CN110111397A - 一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，步骤1.现有网格边界提取：对现有网格进行分析，判断哪些点为边界节点，然后提取需缝合或拓展的现有网格边界；步骤2.边界缝合或边界拓展：当需连接的两现有网格边界相距较近时，如距离S<1.5D，直接将两网格的边界点通过三角形或四边形进行缝合；当需连接的两个现有网格边界相距较远，如距离S>1.5D，或只是针对一个现有网格进行扩展时，则需添加连接线，形成封闭区域后，再进行网格的拓展；步骤3.网格再生：针对现有网格和边界缝合或边界拓展生成的新三角形网格，重新按照无结构网格编码进行编号，即可得到整体的无结构网格，本发明能充分利用现有网格，大大降低了重新生成网格的工作量。

Description

一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法

技术领域

本发明涉及河流水系数值模拟领域，特别涉及一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法。

背景技术

到目前为止，几乎所有的河流水动力学数值模拟均基于网格的划分。网格划分占到了整个数值模拟的大部分工作量，且网格质量对计算精度有一定影响，网格数量对计算速度有较大影响，因此网格的划分在数值模拟中显得尤为重要。尽管网格划分技术日趋成熟，但仍存在如下问题与缺点：

(1)网格划分工作量大，现有的网格没能得到充分利用。据不完全统计，在河流水动力学数值模拟计算中，网格划分等前处理工作量往往占到总工作量的70％-80％。由此可见，若要提高数值模拟的工作效率，在网格划分方面有较大的潜力可挖。同时，有时网格做好以后，因为研究需要，需延长计算河段范围，往往需要重新划分网格，现有的网格没能得到充分利用，无形之中加大了网格划分工作量。

(2)网格类型多，不同网格对模型的兼容差。目前常用的网格划分方法包括结构网格和非结构网格两类，其中结构网格有正交曲线网格和非正交网格四边形网格之分，而非结构网格主要包括三角形网格、四边形网格和三、四边形混合网格等。目前，许多河流数值模拟模型要么基于结构网格，甚至要求是正交网格，要么基于非结构网格。这样的结果是，若采用不同的模型计算时，有时网格需要重新划分。本发明的改进思路是，充分利用已生成的结构或非结构网格，拓展生成统一的非结构网格，可满足基于非结构网格模型的数值计算需要。

(3)同一套网格难以同时适应宏观和微观计算的需要。在河流数值模拟中，对于水位的模拟，往往需要较长的河段，网格尺度可大一些；对于工程局部流态的模拟，往往需要较小尺度的网格，计算河段范围可以短些。这样一来，往往需要做两套网格，以分别适应不同的计算目的，由此网格划分工作量相应也成倍增加了。针对一个较长的河段，若能分段建立网格，在有需要的时候，能快速将各短河段网格拼合成长河段网格，这样就能同时适应宏观和微观计算的需要。并且各个短河段网格均可自由选择结构网格、非结构网格或两者的混合。

(4)网格数量与质量有时难以同时满足。一般来说，网格数量越少，计算时间越短，效率越高，但网格数量减少到一定程度，又会牺牲计算精度。当网格越接近矩形或正三角形，相邻网格差距越小时，计算精度越高。整个网格中最小的单元边长或长宽比过大等最劣单元形态往往决定了模型计算的时间步长，甚至影响到模型的稳定性。由此可见，合适的网格数量、优良的网格形状、最劣单元的尺度与形态往往决定了网格划分的成败或效果。

从国外相对比较成熟的网格生成软件来看，Mike软件中采用Mesh Generator模块可方便生成三角形、四边形混合网格，其不足之处是网格质量难以有效控制；Delft3D软件采用RGFGRID模块生成正交曲线网格，其不足之处是对于复杂边界网格划分难度大，如多分汊、宽窄急剧变化等情况，且难以保证网格质量；EFDC软件的网格划分工具为GEFDC，也可使用RGFGRID软件，可生成正交曲线网格，其不足与RGFGRID软件类似；SMS软件网格模块为Mesh Model，可方便生成三角形网格，也可将三角形单元合并为四边形单元，其不足之处是网格生成后，需对一些劣质的单元进行处理。由此可见，国外网格生成器能方便生成结构或非结构网格，但尚不具备现有网格的拓展和缝合功能，也缺乏结构网格和非结构网格拼接功能，且网格对不同模型的兼容性差。

为此，发明一种利用现有网格进行边界缝合与拓展，使其实现各类网格的充分利用与再生成，是非常必要的。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，能充分利用现有网格，大大降低了重新生成网格的工作量。

本发明的技术方案：

一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，包括以下具体步骤，

步骤1.现有网格边界提取：对现有网格进行分析，判断哪些点为边界节点，包括开边界点和闭边界点，然后提取需缝合或拓展的现有网格边界；

步骤2.边界缝合或边界拓展：当需连接的两个现有网格边界距离S<1.5D时，D为两网格边界单元的平均边长，直接将两网格的边界点通过三角形或四边形进行缝合，增加的单元计入总单元之中；

当需连接的两个现有网格边界距离S>1.5D，或只是针对一个现有网格进行扩展时，则需添加连接线，形成封闭区域后，再进行网格的拓展；

步骤3.网格再生：针对现有网格，和边界缝合或边界拓展生成的新三角形网格，重新按照无结构网格编码进行编号，即可得到整体的无结构网格。

所述步骤1中，为方便对各类边界的识别，预先对各类网格点进行属性赋值，然后，对边界点进行排序，开边界点和闭边界点一起参加排序，排列方式为顺时针。排序方法是根据两个单元边界线是否存在重复节点来判断，若存在重复节点，则说明两边界线相邻，记入顺序队列，否则继续查找。

所述步骤2中，边界缝合或边界拓展的具体步骤为，

①添加连接线，连接线第1,2点均为网格的边界点，后面的点可为新增的边界线点，即可以扩大网格范围，连接线到最后一点时需判断是否为封闭线，封闭线按照整个连接线所构成的区域为逆时针的原则，非封闭线无此要求；

②对需拓展区域进行三角形网格扩展，对于连接线上非网格点的边界节点，需定义网格扩展尺度和扩展属性，首先根据网格扩展尺度，对连接线上非网格点的边界进行内插离散形成网格控制点；然后以连接线上网格点为初始波前进行网格扩展；扩展得到新网格后，以新网格的扩展边界作为新的波前；以此类推，不断进行扩展，直至整个区域被网格填充；

③网格扩展尺度，拓展区域中任意点的网格扩展尺度通过有效边界线上各点的网格扩展尺度加权得到。有效边界线的确定通过单射线方法判断，即在需扩展的当前位置，向任意方向作一射线，一般可选择水平或垂直方向，若该射线与该边界线的交点个数为奇数，则该边界线为有效边界线。

所述网格扩展尺度为网格单元的参考边长，所述扩展属性为单边扩展1、双边扩展2、不扩展0。

所述步骤2中，两网格的边界点通过三角形进行缝合时，三角形单元按照张角最大原则，在扩展之前，需用连接线连接需缝合的网格边界。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能充分利用现有网格，减少网格生成工作量，可实现各类网格的整合利用，包括将结构网格用于无结构模型，采用分块缝合与拼接思路，大大减轻了长河段或复杂河网的网格生成工作量，能同时适应宏观与微观问题模拟计算，采用改进的网格尺度函数，在网格数量适宜的情况下，能大幅提高网格质量。

附图说明

图1现有不同河段网格示意图；

图2提取需缝合或拓展的现有网格边界示意图；

图3结构网格之间缝合示意图；

图4结构与非结构网格缝合示意图；

图5提取的现有网格边界线和需拓展的连接线示意图；

图6结构网格两边拓展生成新网格示意图；

图7结构网格一边局部拓展生成新网格示意图；

图8复杂天然河道网格生成图；

图9复杂河网网格生成图；

图10本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：

一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，包括以下具体步骤，

步骤1.现有网格边界提取：对现有网格进行分析，如图1，判断哪些点为边界节点，包括开边界点和闭边界点，然后提取需缝合或拓展的现有网格边界，如图2或图5；

步骤2.边界缝合或边界拓展：当需连接的两现有网格边界相距较近时，如距离S<1.5D，直接将两网格的边界点通过三角形或四边形进行缝合，增加的单元计入总单元之中，如图3、图4；

当需连接的两个现有网格边界相距较远，如距离S>1.5D，或只是针对一个现有网格进行扩展时，如图6、图7，则需添加连接线，形成封闭区域后，再进行网格的拓展；

步骤3.网格再生：针对现有结构或非结构和边界缝合或边界拓展生成的新三角形网格重新按照无结构网格编码进行编号，即可得到整体的无结构网格。

所述步骤1中，为方便对各类边界的识别，预先对各类网格点进行属性赋值，闭边界点为1，开边界为2,3,4,…，内点为0，然后，对边界点进行排序，开边界点和闭边界点一起参加排序，排列方式为顺时针。排序方法是根据两个单元边界线是否存在重复节点来判断，若存在重复节点，则说明两边界线相邻，可记入顺序队列。

所述步骤2中，边界缝合或边界拓展的具体步骤为，

①添加连接线，连接线第1,2点均为网格的边界点，后面的点可为新增的边界线点，即可以扩大网格范围，连接线到最后一点时需判断是否为封闭线，封闭线按照整个连接线所构成的区域为逆时针的原则，非封闭线无此要求；

②对需拓展区域进行三角形网格扩展，对于连接线上非网格点的边界节点，需定义网格扩展尺度和扩展属性，首先根据网格扩展尺度，对连接线上非网格点的边界进行内插离散形成网格控制点；然后以连接线上网格点为初始波前进行网格扩展；扩展得到新网格后，以新网格的扩展边界作为新的波前；以此类推，不断进行扩展，直至整个区域被网格填充；

③网格扩展尺度，拓展区域中任意点的网格扩展尺度通过有效边界线上各点的网格扩展尺度加权得到。有效边界线的确定通过单射线方法判断，即在需扩展的当前位置，向任意方向作一射线，一般可选择水平或垂直方向，若该射线与该边界线的交点个数为奇数，则该边界线为有效边界线。

所述网格扩展尺度为网格的参考边长，所述扩展属性为单边扩展1、双边扩展2、不扩展0。

所述步骤2中，两网格的边界点通过三角形进行缝合时，三角形单元按照张角最大原则，在扩展之前，需用连接线连接需缝合的网格边界。

实施例：

首先应有1个及以上的现有网格，网格可以是结构网格，也可以是无结构网格，如图1中为两现有网格示意。

然后，提取需缝合或拓展的现有两网格的边界线和边界节点。

接着，进行网格的缝合。图3中现有网格1和现有网格2均为结构网格。接着，通过网格缝合可将两网格合并为一个整体网格，从而实现长河段网格的再生成。网格缝合方法参照前述。

图4中现有网格1和现有网格2分别为结构网格和非结构网格，通过网格缝合，可将两网格合并为一个整体网格。网格缝合方法参照前述。

再接着，也可进行网格的拓展。图5为提取的现有网格边界线和需拓展的连接线。图6中主河槽为结构网格，通过网格拓展，生成滩地的三角形网格，可生成三、四边形混合网格。既能减少主河槽网格数量，避免主河槽产生锯齿，又能对复杂滩地边界自由进行网格划分。网格拓展方法参照前述。

针对现有网格，在河岸一侧可拓展得到一新计算区域(见图7)，可用于河道溃堤和洪水在分洪区演进情况的模拟计算。网格拓展方法参照前述。

图8为实际生成的复杂天然河道网格图，采用了四边形结构网格和无结构三角形网格混合，采用了边界缝合和边界网格拓展方法。

图9为实际生成的复杂河网网格图，采用了四边形结构网格和无结构三角形网格混合，采用了边界缝合和边界网格拓展方法，大大减轻了网格划分工作量，且各分河段网格还可独立用于短河段的计算。

本发明的一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，

(1)能充分利用现有网格，减少网格生成工作量。即两个现有网格边界相距较近时，如距离S<1.5D，只需用三角形缝合即可，若相距较远，如距离S>1.5D，或需扩大计算区域，则需进行网格的拓展。优点在于，通过现有网格的改造，可大大节省网格生成的工作量，同时也可用于无现有网格情况的网格自动生成。

(2)可实现各类网格的整合利用，包括将结构网格用于无结构模型。优点在于，一是可实现结构网格向非结构网格的自动转换，充分利用现有的结构网格，二是实现了不同类型网格的拼接。这样就克服了过去结构网格只能用于结构网格模型计算的弊端，使得结构网格或者其与非结构网格的混合网格也能用于非结构网格模型的计算。

(3)采用分块缝合与拼接思路，大大减轻了长河段或复杂河网的网格生成工作量，能同时适应宏观与微观问题模拟计算。一般来说，短河段的网格划分较为容易，容易保证网格质量和避免出现劣质网格，往往劣质网格在大规模网格中不易被发现。通过短河段网格的拼接形成的长河段网格，可保留短河段网格质量好的优点，可实现宏观问题的研究，也能为微观问题研究保留短河段网格。

(4)采用改进的网格尺度函数，在网格数量适宜的情况下，能大幅提高网格质量。首先网格尺度函数基于现有网格边界节点和新增边界离散节点，能充分吸收边界的尺度信息；其次，网格尺度函数同时兼顾了局部单元的质量和整体网格质量，能同时保证网格整体质量和尽可能避免出现劣质网格。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，其特征包括以下具体步骤，

步骤1.现有网格边界提取：对现有网格进行分析，判断哪些点为边界节点，包括开边界点和闭边界点，然后提取需缝合或拓展的现有网格边界；

步骤2.边界缝合或边界拓展：当需连接的两个现有网格边界距离S<1.5D时，D为两网格边界单元的平均边长，直接将两网格的边界点通过三角形或四边形进行缝合，增加的单元计入总单元之中；

当需连接的两个现有网格边界距离S>1.5D或只是针对一个现有网格进行扩展时，则需添加连接线，形成封闭区域后，再进行网格的拓展；

步骤3.网格再生：针对现有结构或非结构和边界缝合或边界拓展生成的新三角形网格重新按照无结构网格编码进行编号，即可得到整体的无结构网格。

2.根据权利要求1所述的一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，其特征在于：所述步骤1中，为方便对各类边界的识别，预先对各类网格点进行属性赋值，然后，对边界点进行排序，开边界点和闭边界点一起参加排序，排列方式为顺时针，排序方法是根据两个单元边界线是否存在重复节点来判断，若存在重复节点，则说明两边界线相邻，记入顺序队列，否则继续查找。

3.根据权利要求1所述的一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，其特征在于：所述步骤2中，边界缝合或边界拓展的具体步骤为，

①添加连接线，连接线第1,2点均为网格的边界点，后面的点为新增的边界线点，即可以扩大网格范围，连接线到最后一点时需判断是否为封闭线，封闭线按照整个连接线所构成的区域为逆时针的原则，非封闭线无此要求；

②对需拓展区域进行三角形网格扩展，对于连接线上非网格点的边界节点，需定义网格扩展尺度和扩展属性，首先根据网格扩展尺度，对连接线上非网格点的边界进行内插离散，形成网格控制点；然后以连接线上网格点为初始波前进行网格扩展；扩展得到新网格后，以新网格的扩展边界作为新的波前；以此类推，不断进行扩展，直至整个区域被网格填充；

③网格扩展尺度，拓展区域中任意点的网格扩展尺度通过有效边界线上各点的网格扩展尺度加权得到。有效边界线的确定通过单射线方法判断，即在需扩展的当前位置，向任意方向作一射线，射线方向选择水平或垂直方向，若该射线与该边界线的交点个数为奇数，则该边界线为有效边界线。

4.根据权利要求3所述的一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，其特征在于：所述网格扩展尺度为网格单元的参考边长，所述扩展属性为：单边扩展1、双边扩展2、不扩展0。

5.根据权利要求3所述的一种基于边界缝合与拓展的复杂水域网格再生方法，其特征在于：所述步骤2中，两网格的边界点通过三角形进行缝合时，三角形单元按照张角最大原则，在扩展之前，需用连接线连接需缝合的网格边界。