快速混合網(wǎng)格生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速混合網(wǎng)格生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]計算流體力學(xué)(CFD)是現(xiàn)代流體力學(xué)研宄方法中的重要手段，而網(wǎng)格生成技術(shù)是CFD中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一般認(rèn)為，在計算流體力學(xué)研宄中，前處理工作占到總的工作量70%以上，而前處理的主要工作為計算網(wǎng)格的劃分。顯然，發(fā)展高效的網(wǎng)格生成方法可以極大地提高CFD研宄的效率。
[0003]按照網(wǎng)格類型劃分，CFD研宄中一般采用的計算網(wǎng)格可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點變化有序，求解效率、精度較高，但處理復(fù)雜外形時較為繁瑣；非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點和單元形成具有隨意性，處理外形時比較靈活，更適合復(fù)雜外形，根據(jù)單元幾何結(jié)構(gòu)的不同，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格又可分為四面體網(wǎng)格、直角網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格(包含四面體單元和六面體單元)等。
[0004]在生成計算網(wǎng)格過程時，首先需要在物面上布置表面網(wǎng)格。由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的空間網(wǎng)格質(zhì)量強烈依賴于表面網(wǎng)格的布置，且有的復(fù)雜部位空間網(wǎng)格的生成要求表面網(wǎng)格需要仔細(xì)設(shè)計，因此這些類型計算網(wǎng)格生成過程中有大量的人力耗費在表面網(wǎng)格設(shè)計過程中。一般的混合網(wǎng)格是由結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格結(jié)合而來的，其表面網(wǎng)格生成的難度較結(jié)構(gòu)網(wǎng)格要低，但其工作量在整個網(wǎng)格生成過程中仍占據(jù)很大的比重。
[0005]直角網(wǎng)格的生成過程與前述各類型網(wǎng)格不同。一般的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格等首先需要生成高質(zhì)量的表面網(wǎng)格，空間網(wǎng)格的生成是通過專門的算法從物面向空間推進生成的。直角網(wǎng)格的空間網(wǎng)格生成過程則與之相反，直角網(wǎng)格生成時雖然也需要輸入表面網(wǎng)格，但表面網(wǎng)格僅用于描述外形，空間網(wǎng)格的質(zhì)量與表面網(wǎng)格的質(zhì)量不相關(guān)，表面網(wǎng)格的生成時間也與物體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度不相關(guān)，因而表面網(wǎng)格的生成在直角網(wǎng)格的生成過程中的耗時占比較小。由于直角網(wǎng)格生成時的輸入?yún)?shù)少，人工干預(yù)需求低，算法魯棒性高，容易實現(xiàn)網(wǎng)格生成的自動化，因而在很多對網(wǎng)格生成自動化要求較高的方向應(yīng)用較多。
[0006]由于直角網(wǎng)格各網(wǎng)格面、邊完全正交，而需要擬合的物形可能為任意形狀，原始的直角網(wǎng)格在物面邊界處往往不能達到完全貼體，因此如何處理物面邊界成為直角網(wǎng)格應(yīng)用中最為關(guān)鍵的技術(shù)。主流邊界處理方法可分為兩類，一類是非貼體的方式，即在處理物面邊界時不改變網(wǎng)格形狀，只是通過各種數(shù)值手段計算邊界附近網(wǎng)格的各物理量；另一類為貼體的方式，即在處理邊界時將流場內(nèi)的網(wǎng)格點光順、投影，生成貼體的網(wǎng)格。目前主流的計算網(wǎng)格，如結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格等，都采用貼體的方式，因此貼體的直角網(wǎng)格由于方便繼承相關(guān)的程序，因而應(yīng)用較為廣泛。
[0007]當(dāng)采用貼體的方式處理直角網(wǎng)格物面邊界時，通常需要對物面附近的單元進行光順和投影處理。但光順過程會造成附近的立方體單元出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、拉伸、偏斜等現(xiàn)象，造成網(wǎng)格質(zhì)量的下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種快速混合網(wǎng)格生成方法，實現(xiàn)了對空間網(wǎng)格的快速剖分。方法保留了直角網(wǎng)格系統(tǒng)中空間網(wǎng)格自動生成的特性，且通過原始網(wǎng)格的分割，降低了扭曲單元的比例，提高了計算網(wǎng)格的整體質(zhì)量。
[0009]本發(fā)明的快速混合網(wǎng)格生成方法包括:步驟一，網(wǎng)格生成前處理；步驟二，生成八叉樹結(jié)構(gòu)直角網(wǎng)格；步驟三，利用標(biāo)準(zhǔn)分割模版對直角網(wǎng)格進行分割，生成混合網(wǎng)格；步驟四，計算混合網(wǎng)格的網(wǎng)格信息，并輸出網(wǎng)格信息。
[0010]優(yōu)選所述步驟三包括:設(shè)計各種類型網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)分割模板的步驟；根據(jù)所述八叉樹結(jié)構(gòu)直角網(wǎng)格的實際情況，選擇不同類型的所述標(biāo)準(zhǔn)分割模板進行分割，生成混合網(wǎng)格的步驟。
[0011]優(yōu)選所述設(shè)計各種類型網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)分割模板的步驟按照如下方式進行:(I)按照同一基本類型單元內(nèi)不存在彼此相鄰的單元的方式，將所述八叉樹結(jié)構(gòu)直角網(wǎng)格的單元分為兩種基本類型單元，g卩，將該單元所屬父單元占據(jù)的空間按照相對父單元體心位置的卦限分布進行排序，如果該單元處于第一、三、六、八卦限，則此單元歸為第一類基本單元，如果該單元位于第二、四、五、七卦限，則此單元歸類為第二類基本單元。設(shè)計確定該兩種所述基本類型單元的標(biāo)準(zhǔn)分割模板；(2)分別利用所述標(biāo)準(zhǔn)分割模板，對兩種所述基本類型單元進行分割，將所述網(wǎng)格進一步分為多個次一級類型單元；(3)根據(jù)每個所述次一級類型單元上節(jié)點的數(shù)量和分布情況，再設(shè)計確定各類型次一級類型單元的標(biāo)準(zhǔn)分割模板。
[0012]優(yōu)選根據(jù)每個所述次一級類型單元上節(jié)點的分布情況，所述次一級類型單元能夠分為:節(jié)點類型單元，僅在網(wǎng)格單元的邊節(jié)點位上存在網(wǎng)格節(jié)點，但面心節(jié)點位處無網(wǎng)格節(jié)點；面類型單元，僅在面心節(jié)點位處存在網(wǎng)格節(jié)點的單元；混合類型單元，節(jié)點類型單元和面類型單元的混合形式。
[0013]優(yōu)選針對所述次一級類型單元，分別根據(jù)節(jié)點的數(shù)量和分布情況設(shè)計出各次一級類型單元的標(biāo)準(zhǔn)分割模板。
[0014]優(yōu)選針對所述步驟二生成的所述八叉樹結(jié)構(gòu)直角網(wǎng)格單元:首先判斷其分屬于兩個所述基本類型單元的哪一個所述基本類型，利用相應(yīng)的所述基本類型標(biāo)準(zhǔn)分割模板對其進行分割，再判斷分割后形成的次一級單元分屬于哪個所述次一級類型單元，并套用相應(yīng)的所述次一級類型單元的標(biāo)準(zhǔn)分割模板。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0016](I)本發(fā)明采用模版式分割對網(wǎng)格單元進行分割，分割過程中直接套用模版，不用求解代數(shù)方程或微分方程，生成效率高，網(wǎng)格質(zhì)量高，算法穩(wěn)定性好；
[0017](2)本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)變換的方式，將各類型網(wǎng)格中不同的排列組合變換為標(biāo)準(zhǔn)形式，之后套用標(biāo)準(zhǔn)模版對其進行分割。此方法簡化了模版的設(shè)計，簡化了方法的算法，提高了方法的適用性；
[0018](3)本發(fā)明基于直角網(wǎng)格生成混合網(wǎng)格，直角網(wǎng)格生成過程以及網(wǎng)格劃分過程都能實現(xiàn)自動化，不需要過多的人工干預(yù)；
[0019](4)本發(fā)明基于直角網(wǎng)格，直角網(wǎng)格在生成過程中不需要仔細(xì)設(shè)計表面網(wǎng)格，空間網(wǎng)格生成的算法簡單，網(wǎng)格生成效率高，可大大降低網(wǎng)格生成在CFD研宄中的時間占比，提高CFD應(yīng)用的整體效率。
【附圖說明】
[0020]圖1為直角單元網(wǎng)格27個節(jié)點位分布情況的示意圖。
[0021]圖2為兩類基本單元的標(biāo)準(zhǔn)分割模版，其中圖2(1)為第一類基本單元的分割模版，圖2 (2)為第二類基本單元的分割模板。
[0022]圖3為單節(jié)點類型的標(biāo)準(zhǔn)分割模版。
[0023]圖4為雙節(jié)點類型的標(biāo)準(zhǔn)分割模版。
[0024]圖5為三節(jié)點類型的標(biāo)準(zhǔn)分割模版。
[0025]圖6為單面類型的標(biāo)準(zhǔn)分割模版。
[0026]圖7為具有單面類型的直角網(wǎng)格分割后示意圖。
[0027]圖8為雙面類型的標(biāo)準(zhǔn)分割模版。
[0028]圖9為具有雙面類型的直角網(wǎng)格分割后不意圖。
[0029]圖10為三面類型的標(biāo)準(zhǔn)分割模版。
[0030]圖11為具有二面類型的直角網(wǎng)格分割后不意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面將對本發(fā)明做進一步的介紹。
[0032]為了下文表述方便，首先以一個簡單立方體單元為例，介紹本方法中采用的網(wǎng)格節(jié)點編號規(guī)則。每個立方體單元有八個頂點，如圖1中A-Η。對于某些單元，除了八個頂點夕卜，在各邊的中點、各面的面心位置還可能存在懸空節(jié)點，有的單元其體心位置也會存在網(wǎng)格節(jié)點。因而對于任意單元，在其單元內(nèi)部可能存在的節(jié)點數(shù)最多為27個(8個頂點+12個邊中點+6個面心+1個體心)，圖1中黑色圓點即為27個可能存在節(jié)點的位置，這里稱之為27個節(jié)點位。
[0033]在下面的介紹中還需要用到卦限，這里采用的卦限定義方式為:在笛卡爾坐標(biāo)系下，包含Χ、γ、ζ正半軸的卦限為第一卦限，二-四卦限處在XOY面以上，按逆時針方向排列，五-八卦限則分列于一-四卦限之下。以圖1中單元為例，若將坐標(biāo)系原點置于單元的體心，八個頂點A-H排列順序與1-8卦限排列順序一致。
[0034]在應(yīng)用基于標(biāo)準(zhǔn)分割模版的快速混合網(wǎng)格生成方法時，主要包括以下幾個部分:
[0035]步驟1:直角網(wǎng)格生成前處理
[0036]網(wǎng)格生成的前處理工作主要包括網(wǎng)格生成參數(shù)的設(shè)置以及表面網(wǎng)格的生成。直角網(wǎng)格生成時，需要設(shè)置的參數(shù)有:計算域大小、加密層數(shù)、網(wǎng)格尺度、分層加密、局部加密等。直角網(wǎng)格生成中，主要靠表面網(wǎng)格描述物體的外形，此表面網(wǎng)格可以是三角形、四邊形或其他任意多邊形。
[0037]步驟2:生成八叉樹結(jié)構(gòu)的直角網(wǎng)格
[0038]根據(jù)輸入的背景網(wǎng)格和設(shè)置參數(shù)，首先在計算域內(nèi)劃分出初始網(wǎng)格，之后對物體附近的單元進行多層八叉樹加密，生成符合設(shè)置條件的叉樹結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。刪除物體內(nèi)部以及與物體相交的網(wǎng)格單元，產(chǎn)生鋸齒形