CN104992046A - 流体力学计算系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体力学计算系统及方法,所述系统包括:前处理器,包括网格生成单元、网格转换单元,所述网格生成单元用于对几何模型进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元;所述网格转换单元用于将所述形成基于四面体的单元转换为基于六面体的单元,和/或将所述形成基于六面体的单元转换为基于四面体的单元;求解器,用于根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果;后处理器,对所述求解结果进行可视化整理。避免了网格单元、数值算法的错误选定所引起错误计算结果。

Description

流体力学计算系统及方法
技术领域
本发明属于计算平台领域,尤其涉及一种流体力学计算系统及方法。
背景技术
作为一门科学,流体力学跨越物理,高等数学,计算机科学,化学,生物,材料,纳米技术,气候学,海洋学,地质学等;作为一个工程,流体力学跨越空气动力学,土木工程,建筑,机械,化工,电气,电子,计算机,航天,航空,工业,制造业,环保,生物医药等;特别是流体力学包含可压缩和不可压缩流动,热力学,传热传质,燃烧,毒理学,热辐射,等离子和磁流体等主要学科。自流体力学计算平台开发以来,工程人员或科研人员一直在找寻最好或最优选的数学模型来刻画不同的流体结构,及最佳的数值算法以求解解决方案;由此产生了为了迎合多种数学模型、数值算法的各种各样的流体力学计算平台及对应的前处理器、后处理器。同时每种前处理器、后处理器都有不同的基准、接口,每个模块与模块之间需要找到一个无缝的、可互换的方式。
目前现有的流体力学计算平台,对几何模型进行拆分是只能拆分为六面体单元,或四面体单元,无法对六面体单元与四面体单元进行转化,如果用拆分为六面体单元的流体力学计算平台计算拆分为四面体单元的模型,将会得到具有极大误差的求解结果,反之亦然。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供流体力学计算系统及方法,旨在解决现有技术中无法找到一个无缝的、可互换的、通用的计算方式。
本发明实施例提供了流体力学计算系统,所述系统:
前处理器,包括网格生成单元、网格转换单元,所述网格生成单元用于对几何模型进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元;所述网格转换单元用于将所述形成基于四面体的单元转换为基于六面体的单元,和/或将所述形成基于六面体的单元转换为基于四面体的单元;
求解器,用于根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果;
后处理器,用于对所述求解结果进行可视化整理。
本发明实施例又提供了流体力学计算方法,所述方法包括如下步骤:
获取已划分有限元网格的几何模型,若其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元;
获取未划分有限元网格的几何模型,对其进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元;
根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和/或空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果;
对所述求解结果进行可视化整理。
本发明实施例所提供的流体力学计算系统及方法的有益效果是:通用性高,避免了网格单元、数值算法的错误选定所引起错误计算结果,以迎合目前流行的网格生成和数值算法之间的技术差距;同时满足构建任意流体力学的数学模型,找到一个无缝的、可互换的、通用的计算方式。
附图说明
图1 为本发明实施例提供的流体力学计算系统的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的基于四面体的单元的示意图;
图3为本发明实施例提供的基于六面体的单元的示意图;
图4为本发明实施例提供的流体力学计算系统中前置处理器的示意图;
图5为本发明实施例提供的流体力学计算系统中网格生成单元的示意图;
图6为本发明实施例提供的流体力学计算系统中求解器的结构示意图;
图7为本发明实施例提供的流体力学计算方法的一种流程图;
图8为本发明实施例提供的流体力学计算方法的另一种流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
图1示出了本发明实施例提供的流体力学计算系统的结构示意图,为了便于描述,仅示出了与本发明实施例相关的部分,本发明实施例提供的流体力学计算系统,如图1所示,包括:前处理器11、求解器12及后处理器13。
具体地,所述前处理器11,包括网格生成单元111、网格转换单元112,所述网格生成单元111用于对几何模型进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元;所述网格转换单元112用于将所述形成基于四面体的单元转换为基于六面体的单元,和/或将所述形成基于六面体的单元转换为基于四面体的单元。
在本实施例中,网格生成单元111用于将几何模型划分有限元网格,也就是说在物体网格划分好之后,确定了空间中一个个的基本单元,其中可划分为常见的基于六面体的基本单元、基于四面体的基本单元。
在本实施例中,所述网格转换单元112具体为:将六面体转换为六个非重叠且不相互分离的四面体,或将六个非重叠且不相互分离的四面体转换为一个六面体。若获取一已划分有限元网格的几何模型,当其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元,即将六个非重叠且不相互分离的四面体转换为一个六面体;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元,即将六面体转换为六个非重叠且不相互分离的四面体,如图2-3,图2示出了本发明实施例提供的基于四面体的单元的示意图,该基于四面体的单元包含4个点,分别为N1、N2、N3、N4,图3示出了本发明实施例提供的基于六面体的单元的示意图,该基于六面体的单元包含8个点,分别为N1'、N2'、N3'、N4'、N5'、N6'、N7'、N8',将该六面体分为6个由点N1'-N3'-N7'-N8'、N1'-N5'-N6'-N7'、N1'-N6'-N7'-N8'、N2'-N3'-N4'-N8'、N1'-N2'-N3'-N8'、N1'-N2'-N3'-N8'、N2'-N3'-N6'-N8'所组成的四面体,这六个相邻四面体聚合为一个8个点六面体(即N1'-N2'-N3'-N4'-N5'-N6'-N7'-N8')。
图4示出了本发明实施例提供的流体力学计算系统中前置处理器的示意图,在本发明所述流体力学计算系统中,前处理器11中的网格转换单元112用于读取、解析、组织、汇编、转换、绘制外部前处理器输出的结果、将各种属性映射到固有名称及属性,外部的前处理器是相对与本发明所述流体力学计算系统之外的前处理器,外部的前处理器生成了已划分有限元网格的几何模型,其通过前处理器11中的网格转换单元112输出了关于节点、顶点、元素、边、连接线、表面、质心、直角坐标、离散图形、体积、面积、单位法向量等数据,并将上述数据输入给网格生成单元111。
图5示出了本发明实施例提供的流体力学计算系统中网格生成单元的示意图,在本发明所述流体力学计算系统中,网格生成单元111包括宏观网格生成器1111、微观网格生成器1112、网络生成器1113、自然网格生成器1114、度量网格生成器1115。其中,所述宏观网格生成器1111生成一个块、多个连接的块、及嵌入式子块的宏观网格块,用以适应特殊的自然网格及物理网格;微观网格生成器1112是在指定的点、元素、面及边,生成一个块、多个连接的块、及嵌入式子块的微观网格块;网络生成器1113对局部微观网格和全局宏观网格上的点、元素、线、面形成映射,实现之间的自由转换;自然网格生成器1114根据坐标系转换每一个微观网格;度量网格生成器1115确定了局部或全局坐标上的量度。
所述求解器12,用于根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果。
在本实施例中,所述数值离散算法包括:有限元法、有限差分法、有限体积法、数值网格离散法,所述数值网格离散法包括:交错网格离散法、多重网格离散法、自适应网格离散法。
在本实施例中,流体力学基本方程,可以写为微分形式和积分形式,方程的守恒性是计算流体动力学的发展中提出来的,计算流体动力学的基本原则是建立在一套现象学的本质规律(守恒定律),在一般情况下,最多有四个独立变量,即,三个空间x,y,z坐标和一个时间维度t。具体地,生成规范的偏微分方程的形式为:                                                 ,其中,Qi是状态变向量,  粘性应力张量,我们可用一阶方程(  和  )、二阶方程  )代替上述偏微分方程。通过上述一阶方程及二阶方程,使得本发明提供的一种流体力学计算系统及方法可以适用任何的计算流体动力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)的数学方程式和算法。
微分形式的方程一般采用有限差分解法,而积分形式的方程则采用有限体积法。有限体积法省去了网格划分后由空间域向计算域转化的过程。
在本实施例中,所述预先选定数值求解法包括串行平台、并行平台。
在本实施例中,所述建立代数方程进行求解包括:非线性代数方程求解、线性代数方程求解、矩阵求解。
所述后处理器13,用于对所述求解结果进行可视化整理。
在本实施例中,所述可视化整理包括制图、可视化、动画处理,计算机辅助设计(CAD,Computer Aided Design)、计算机辅助工程(CAE,Computer Aided Engineering)处理。
在又一实施例中,为了保证求解过程中获取到最佳的求解结果,同时防止无限循环地求解下去,一直无法得到最终的求解结果,图6示出了本发明实施例提供的流体力学计算系统中求解器的结构示意图,为了便于描述,仅示出了与本发明实施例相关的部分,在本发明实施例提供的流体力学计算系统中所述求解器12包括收敛判断单元121,具体用于:判断对时间和/或空间代数方程的解是否收敛,若收敛,则形成求解结果,否则继续进行求解。
本领域技术人员可以理解为上述发明实施例提供的流体力学计算系统所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的,但并不局限于上述的划分,只要能够实现相应的功能即可;另外,各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分,并不用于限制本发明的保护范围。
图7示出了本发明实施例提供的流体力学计算方法的一种流程图,为了便于描述,仅示出了与本发明实施例相关的部分,本发明实施例提供的流体力学计算方法,如图7所示,所述方法包括如下步骤:
步骤S11,获取已划分有限元网格的几何模型,若其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元。
步骤S12,获取未划分有限元网格的几何模型,对其进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元。
在本实施例中,所述若其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元的步骤为:
将六面体转换为六个非重叠且不相互分离的四面体;
或,将六个非重叠且不相互分离的四面体转换为一个六面体。
步骤S13,根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和/或空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果。
在本实施例中,所述数值离散算法包括:有限元法、有限差分法、有限体积法、数值网格离散法,所述数值网格离散法包括:交错网格离散法、多重网格离散法、自适应网格离散法。所述预先选定数值求解法包括串行平台、并行平台。所述建立代数方程进行求解包括:非线性代数方程求解、线性代数方程求解、矩阵求解。
步骤S14,对所述求解结果进行可视化整理。
图8示出了本发明实施例提供的流体力学计算方法的另一种流程图,为了便于描述,仅示出了与本发明实施例相关的部分,本发明实施例提供的流体力学计算方法,如图8所示,所述方法包括如下步骤:
步骤S21,判断是否获取到已划分有限元网格的几何模型,若是则执行步骤S22,否则执行步骤S23;
步骤S22,获取已划分有限元网格的几何模型,若其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元;并执行步骤S24。
步骤S23,获取未划分有限元网格的几何模型,对其进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元。
在本实施例中,所述若其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元的步骤为:
将六面体转换为六个非重叠且不相互分离的四面体;
或,将六个非重叠且不相互分离的四面体转换为一个六面体。
步骤S24,根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和/或空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果。
步骤S25,判断对时间和/或空间代数方程的解是否收敛,若收敛,则形成求解结果,否则执行步骤S24。
步骤S26,对所述求解结果进行可视化整理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种流体力学计算系统,其特征在于,所述系统包括:
前处理器,包括网格生成单元、网格转换单元,所述网格生成单元用于对几何模型进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元;所述网格转换单元用于将所述形成基于四面体的单元转换为基于六面体的单元,和/或将所述形成基于六面体的单元转换为基于四面体的单元;
求解器,用于根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和/或空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果;
后处理器,用于对所述求解结果进行可视化整理。
2.如权利要求1所述系统,其特征于,所述求解器包括收敛判断单元,具体用于:判断对时间和/或空间代数方程的解是否收敛,若收敛,则形成求解结果,否则继续进行求解。
3.如权利要求1所述系统,其特征于,所述网格转换单元具体为:
将六面体转换为六个非重叠且不相互分离的四面体,或将六个非重叠且不相互分离的四面体转换为一个六面体。
4.如权利要求1所述系统,其特征于,所述数值离散算法包括:有限元法、有限差分法、有限体积法、数值网格离散法,所述数值网格离散法包括:交错网格离散法、多重网格离散法、自适应网格离散法。
5.如权利要求1所述系统,其特征于,所述预先选定数值求解法包括串行平台、并行平台。
6.如权利要求1所述系统,其特征于,所述建立代数方程进行求解包括:非线性代数方程求解、线性代数方程求解、矩阵求解。
7.如权利要求1所述系统,其特征于,所述可视化整理包括制图、可视化、动画处理,计算机辅助设计(CAD,Computer Aided Design)、计算机辅助工程(CAE,Computer Aided Engineering)处理。
8.一种流体力学计算方法,其特征在于,所述方法包括:
获取已划分有限元网格的几何模型,若其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元;
获取未划分有限元网格的几何模型,对其进行有限元网格划分,生成基于四面体、六面体的单元;
根据预先选定的数学工程模型、数值离散算法及数值求解法,对数学工程模型建立微分方程及定解条件,将连续的时间和/或空间物理量进行区域离散化计算,及通过数值求解法建立代数方程进行求解,形成求解结果;
对所述求解结果进行可视化整理。
9.如权利要求8所述方法,其特征于,所述方法还包括:
判断对时间和/或空间代数方程的解是否收敛,若收敛,则形成求解结果,否则继续进行求解。
10.如权利要求8所述方法,其特征于,所述若其为基于四面体的单元,则转换为基于六面体的单元;若其为基于六面体的单元,则转换为基于四面体的单元的步骤为:
将六面体转换为六个非重叠且不相互分离的四面体;
将六个非重叠且不相互分离的四面体转换为一个六面体。
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