CN112015735A - 一种非结构化网格的数据存储结构及数据存储方法 - Google Patents

一种非结构化网格的数据存储结构及数据存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于信息存储领域，公开了一种非结构化网格的数据存储结构及数据存储方法，其数据存储结构包括：网格单元的几何信息和拓扑信息、网格格面的几何信息和拓扑信息、网格格点的几何信息和拓扑信息、网格格面区域；其中，所述网格格面区域包含内部格面区域和边界格面区域；该非结构化网格的数据存储结构为计算流体力学和计算结构力学的软件开发提供详细的空间离散化解决方案，可以支持有限容积法和有限元方法的数值计算所涉及的各类网格类型，还可以同时支持二维和三维问题的仿真计算；其数据存储方法简单，可以简化数据量，降低计算量，在复杂的几何形状的适应性上有着显著的优势。

Description

一种非结构化网格的数据存储结构及数据存储方法
技术领域
本发明涉及信息存储领域，具体涉及一种非结构化网格的数据存储结构及数据存储方法。
背景技术
在早期的流体力学仿真软件中，空间离散化主要采用结构化网格，即每个单元都有固定的周围邻居单元。结构化网格数据结构和相应的存储技术较为简单，但对复杂的几何空间形状适应性较差。而非结构化网格由于能够适应各种复杂的几何形状，现已成为流体力学仿真软件中最主要的空间离散化解决方案。但非结构化网格不像结构化网格那样，各单元之间有着确定的连接关系，因此需要设计专门的数据结构来进行存储，现有技术中还找不到能够完整描述二维或三维非结构化网格的详细数据结构和存储方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于一种非结构化网格的数据存储结构及数据存储方法，为计算流体力学和计算结构力学的软件开发提供详细的空间离散化解决方案，可以支持有限容积法和有限元方法的数值计算所涉及的各类网格类型，还可以同时支持二维和三维问题的仿真计算；其数据存储方法简单，可以简化数据量，降低计算量，在复杂的几何形状的适应性上有着显著的优势。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种非结构化网格的数据存储结构，包括：网格单元的几何信息和拓扑信息、网格格面的几何信息和拓扑信息、网格格点的几何信息和拓扑信息、网格格面区域；其中，所述网格格面区域包含内部格面区域和边界格面区域。
进一步的，当所述非结构化网格为三维非结构化网格时，所述网格单元为参与分割不规则区域的多面体；所述网格格面为多边形单元的面；所述网格格点为多边形单元的顶点；所述网格格面区域为不规则区域的格面集合。
进一步的，当所述非结构化网格为二维非结构化网格时，所述网格单元为参与分割不规则区域的多边形；所述网格格面为多边形单元的边；所述网格格点为多边形单元的顶点；所述网格格面区域为不规则区域的格面集合。
进一步的，所述网格单元的几何信息包含单元中心坐标和单元体积；所述网格单元的拓扑信息包含相邻格面编号列表和相邻格点编号列表。
进一步的，所述网格格面的几何信息包含格面中心坐标和格面面积矢量；所述网格格面的拓扑信息包含主单元编号、邻单元编号和相邻格点编号列表。
进一步的，所述网格格面分为内部格面和边界格面；其中，所述内部格面的两侧各有一个单元，所述边界格面只有一侧有单元；
所述内部格面的方向为由编号较小的单元指向编号较大的单元，并将编号较小的单元编号称为主单元编号，将编号较大的单元编号称为邻单元编号；所述边界格面的方向为指向边界外部，将边界格面所在单元称为主单元，所述边界格面没有邻单元，将边界格面的邻单元编号设为-1。
进一步的，所述网格格点的几何信息包含格点的坐标；所述网格格点的拓扑信息包含相邻单元编号列表、相邻格面编号列表、相邻格点编号列表。
进一步的，所述内部格面区域包含一个整型数据列表，存储网格的所有内部格面编号；所述边界格面区域包含一个整型数据列表，存储网格的所有边界格面编号。
(二)一种非结构化网格的数据存储方法，包括以下步骤：
步骤1，将不规则区域分割为多个非结构化网格，每个非结构化网格包含网格单元、网格格面、网格格点和网格格面区域；
步骤2，获取每个非结构化网格的网格单元的几何信息和拓扑信息、网格格面的几何信息和拓扑信息、网格格点的几何信息和拓扑信息、网格格面区域信息；并组成对应非结构化网格的数据存储结构；
步骤3，在存储器中，按照非结构化网格的数据存储结构为每个非结构化网格设置对应的存储单元；
步骤4，在每个存储单元中，依次存储对应网格单元的几何信息和拓扑信息、网格格面的几何信息和拓扑信息、网格格点的几何信息和拓扑信息、网格格面区域信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的非结构化网格的数据存储结构为计算流体力学和计算结构力学的软件开发提供详细的空间离散化解决方案，可以支持有限容积法和有限元方法的数值计算所涉及的各类网格类型，还可以同时支持二维和三维问题的仿真计算。
(2)本发明的非结构化网格的数据存储结构可以根据工程技术实际需要对网格进行分割，其数据存储方法简单，可以简化数据量，降低计算量，在复杂的几何形状的适应性上有着显著的优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为非结构化网格的基本单元图；其中，图(a)为二维非结构化网格的基本单元图；图(b)为三维非结构化网格的基本单元图；
图2为本发明的非结构化网格的UML类图；
图3为本发明的二维非结构化网格的数据存储结构的具体实施例图；
图4为本发明的三维非结构化网格的数据存储结构的具体实施例图；其中，图(a)为某发动机叶片的三维几何结构图；图(b)为图(a)中发动机叶片的非结构化网格离散图；
图5为本发明的非结构化网格的数据存储结构所开发出来的流体力学仿真软件能够支持的网格类型；其中，从左到右的四张图分别依次为二维的三角形网格、三维的混合网格、三维六面体网格、三维多面体网格。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
空间离散化是流体力学仿真软件运行的必要步骤，将求解的区域划分为若干个单元，使得求解器可以在后续将待求解的流体力学微分方程组转化为这些单元之间的代数方程组。本发明要对二维或三维几何的空间离散进行存储。
如图1所示，为了进行空间离散，计算区域(不规则区域)在三维情况下由某种网格生成技术分割为有限个互不重叠的多面体；在二维情况下，计算区域则被分割为有限个互不重叠的多边形。其中，具体如何分割可以根据工程技术实际需要按需求进行分割，如按照裂缝需求进行分割等。为了表述方便，本说明书对以下概念进行定义。
如图1(a)所示，当非结构化网格为二维非结构化网格时，网格单元为参与分割计算区域(不规则区域)的多边形；网格格面为多边形单元的边；网格格点为多边形单元的顶点；网格格面区域为计算区域的整个或部分边界的格面集合。
如图1(b)所示，当非结构化网格为三维非结构化网格时，网格单元为参与分割计算区域的多面体；网格格面为多边形单元的面；网格格点为多边形单元的顶点；网格格面区域为计算区域的整个或部分边界的格面集合。
本发明根据非结构化网格的特点提供相应的数据存储结构，同时记录非结构化网格的几何信息和拓扑信息。图2为描述本发明的UML类图，本发明通过描述单元、格面、格点的几何信息及其连接关系以实现对二维或三维非结构化网格的存储。下面介绍UML类图中各个类所需存储的信息以及这些类之间的关系。
网格单元的几何信息包含单元中心坐标和单元体积。网格单元的拓扑信息包含单元相邻格面编号列表和相邻格点编号列表。
网格格面的几何信息包含格面中心坐标和格面面积矢量。网格格面的拓扑信息包含主单元编号、邻单元编号和相邻格点编号列表。根据所处位置的不同，网格格面分为内部格面和边界格面两类；其中，内部格面两侧各有一个单元，而边界格面只有一侧有单元。本发明按照两侧单元的编号定义内部格面的方向：由编号较小的单元指向编号较大的单元，并将较小和较大的单元编号分别称为主单元编号和邻单元编号。边界格面所在的单元即该边界格面的主单元；边界面的方向定义为指向边界外部。由于边界面没有邻单元，本发明将边界面的邻单元编号统一设为-1。
网格格点的几何信息包含格点的坐标。网格格点的拓扑信息包含相邻单元(格心)编号列表、相邻格面编号列表、相邻格点编号列表。
为了全面描述计算网格，本发明在网格数据类中定义三个线性表，分别存储组成为网格的格心、格面和格点。另外，流体力学仿真软件通常需要分别对内部格面和边界格面进行访问并采用不同的算法。为此，本发明还建立两个格面区域，即内部格面区域和边界格面区域。
其中，内部格面区域包含一个整型数据列表，存储的是网格的所有内部格面的编号。一个边界格面区域包含一个整型数据列表，存储的是从属于该边界的所有边界格面编号。由于一个网格可能有多个边界，因此一个网格对象中可能包含多个边界格面区域。
下面详细介绍UML图中各个类的成员变量的类型。表1为网格单元的各个成员变量及其数据类型。表2、表3分别为网格格面和网格格点的各个成员变量及其数据类型。表4为网格格面区域的各个成员变量及其数据类型。表5为整个网格的各成员变量及数据类型。其中，中心坐标的数据类型为向量，是包含三个实型量的结构体，分别表示三维空间中x、y、z方向的分量。本发明所采用的所有列表仅采用线性表；在程序编制时，为了提高访问效率，线性表须采用直接访问式的线性数据结构，例如一维数组或容器。
表1网格单元类成员变量及其类型
Figure BDA0002641842370000061
Figure BDA0002641842370000071
表2网格格面类的成员变量及其类型
变量名称 变量类型 说明
中心坐标 三维向量 包含x、y、z三个方向的实型分量
面积 三维向量 包含x、y、z三个方向的实型分量
相邻格点编号列表 线性表 表中元素为整型数字
主单元编号 整型数字 ≥0
邻单元编号 整型数字 ≥0
表3网格格点类的成员变量及其类型
变量名称 变量类型 说明
坐标 三维向量 包含x、y、z三个方向的实型分量
相邻格点编号列表 线性表 表中元素为整型数字
相邻单元编号列表 线性表 表中元素为整型数字
相邻格面编号列表 线性表 表中元素为整型数字
表4网格格面区域类的成员变量及其类型
变量名称 变量类型 说明
区域编号 整型数字 边界区域为非负，内部区域为-1
区域名称 字符串 -
区域类型 实型量 枚举型：内部区域或边界区域
格面编号列表 线性表 表中元素为整型数字
其中，格面区域类中的格面区域编号是指该格面区域在网格中边界索引表的编号，内部格面索引表的区域编号为-1。
表5网格类的成员变量及其类型
变量名称 变量类型 说明
网格名称 整型数字 ≥0
单元数量 字符串 -
格面数量 实型量 枚举型：内部区域或边界区域
格点数量 线性表 表中元素为整型数字
单元列表 线性表 表中元素为单元
格面列表 线性表 表中元素为格面
格点列表 线性表 表中元素为格点
内部格面索引表 格面区域 -
边界格面索引表 线性表 表中元素为格面区域
其中，网格类的主要成员函数包括读取文件、输出文件和计算几何信息。读取文件和输出文件可以根据仿真分析软件的输入输出文件标准进行相应的程序编制。通常，输入文件的几何信息仅包含格点的坐标，本软件在网格类中引入计算几何信息方法由给定的格点坐标和格点-单元-格面的拓扑关系计算其他所需几何信息。
实施例1
以图3中的计算网格为例说明本发明中二维非结构化网格中的格心、格面、格点的数据结构及组成网格数据结构的各个列表。
图3中，计算区域被分为9个三角形。网格由9个网格单元(格心)、17个网格格面和9个网格格点组成。其中，箭头表示各个格面的方向；所有列表的编号从0开始。表6、表7、表8分别以格心#1、格面#7和格点#7举例说明三种基本网格组成单元的拓扑信息。表9为图3中计算网格数据中各个线性列表。
表6格心#1的拓扑信息
相邻格面编号列表：1,8,9
相邻格点编号列表：1,2,7
表7格面#7的拓扑信息
主格心编号：0
邻格心编号：2
相邻格点编号列表：0,7
表8格点#7的拓扑信息
相邻格点编号列表：0,1,2,6,8
相邻格面编号列表：7,8,9,10,12
相邻格心编号列表：0,1,2,3,4
表9网格数据结构示例
格心列表：0,1,2,3,4,5,6,7
格面列表：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
格点列表：0,1,2,3,4,5,6,7
内部格面编号索引表：7,8,9,10,11,12,13,14,15,16
Figure BDA0002641842370000101
实施例2
采用本发明的非结构化网格的数据存储结构所开发出来的流体力学仿真软件可以高效的存储三维非结构化网格的全部几何信息。例如，图4(a)为一个发动机叶片的三维几何结构；图4(b)为该发动机叶片的一种非结构化网格的空间离散图。
另外，通过本发明编写的非结构化网格的数据存储结构所开发出来的流体力学仿真软件能够支持各种类型的网格形状，能够读取ICME、Gambit、Star-CCM、Ugrid等不同软件所生成的计算网格。例如图5中的从左到右的四张图分别为二维的三角形网格、三维的混合网格、三维六面体网格、三维多面体网格。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，包括：网格单元的几何信息和拓扑信息、网格格面的几何信息和拓扑信息、网格格点的几何信息和拓扑信息、网格格面区域；其中，所述网格格面区域包含内部格面区域和边界格面区域。
2.根据权利要求1所述的非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，当所述非结构化网格为三维非结构化网格时，所述网格单元为参与分割不规则区域的多面体；所述网格格面为多边形单元的面；所述网格格点为多边形单元的顶点；所述网格格面区域为不规则区域的格面集合。
3.根据权利要求1所述的非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，当所述非结构化网格为二维非结构化网格时，所述网格单元为参与分割不规则区域的多边形；所述网格格面为多边形单元的边；所述网格格点为多边形单元的顶点；所述网格格面区域为不规则区域的格面集合。
4.根据权利要求1所述的非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，所述网格单元的几何信息包含单元中心坐标和单元体积；所述网格单元的拓扑信息包含相邻格面编号列表和相邻格点编号列表。
5.根据权利要求1所述的非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，所述网格格面的几何信息包含格面中心坐标和格面面积矢量；所述网格格面的拓扑信息包含主单元编号、邻单元编号和相邻格点编号列表。
6.根据权利要求1所述的非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，所述网格格面分为内部格面和边界格面；其中，所述内部格面的两侧各有一个单元，所述边界格面只有一侧有单元；
所述内部格面的方向为由编号较小的单元指向编号较大的单元，并将编号较小的单元编号称为主单元编号，将编号较大的单元编号称为邻单元编号；所述边界格面的方向为指向边界外部，将边界格面所在单元称为主单元，所述边界格面没有邻单元，将边界格面的邻单元编号设为-1。
7.根据权利要求1所述的非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，所述网格格点的几何信息包含格点的坐标；所述网格格点的拓扑信息包含相邻单元编号列表、相邻格面编号列表、相邻格点编号列表。
8.根据权利要求1所述的非结构化网格的数据存储结构，其特征在于，所述内部格面区域包含一个整型数据列表，存储网格的所有内部格面编号；所述边界格面区域包含一个整型数据列表，存储网格的所有边界格面编号。
9.一种非结构化网格的数据存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将不规则区域分割为多个非结构化网格，每个非结构化网格包含网格单元、网格格面、网格格点和网格格面区域；
步骤2，获取每个非结构化网格的网格单元的几何信息和拓扑信息、网格格面的几何信息和拓扑信息、网格格点的几何信息和拓扑信息、网格格面区域信息；并组成对应非结构化网格的数据存储结构；
步骤3，在存储器中，按照非结构化网格的数据存储结构为每个非结构化网格设置对应的存储单元；
步骤4，在每个存储单元中，依次存储对应网格单元的几何信息和拓扑信息、网格格面的几何信息和拓扑信息、网格格点的几何信息和拓扑信息、网格格面区域信息。
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