CN110334450B - 一种多块结构网格生成中物面投影错误的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多块结构网格物面生成中投影错误的修复技术，即首先通过面网格检测将投影错误的物面网格区域筛查并标记出来，然后利用两维度超限插值方法对投影错误的物面网格进行重构，接着利用三维度超限插值对整个网格块进行初始化，最终生成符合CFD分析要求的流场计算网格；本发明与商业软件中修复数模提高投影精度、避免产生网格投影错误的技术不同，本发明是对已经发生投影错误的多块结构网格进行修复，通过投影错误区域探测、初始化重构等技术消除投影错误对网格质量的影响，本发明能够通过程序实现修复流程的自动化。

Description

一种多块结构网格生成中物面投影错误的修复方法

技术领域

本发明涉及数值计算的网格生成领域，尤其涉及计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)中的多块结构网格生成领域,具体涉及网格生成中物面投影错误的修复方法。

背景技术

伴随计算机硬件设备与计算方法的快速发展，计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)在国民经济各领域发挥着日益重要的作用。尤其对于航空航天产业的发展，CFD技术为飞行器的设计和定型提供了大量高质量的仿真模拟数据。

CFD通过网格对研究对象的流场进行空间离散，然后求解得到流场的离散数值解。CFD分析结果的精度和可靠性与离散网格的质量直接关联。高质量的流场计算网格不仅能够更好地逼近流动真实现象，还可以大幅提高流场的收敛速度，降低CFD运算的成本。

目前，CFD计算网格按照拓扑关系可以分为两类：结构网格与非结构网格。结构网格中，内部网格点的相邻网格点数目是恒定的，网格点的位置可以通过在不同方向上的编号进行访问；非结构网格中，内部网格点的相邻网格点数目是变化的，网格点位置需要通过单独定义的网格点列表进行访问。

结构与非结构网格有着各自的优缺点。非结构网格具有潜在自动化生成的优势，但在计算精度、分辨率和效率方面，结构网格能够获得更好的模拟结果。因此，多块结构网格是CFD工程应用中主要采用的网格类型。

当前，多块结构网格主要采用计算空间拓扑分割、物面投影、生成单块网格并组装的思路进行构造。众多著名商业软件均采用该策略生成流场计算的多块结构网格，如ICEM-CFD、Pointwise。但该方法在生成网格单元尺度非常小的边界层网格时，精细准确的物面投影是一件十分棘手的难题。多数情况下，在物面连接位置(如机翼机身交接处)，存在物面投影错误的情况，即网格点没有投影到正确的物面位置，从而造成网格质量快速降低甚至网格扭曲引起负体积单元的结果。造成这种问题的原因是物面的几何精度低于网格最小尺度要求，导致投影过程中出现交错投影或错误投影的现象。

目前，主流商业软件中通常采用修补数模外形并提高物面几何精度的方式来避免投影错误的发生。但数模的精细修补将耗费使用者大量的时间和精力，极大提高网格生成的时间成本。对于网格生成软件中不具有精细几何建模引擎的情况，物面修补可能带来额外的形状误差。

[1]Soni B K.Two-and three-dimensional grid generation for internalflow applications of computational fluid dynamics[C].AIAA Paper 85-1526,1985.

发明内容

本发明提出的一种多块结构网格物面生成中投影错误的修复技术，具有两个目的:

首先,针对物面网格投影错误引起的网格质量降低与网格单元扭曲现象，通过面网格检测将投影错误的物面网格区域分离出来，然后利用超限插值对该区域物面网格进行初始化重构，避免了对物面数模进行精细修补的问题，可以大幅减少多块结构网格生成的工作量；

其次,该发明提出的物面投影错误修复技术直接对流场计算网格进行操作，便于通过计算机编程方式实现网格修复的自动化，能够极大地改善复杂外形下超大规模多块结构网格的生成效率。

为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种多块结构网格生成中物面投影错误的修复方法，包括以下步骤：

第一步：对于给定的多块结构流场计算网格，利用物面边界信息将流场计算网格中的物面网格标记出来，并通过索引编号提取出物面网格的网格点坐标。

第二步：使用网格正交性法则将物面网格中的交错单元进行标记。

第三步：分别从物面网格的四条网格棱线出发，对物面网格进行扫描，确定包含所有交错单元的矩形区域。

第四步：计算包含所有交错单元的矩形区域的最小边长L_min，并判断L_min是否超出定义的物面误差允许极限σ；若L_min>σ，需对矩形区域内的交错单元进行检查，分析交错单元产生的原因，如果交错单元是由投影错误引起，给出警告信息，如果不是，根据具体原因寻找特定的解决方案；若L_min<σ利用二维TFI对包含交错单元的矩形区域进行初始化，修复投影错误导致的物面网格单元交错。

第五步：将修复后的矩形区域与物面网格的其他区域进行缝合，获得修复后的物面网格，并判断体网格中的物面网格是否全部完成修复；如没有完成，重复第一步至第五步，直至所有物面网格完成修复。

第六步：利用三维TFI对完成全部物面修复的体网格进行初始化重构，消除物面投影错误导致的空间交错单元。

第七步：利用单元雅各比矩阵对单元网格质量进行检查，输出网格修复效果评估报告，修复流程结束。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

与商业软件中修复数模提高投影精度、避免产生网格投影错误的技术不同，本发明是对已经发生投影错误的多块结构网格进行修复，通过投影错误区域探测、初始化重构等技术消除投影错误对网格质量的影响；

本发明通过对物面投影错误的多块结构流场计算网格进行修复，避免了对原始数模的精细化修补，降低了数模准备的时间，提高了网格生成的效率；

本发明的网格修复技术能够通过编程实现全自动化，将大幅度降低网格修复的时间消耗，对降低网格准备时间、提高流场分析效率有重要的应用价值。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是结构网格物面投影错误修正技术流程；

图2是物面网格的示意图；

图3是体网格的示意图；

其中：1物面网格；2包含交错网格单元的矩形区域；3网格棱线；4体网格。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，是本实施例的流程示意图，具体实施过程为：

第一步：对于给定的多块结构流场计算网格，利用物面边界信息将流场计算网格中的物面网格1标记出来，并通过索引编号提取出物面网格1的网格点坐标，如图2所示。

第二步：先使用网格正交性法则将物面网格1中的交错单元进行标记，再分别从物面网格1的四条网格棱线2出发，对物面网格1进行扫描，确定包含所有交错单元的矩形区域3。

第三步：计算矩形区域的最短边长L_min，判断最短边长是否大于允许的物面误差极限σ。

如果L_min>σ，需要对矩形区域内的交错单元进行检查，判断交错网格单元是否由物面投影错误引起；

如果交错网格单元是由物面投影错误引起，利用两维度TFI对标记矩形区域的网格进行初始化重构并给出预警信息，否则，查找交错单元产生的直接原因；

如果L_min<σ，利用两维度TFI对标记矩形区域的网格进行初始化重构。

第四步：重构修复后的网格面两维度TFI可以表示为：

XYZ(ξ,η)＝U(ξ,η)+V(ξ,η)-UV(ξ,η)

其中，XYZ(ξ,η)为面网格点的坐标矢量；ξ,η为面网格两个维度方向的参数变量；U,V分别为ξ,η方向的插值坐标矢量；UV为U,V的张量积；各变量的详细计算方式可以参考Soni的文献[1]。

第五步：将修复后的物面网格区域与不需要修复的物面网格进行缝合链接，得到修复后新的物面网格，表示为：

XYZ_New(ξ,η)＝XYZ_Old(ξ',η')+XYZ_Corrected(ξ",η")

其中，XYZ_New(ξ,η)是缝合后新的物面网格点坐标矢量；XYZ_Old(ξ′,η′)是投影正确区域的物面网格点坐标矢量；XYZ_Corrected(ξ″,η″)是投影错误区域修复后的物面网格点坐标矢量。

第六步：判断体网格中的物面网格是否全部完成修复，如图3所示；如没有完成，重复第一步至第五步，直至所有物面网格完成修复，等待网格块中所有物面网格均修复完毕后，利用三维度TFI对整个网格块进行重新初始化，获得投影错误修复后的流场计算网格，表示为：

XYZ(ξ,η,ζ)＝U(ξ,η,ζ)+V(ξ,η,ζ)+W(ξ,η,ζ)-

UV(ξ,η,ζ)-VW(ξ,η,ζ)-WU(ξ,η,ζ)+

UVW(ξ,η,ζ)

其中，XYZ(ξ,η,ζ)为三维体网格点的坐标矢量；ξ,η,ζ为体网格三个维度方向的参数变量；U,V,W分别为ξ,η,ζ方向的插值坐标矢量；UV为U,V的张量积；VW为V,W的张量积；WU为W,U的张量积；UVW为U,V,W的张量积；各变量的详细计算公式可以参考Soni的文献[1]。

第七步：基于雅各比系数计算每个网格单元的质量，评估修复后的多块结构网格是否满足CFD流场分析的需求；输出修复前后物面网格点坐标的变化云图，定量分析修复前后物面网格的变化。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种多块结构网格生成中物面投影错误的修复方法,其特征在于:

步骤一:基于物面边界信息对流场计算网格中的物面网格进行标记，并通过索引编号提取物面网格坐标；

步骤二:使用网格正交性法则对物面网格中由投影错误引起的交错单元进行特殊标记；

步骤三:从物面网格的四条边界棱线出发，对物面网格进行扫描，确定包含所有交错网格单元的矩形区域，并计算矩形区域的最短边长；

步骤四:判断最短边长是否大于允许的物面误差极限,根据判断结果对标记矩形区域的网格进行初始化重构修复，

令最短边长为L_min，物面误差极限为σ，如果L_min>σ，对矩形区域内的交错单元进行检查，判断交错网格单元引起的原因，如果交错网格单元是由物理投影错误引起，则利用两维度TFI对标记矩形区域的网格进行初始化重构并给出预警信息，如果交错网格单元不是由物理投影错误引起，则查找交错单元产生的直接原因，

如果L_min<σ，利用两维度TFI对标记矩形区域的网格进行初始化重构，

两维度TFI表示为：XYZ(ξ,η)＝U(ξ,η)+V(ξ,η)-UV(ξ,η)

其中，XYZ(ξ,η)为面网格点的坐标矢量；ξ,η为面网格两个维度方向的参数变量；U,V分别为ξ,η方向的插值坐标矢量；UV为U,V的张量积；

步骤五:将修复后的物面网格区域与不需要修复的物面网格进行缝合链接，得到修复后新的物面网格；

步骤六:等待网格块中所有物面网格均修复完毕后，对整个网格块进行重新初始化，获得投影错误修复后的流场计算网格，

步骤七:基于雅各比系数计算每个网格单元的质量，评估修复后的多块结构网格是否满足CFD流场分析的需求；输出修复前、后物面网格点坐标的变化云图，定量分析修复前后物面网格的变化。

2.根据权利要求1所述的一种多块结构网格生成中物面投影错误的修复方法,其特征在于，修复后新的物面网格为：

XYZ_New(ξ,η)＝XYZ_Old(ξ',η')+XYZ_Corrected(ξ",η")

其中，XYZ_New(ξ,η)是缝合后新的物面网格点坐标矢量；XYZ_Old(ξ′,η′)是投影正确区域的物面网格点坐标矢量；XYZ_Corrected(ξ″,η″)是投影错误区域修复后的物面网格点坐标矢量。

3.根据权利要求1或2所述的一种多块结构网格生成中物面投影错误的修复方法,其特征在于，修复后的流场计算网格为：

XYZ(ξ,η,ζ)＝U(ξ,η,ζ)+V(ξ,η,ζ)+W(ξ,η,ζ)-

UV(ξ,η,ζ)-VW(ξ,η,ζ)-WU(ξ,η,ζ)+

UVW(ξ,η,ζ)

其中，XYZ(ξ,η,ζ)为三维体网格点的坐标矢量；ξ,η,ζ为体网格三个维度方向的参数变量；U,V,W分别为ξ,η,ζ方向的插值坐标矢量；UV为U,V的张量积；VW为V,W的张量积；WU为W,U的张量积；UVW为U,V,W的张量积。

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