时需要判断加密单元，加密的依据为立方体单元到物面距离小于指定值时则加密，这可转换为以网格单元心为圆心、以指定值为半径的圆球与背景网格求交的问题，如果没有交点则该单元无需加密；

(2)切割网格判断时，需要判断网格单元与背景网格是否相交，这是典型的立方体与背景网格求交的问题；

(3)内面网格点投影时，需要计算内面上网格点到背景网格三角形/四边形单元的距离，从中取最小值作为投影点，单次投影计算量与单次求交计算量相当。

对算法进行复杂度分析时，可以不展开求交、投影等计算的细节，将其视为一次基本运算。当于以下问题：基于具有N个网格单元的背景网格生成M个网格单元的直角网格，其中内面网格点数目为n个。该过程约需要进行M*N次加密判断、M*N次切割判断和M*n次投影，相当于M*(2N+n)次基本求交运算。当生成的网格量N和内面网格n一定时，网格生成整体计算量(耗时)与背景网格单元数量M成线性关系。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种非结构直角网格加速生成方法，改进了现有的非结构直角网格生成过程中，叉树划分、判断切割、物面投影等步骤大量几何布尔运算导致的网格生成速度慢、效率低等不足，通过背景背景网格分区和预处理的方式，提升几何布尔运算过程效率，加速网格生成，且能保证最终生成的计算网格不受分区的影响。

本发明的技术解决方案是：

一种非结构直角网格加速生成方法，包括以下步骤：

1)使用商用网格划分软件对流场中物体外形进行描述，生成表面结构网格或非结构网格，将生成的表面结构网格或表面非结构网格作为背景网格；

2)根据背景网格的网格数量设置分区数n，对步骤1)获得的所述背景网格进行分区处理，获得分区处理后的背景网格；将每个分区作为一个板块Bi，每个板块中均包括多个网格单元；所述分区数n小于各板块内网格单元数，n为正整数；

3)设置网格生成参数，确定所需划分的流场区域，获得初始网格；所述初始网格的外形为长方形，所述长方体包围步骤1)所述背景网格的外形，所述初始网格中每一网格单元都为大小相同的长方体；

4)根据步骤2)所述分区后的背景网格及步骤3)所述网格生成参数，对步骤3)初始网格进行划分，生成流场网格，所述流场网格的类型为叉树结构；

5)根据流场网格中网格单元与物体表面的位置关系，删除流场网格中位于物体表面内部的网格单元以及与物体表面相交的网格单元，获得流场网格的锯齿形内面；

6)对步骤5)所述流场网格的锯齿形内面进行光顺处理，得到流场网格的光顺内面；

7)对步骤6)所述流场网格的光顺内面进行投影，获得流场网格对应的粘性层网格；

8)对步骤2)所述分区处理后的背景网格、步骤4)所述流场网格以及步骤7)所述粘性层网格进行计算，生成网格量并输出网格信息。

步骤4)所述生成流场网格的方法，具体为：

41)从步骤3)所述初始网格中任意选取一个网格单元作为判定对象A，根据判定对象A的网格单元中心与各个板块间的位置关系，获得所有满足距离条件的板块，若判定对象A的网格单元中心与板块距离小于判定对象A网格单元最长边边长的5～9倍，则判定该板块满足距离条件；

42)从所有满足距离条件的板块中，选取出与判定对象A距离最小的板块Bi，根据板块Bi中的所有网格单元节点与判定对象A的相交关系和距离，确定判定对象A与板块Bi的相交关系；板块Bi中只要存在一个与判定对象A相交的网格单元，则判定该板块Bi与判定对象A相交；

43)重复步骤41)～42)，遍历对初始网格中所有网格单元，找出初始网格中所有与板块相交的网格单元并作为相交单元；

44)将相交单元进行叉树划分，并且将与相交单元相邻的网格单元也进行叉树划分，完成第一次加密，获得完成网格加密的初始网格；

45)从步骤44)所述完成网格加密的初始网格中任意选取一个网格单元作为判定对象A，重复步骤41)～44)N次，获得流场网格；N为正整数，N大于3。

步骤7)所述获得流场网格对应的粘性层网格的方法，具体为：

71)取步骤6)中所得流场网格光顺内面上任意一个网格单元节点C_j，确定与网格单元节点C_j距离最近的板块B_j；

72)重复步骤71)遍历流场网格光顺内面所有网格单元节点，获得每个节点对应的板块B_j；将板块B_j上与对应网格单元节点C_j距离最近的点，作为网格单元节点C_j的投影点，确定流场网格光顺内面所有网格单元节点的投影点；

73)将流场网格光顺内面中每个网格单元节点C_j与对应投影点依次连接，将背景网格与流场网格的光顺内面之间的空间作为间隙层；将间隙层划分为柱形网格，然后将柱形网格由投影点指向流场网格光顺内面对应网格单元节点B_j的方向，进行多层划分，获得流场网格对应的粘性层网格。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)在进行叉树结构划分和切割单元判断时，对于网格单元与物面间距离计算只需对满足条件的少数物面子区域网格点进行搜索，与通常采用的全局搜索相比极大地减少了计算量；

2)最后生成粘性层网格时，内面网格只需在对应区域内进行搜索投影，与通常采用的全局投影相比能大大提高投影效率；

附图说明

图1为八叉树网格生成方式；

图2为分区划分过程示意；

图3a为输入背景网格；

图3b为粗划分区后的分区示意；

图3c为还原后的分区网格；

图4为本发明流程图。

具体实施方式

本发明一种非结构直角网格加速生成方法如图4所示，包括以下步骤：

1)使用商用网格划分软件，如Pointwise、ICEM等对流场中物体外形进行描述，生成表面结构网格或非结构网格，将生成的表面结构网格或表面非结构网格作为背景网格；

2)根据背景网格的网格数量设置分区数n，对步骤1)获得的所述背景网格进行分区处理，获得分区处理后的背景网格；将每个分区作为一个板块Bi，每个板块中均包括多个网格单元；所述分区数n小于各板块内网格单元数，n为正整数；分区划分过程如图2所示；

3)设置网格生成参数，确定所需划分的流场区域，获得初始网格；所述初始网格的外形为长方形，所述长方体包围步骤1)所述背景网格的外形，将该长方体在向x轴，y轴，z轴三方向根据生成参数所设置的值等分，获得初始网格，x轴，y轴，z轴构成直角坐标系。所述初始网格中每一网格单元都为大小相同的长方体；

4)根据步骤2)所述分区后的背景网格及步骤3)所述网格生成参数，对步骤3)初始网格进行划分，生成流场网格，所述流场网格的类型为叉树结构；

5)根据流场网格中网格单元与物体表面的位置关系，删除流场网格中位于物体表面内部的网格单元以及与物体表面相交的网格单元，获得流场网格的锯齿形内面；

6)对步骤5)所述流场网格的锯齿形内面进行光顺处理，得到流场网格的光顺内面；

7)对步骤6)所述流场网格的光顺内面进行投影，获得流场网格对应的粘性层网格；

8)对步骤2)所述分区处理后的背景网格、步骤4)所述流场网格以及步骤7)所述粘性层网格进行计算，生成网格量并输出网格信息。

步骤2)对所述背景网格进行分区处理的方法，具体为：

从物体外形背景网格中选取特定相关联(一端具有共用的节点)的几个网格节点合并为一个节点，每经过一次合并得到粗一级的背景网格，直至网格规模满足分区参数设置要求；进行初始分区，使得每个区域所包含的节点数量或节点权值(权值一般由共用节点数决定)基本相等，同时保证割边最少(即两端的节点划分到不同子区域的边称为割边)；分区后的粗划背景网格沿粗划路径映射回原网格，映射过程中进行微调以保证网格质量。

步骤4)所述生成流场网格的方法，具体为：

41)从步骤3)所述初始网格中任意选取一个网格单元作为判定对象A，根据判定对象A的网格单元中心与各个板块B1～Bn间的位置关系，获得所有满足距离条件的板块，实际划分中设置距离一般为判定对象A网格单元最长边边长的5～9倍距离，具体值需要根据不同问题中网格生成加密需求确定；若判定对象A的网格单元中心与板块距离小于判定对象A网格单元最长边边长的5～9倍，则判定该板块满足距离条件；

42)从所有满足距离条件的板块中，选取出与判定对象A距离最小的板块Bi，根据板块Bi中的所有网格单元节点与判定对象A的相交关系和距离，确定判定对象A与板块Bi的相交关系；板块Bi中只要存在一个与判定对象A相交的网格单元，则判定该板块Bi与判定对象A相交；

43)重复步骤41)～42)，遍历对初始网格中所有网格单元，找出初始网格中所有与板块相交的网格单元并作为相交单元；

44)将相交单元进行叉树划分，并且将与相交单元相邻的网格单元也进行叉树划分，完成第一次加密，获得完成网格加密的初始网格；

45)从步骤44)所述完成网格加密的初始网格中任意选取一个网格单元作为判定对象A，重复步骤41)～44)N次，重复与第一次加密同样的操作N次，获得流场网格；N为正整数，加密次数N根据步骤3)设置的生成参数确定，为了保证后续数值计算精度，一般加密次数N大于3。

步骤7)所述对光顺后内面进行投影并获得流场网格对应的粘性层网格的方法，具体为：

71)取步骤6)中所得流场网格光顺内面上任意一个网格单元节点C_j，确定与网格单元节点C_j距离最近的板块B_j；

72)重复步骤71)遍历流场网格光顺内面所有网格单元节点，获得每个节点对应的板块B_j；将板块B_j上与对应网格单元节点C_j距离最近的点，作为网格单元节点C_j的投影点，同理依次确定流场网格光顺内面所有网格单元节点的投影点；

73)将流场网格光顺内面中每个网格单元节点C_j与对应投影点依次连接，将背景网格与流场网格的光顺内面之间的空间作为间隙层；将间隙层划分为柱形网格，然后将柱形网格由投影点指向流场网格光顺内面对应网格单元节点B_j的方向，进行多层划分，获得流场网格对应的粘性层网格。

在进行叉树网格生成时，判断空间中某一网格单元中心或网格点与背景网格间距离时搜索的板块数目较分区前大大减少，所需遍历网格单元数减少。同理，投影过程也得到简化，继而加速了非结构直角网格的生成。

实施例

步骤1：对物体形状进行描述生成背景网格

首先需要提供物形的背景网格，即将原始物形表示为很多小的背景网格面的集合，如图3a即为平板外形的背景网格示意图。背景网格可以是三角形、四边形或其他任意多边形，此网格仅为外形输入文件，即告诉程序需要描述的物体的外形。

步骤2：对背景网格进行分区

(1)从物形背景网格中选取特定相关联的几个网格节点合并为一个节点，每经过一次合并得到粗一级的背景网格，直至网格规模满足要求，如图3a和图3b所示；

(2)进行初始分区，使得每个区域所包含的节点数量或节点权值基本相等，同时保证割边最少(即两端的节点划分到不同子区域的边称为割边，图3b；

(3)分区后的粗划背景网格沿粗划路径映射回原网格，映射过程中进行微调以保证网格质量，如图3c所示。

步骤3：设置网格生成参数

根据数值计算的要求输入网格生成的各项参数，如计算域的大小、第一层网格大小、网格加密层数等，同时输入步骤2所得的物形背景网格等文件。

步骤4：根据分区后的背景网格及设置参数生成叉树结构

根据输入的物形背景网格以及各设置参数，首先将计算域划分成初始网格，对初始网格单元与背景网格进行几何布尔运算，之后将网格中距物形较近的单元进行叉树加密，生成符合设置条件的叉树结构网格；

步骤5：删除物形以内以及与物形相交单元，产生锯齿形内面

步骤6：对锯齿形内面进行光顺，得到光顺后内面

首先删除物面内以及与物面相交的单元，网格与物面之间将存在一定的间隙，与间隙层相邻的网格面(本文中称为内面)呈锯齿形。在非结构直角网格粘性层生成过程中，需要先对内面进行光顺；

步骤:7：对光顺后内面进行投影

(1)首先对输入的物形背景网格进行分析，找到物形上空间坐标导数不连续的位置，提取出相贯线；

(2)将物形上相贯线向内面逆向投影，得到相贯线在内面上的投影线；

(3)将内面上各网格点向物形上对应区域投影；

(4)投影结束后即得到投影层网格，对投影层网格按设置参数进行分层加密，即可得到粘性层网格；

步骤8：计算网格量并输出网格信息

输出网格信息。输出网格中各单元面面积、各单元体体积、网格中各网格点坐标等数值计算中需要的参数。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种非结构直角网格加速生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用商用网格划分软件对流场中物体外形进行描述，生成表面结构网格或非结构网格，将生成的表面结构网格或表面非结构网格作为背景网格；

2)根据背景网格的网格数量设置分区数n，对步骤1)获得的所述背景网格进行分区处理，获得分区处理后的背景网格；将每个分区作为一个板块Bi，每个板块中均包括多个网格单元；所述分区数n小于各板块内网格单元数，n为正整数；

3)设置网格生成参数，确定所需划分的流场区域，获得初始网格；所述初始网格的外形为长方形，所述长方体包围步骤1)所述背景网格的外形，所述初始网格中每一网格单元都为大小相同的长方体；

4)根据步骤2)所述分区后的背景网格及步骤3)所述网格生成参数，对步骤3)初始网格进行划分，生成流场网格，所述流场网格的类型为叉树结构；

5)根据流场网格中网格单元与物体表面的位置关系，删除流场网格中位于物体表面内部的网格单元以及与物体表面相交的网格单元，获得流场网格的锯齿形内面；

6)对步骤5)所述流场网格的锯齿形内面进行光顺处理，得到流场网格的光顺内面；

7)对步骤6)所述流场网格的光顺内面进行投影，获得流场网格对应的粘性层网格；

8)对步骤2)所述分区处理后的背景网格、步骤4)所述流场网格以及步骤7)所述粘性层网格进行计算，生成网格量并输出网格信息。

2.如权利要求1所述的一种非结构直角网格加速生成方法，其特征在于：步骤4)所述生成流场网格的方法，具体为：

41)从步骤3)所述初始网格中任意选取一个网格单元作为判定对象A，根据判定对象A的网格单元中心与各个板块间的位置关系，获得所有满足距离条件的板块，若判定对象A的网格单元中心与板块距离小于判定对象A网格单元最长边边长的5～9倍，则判定该板块满足距离条件；

42)从所有满足距离条件的板块中，选取出与判定对象A距离最小的板块Bi，根据板块Bi中的所有网格单元节点与判定对象A的相交关系和距离，确定判定对象A与板块Bi的相交关系；板块Bi中只要存在一个与判定对象A相交的网格单元，则判定该板块Bi与判定对象A相交；

43)重复步骤41)～42)，遍历对初始网格中所有网格单元，找出初始网格中所有与板块相交的网格单元并作为相交单元；

44)将相交单元进行叉树划分，并且将与相交单元相邻的网格单元也进行叉树划分，完成第一次加密，获得完成网格加密的初始网格；

45)从步骤44)所述完成网格加密的初始网格中任意选取一个网格单元作为判定对象A，重复步骤41)～44)N次，获得流场网格；N为正整数，N大于3。

3.如权利要求1～2任意之一所述的一种非结构直角网格加速生成方法，其特征在于：步骤7)所述获得流场网格对应的粘性层网格的方法，具体为：

71)取步骤6)中所得流场网格光顺内面上任意一个网格单元节点C_j，确定与网格单元节点C_j距离最近的板块B_j；

72)重复步骤71)遍历流场网格光顺内面所有网格单元节点，获得每个节点对应的板块B_j；将板块B_j上与对应网格单元节点C_j距离最近的点，作为网格单元节点C_j的投影点，确定流场网格光顺内面所有网格单元节点的投影点；

73)将流场网格光顺内面中每个网格单元节点C_j与对应投影点依次连接，将背景网格与流场网格的光顺内面之间的空间作为间隙层；将间隙层划分为柱形网格，然后将柱形网格由投影点指向流场网格光顺内面对应网格单元节点B_j的方向，进行多层划分，获得流场网格对应的粘性层网格。

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