CN114692470B - 一种重叠网格的装配方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于计算流体力学技术领域，提供了一种重叠网格的装配方法和系统，所述重叠网格包括子网格和背景网格，所述子网格和背景网格重叠，所述子网格和背景网格的类型为结构网格，重叠网格的装配方法包括如下步骤：将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，分别得到临时子网格和临时背景网格；将临时子网格和临时背景网格进行装配，获得临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息；将所述临时子网格的重叠装配信息映射回所述子网格中，将所述临时背景网格的重叠装配信息映射回所述背景网格中。

Description

一种重叠网格的装配方法和系统

技术领域

本发明涉及计算流体力学技术领域，尤其是涉及一种重叠网格的装配方法和系统。

背景技术

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称为CFD），是一门利用计算机和数值算法，对流体力学问题进行数值仿真分析的交叉学科，其研究的目的是为了在以航空航天为代表的众多工业领域得到良好的应用，解决航空航天飞行器研制中的众多关键气动问题。

最近几十年，随着CFD技术的不断发展，在实际工程中的应用越来越广泛，用于模拟的飞行器外形日趋复杂。同时，航空航天技术的飞速进步，对新型飞行器的性能要求不断提高，并且在飞行时经常伴随着相对运动，如高升力体外形升阻力预测、外挂物与机体分离过程、固体火箭助推器与航天飞机分离、子母弹抛撒过程、直升机旋翼过程等，对CFD计算提出了新的挑战。在这些复杂外形、运动外形的数值模拟过程中，重叠网格方法是解决问题的关键技术之一。

重叠网格（Overlapping Grid）方法是网格技术中的一个较有活力的研究方向，它将计算域划分为多个子区域，并允许子区域网格相互重叠。各子区域的网格随部件运动，子网格之间的流场信息通过插值进行传递。重叠网格方法放宽了对网格拓扑的要求，大大降低了网格生成难度，提高了网格质量；同时，重叠网格方法在物体运动过程中不需要重新生成网格，具有很高的动态网格处理效率，并且在物体具有大幅运动时能够保证网格质量，因此得到了大力的发展和使用。

重叠网格方法中的关键技术是：重叠网格装配和边界信息插值。根据网格类型的不同，重叠网格方法可以分为结构重叠网格法、非结构重叠网格法。两种方法处理的网格类型不同，网格装配方法也不同。

结构重叠网格数据结构简单、存储方便、计算简单快捷、网格质量高、计算结果精度高，缺点是生成复杂外形的结构重叠网格十分困难，需要耗费大量人工。非结构重叠网格能很好地处理复杂几何外形，有很优越的几何灵活性，其随机存储的数据结构有利于进行网格自适应。但是，由于需要记忆单元之间的关联信息，因而非结构重叠网格存储量和计算量大。

在实际的工程应用中，根据计算条件的不同，使用的网格类型也不一样。在不同的应用领域，结构、非结构重叠网格有着各自的优势。例如，在低速、亚跨声速领域，由于外形比较复杂，往往采用非结构网格离散，快速获得流场数据。在高超声速领域，由于热流和摩阻精确预测、激波和转捩等现象精细捕捉的需要，具有较高离散精度的结构网格则应用较多。

由于装配方法的不同，单一的重叠网格装配方法无法同时对结构、非结构重叠网格进行处理，目前全球尚无一种重叠网格装配方法可以同时满足结构、非结构重叠网格的装配要求。现有的处理方法是对结构、非结构重叠网格采用不同的程序进行处理。这样的处理方法存在两个问题：一是使用两套不同的网格装配程序处理结构、非结构重叠网格，增加了程序的维护成本和使用难度；二是单一的重叠网格装配方法无法满足结构、非结构重叠网格的复杂应用场景。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够同时满足多种类型重叠网格的重叠信息装配需求的方法和系统。

本发明一方面提供了一种重叠网格的装配方法，所述重叠网格包括子网格和背景网格，所述子网格和背景网格重叠，所述子网格和背景网格的类型为结构网格，包括如下步骤：

步骤S10：将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，分别得到临时子网格和临时背景网格；

步骤S20：将临时子网格和临时背景网格进行装配，获得临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息；

步骤S30：将所述临时子网格的重叠装配信息映射回所述子网格中，将所述临时背景网格的重叠装配信息映射回所述背景网格中。

进一步的，所述步骤S10包括如下步骤：

步骤S11：确定拟采用的非结构网格的拓扑结构；

步骤S12：根据步骤S11中确定的非结构网格的拓扑结构，建立所述重叠网格的拓扑结构与非结构网格的拓扑结构之间的映射关系；

步骤S13：根据步骤S12中建立的映射关系，将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构。

进一步的，所述步骤S11拟采用的非结构网格的拓扑结构的连接关系包括：面—点关系、面—单元关系、单元—点关系。

进一步的，所述步骤S20中，获得临时子网格的重叠信息包括如下步骤：

步骤S21：在临时子网格中，将与临时子网格的外边界相邻的单元记为第一插值边界单元；

步骤S22：在临时子网格中，将除去第一插值边界单元之外的临时子网格标记为子网格计算单元；

步骤S23：将完成标记的第一插值边界单元和子网格计算单元标识作为所述临时子网格的重叠装配信息。

进一步的，所述步骤S20中，获得临时背景网格的重叠信息包括如下步骤：

步骤S24：将第一临时背景网格标记为非计算单元，所述第一临时背景网格为位于临时子网格内边界内部的临时背景网格；

步骤S25：将第二临时背景网格标记为非计算单元，所述第二临时背景网格为与临时子网格重叠的临时背景网格；

步骤S26：将第三临时背景网格标记为第二插值边界单元，所述第三临时背景网格为与临时子网格外边界相邻的临时背景网格；

步骤S27：将第四临时背景网格标记为计算单元，所述第四临时背景网格为临时背景网格中除去第一临时背景网格、第二临时背景网格、第三临时背景网格的临时背景网格；

步骤S28：将第一临时背景网格、第二临时背景网格、第三临时背景网格、第四临时背景网格的标识作为所述临时背景网格的重叠装配信息。

进一步的，所述步骤S21中，利用距离加权法建立第一插值边界单元和周围单元的变量传递方法；所述步骤S26中，利用距离加权法建立第二插值边界单元和周围单元的变量传递方法。

本发明另一方面提供了一种重叠网格的装配系统，所述重叠网格包括子网格和背景网格，所述子网格和背景网格重叠，所述子网格和背景网格的类型为结构网格，包括如下模块：

转换模块：将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，分别得到临时子网格和临时背景网格；

装配模块：将临时子网格和临时背景网格进行装配，获得临时子网格的重叠信息和临时背景网格的重叠信息；

重叠信息映射模块：将所述临时子网格的重叠装配信息映射回所述子网格和背景网格中，将所述临时背景网格的重叠装配信息映射回所述背景网格中。

综上所述，本发明至少能够实现如下技术效果：

1. 本发明通过对重叠网格拓扑结构的转换，使得任意网格类型的结构网格均转换为非结构网格，采用非结构重叠网格装配方法完成结构重叠网格的装配需求；

2. 本发明将结构重叠网格转换为非结构重叠网格，使用一套重叠网格装配方法同时完成结构、非结构重叠网格的装配工作，降低了程序的维护成本和使用难度；

3. 本发明使用结构/非结构重叠网格统一装配方法，可同时满足高超声速领域结构重叠网格以及低速、亚跨声速领域非结构重叠网格的重叠信息装配的需求，扩宽了应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中重叠网格的装配方法的示意图；

图2是本发明中临时子网格的示意图；

图3是本发明中临时背景网格的示意图；

图4是本发明中临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息的整体示意图；

图5是本发明中装配后的重叠网格的示意图；

图6是本发明中临时子网格的重叠装配信息的示意图；

图7是本发明中临时背景网格的重叠装配信息的示意图。

其中，100、临时子网格，110、第一插值边界单元，120、子网格计算单元，200、临时背景网格，210、第三临时背景网格，220、第四临时背景网格，230、第一临时背景网格，240、第二临时背景网格。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本发明实施例1提供了一种重叠网格的装配方法，如图1所示，所述重叠网格包括子网格和背景网格，所述子网格和背景网格重叠，所述子网格和背景网格的类型为结构网格，包括如下步骤：

步骤S10：将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，分别得到临时子网格100和临时背景网格200；

步骤S20：将临时子网格100和临时背景网格200进行装配，获得临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息；

步骤S30：将所述临时子网格的重叠装配信息映射回所述子网格中，将所述临时背景网格的重叠装配信息映射回所述背景网格中。

拓扑结构是指分布式系统中各个计算单元之间的物理或逻辑的互联关系，结点之间的拓扑结构是确定系统类型的重要依据。

将重叠网格中的子网格转化为非结构网格，得到如图2所示的临时子网格100；将重叠网格中的背景网格转化为非结构网格，得到如图3所示的临时背景网格200。临时子网格100和临时背景网格200是对重叠网格的拓扑结构的“标准化”操作，如将整型、单/双精度浮点型、字符串等任意类型的数据都转换为字符数据型的非结构网络拓扑结构。因此，无论重叠网格的拓扑结构为何种，均将其转化为非结构网格的拓扑结构，从而为使用非结构重叠网格装配方法完成重叠信息的装配工作提供条件。

将临时子网格100和临时背景网格200进行装配，得到如图4所示的临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息。通过对临时子网格和临时背景网格进行装配，得到重叠网格的重叠装配信息，实现了对不同类型重叠网格，采用相同的重叠装配方法进行处理，从而有效降低了维护成本和使用难度。

通过将临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息分别映射回子网格和背景网格中，得到如图5所示的装配后的重叠网格，从而实现了结构/非结构重叠网格的统一装配。

本实施例能够同时适用于任意类型网格的重叠信息装配，实现了重叠装配任务与网格无关。

进一步的，所述步骤S10包括如下步骤：

步骤S11：确定拟采用的非结构网格的拓扑结构；

步骤S12：根据步骤S11中确定的非结构网格的拓扑结构，建立所述重叠网格的拓扑结构与非结构网格的拓扑结构之间的映射关系；

步骤S13：根据步骤S12中建立的映射关系，将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构。

若首先，确定采用二叉树作为非结构化网络的拓扑结构；再根据平衡二叉树建立重叠网格的拓扑结构与非结构网格的拓扑结构之间的映射关系；再根据建立的映射关系将重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，进而实现了将重叠网格中的子网格转化为非结构网格，重叠网格中的子网格转化为非结构网格的过程。

全分布式非结构化拓扑网络是对等网络（Peer-to-Peer，以下简称P2P）的一种拓扑结构，非结构化分布式P2P网络是以ad hoc的方式来组织建立的, 采用洪泛、随机步进等方式进行资源的搜索定位。代表性的非结构化分布式P2P网络是Gnutella和Freenet。

非结构化分布式P2P网络采用了随机图的组织方式，没有索引服务器，每个结点都随机维护自己本地局部的拓扑连接关系，采用了基于完全随机图的泛洪发现和随机转发机制。当需要进行信息查找时，发送一个广播消息给周边的结点，询问是否有相关的内容。如果周边结点存在相关的内容，则向查询结点发回查找结果。为了控制搜索消息的传输范围，系统引入了生存时间减值的概念。这种拓扑网络没有中央控制点，不会因为一点故障导致全部瘫痪。它的优点是结构较为简单，容易实现，同时可以支持复杂查询，如带有规则表达式的多关键词查询，模糊查询等。

进一步的，所述步骤S11拟采用的非结构网格的拓扑结构的连接关系包括：面—点关系、面—单元关系、单元—点关系。非结构化网格的拓扑结构并没有严格的限制。

进一步的，所述步骤S20中，获得临时子网格100的重叠信息包括如下步骤：

步骤S21：在临时子网格100中，将与临时子网格的外边界相邻的单元记为第一插值边界单元；如图6所示，临时子网格100中的外边界（实线边框的灰色网格）为第一插值边界单元110。

步骤S22：在临时子网格中，将除去第一插值边界单元之外的临时子网格标记为子网格计算单元；如图6所示，临时子网格100中的外边界（实线边框的白色网格或无色网格）为子网格计算单元120。

步骤S23：将完成标记的第一插值边界单元和子网格计算单元标识作为所述临时子网格的重叠装配信息，第一插值边界单元110和子网格计算单元120为临时子网格的重叠装配信息。

进一步的，所述步骤S20中，获得临时背景网格200的重叠信息包括如下步骤：

步骤S24：将第一临时背景网格标记为非计算单元，所述第一临时背景网格为位于临时子网格内边界内部的临时背景网格；如图7所示，临时背景网格200中位于临时子网格内边界内部的虚线边框的白色网格或无色网格为第一临时背景网格230。

步骤S25：将第二临时背景网格标记为非计算单元，所述第二临时背景网格为与临时子网格重叠的临时背景网格；如图7所示，临时背景网格200中与临时子网格100重叠的实线边框的白色网格或无色网格为第二临时背景网格240。

步骤S26：将第三临时背景网格标记为第二插值边界单元，所述第三临时背景网格为与临时子网格外边界相邻的临时背景网格；如图7所示，临时背景网格200中与临时子网格100外边界相邻的虚线边框的白色网格或无色网格为第三临时背景网格210，即为第二插值边界单元210。

步骤S27：将第四临时背景网格标记为计算单元，所述第四临时背景网格为临时背景网格中除去第一临时背景网格、第二临时背景网格、第三临时背景网格的临时背景网格；如图7所示，第四临时背景网格220即为临时背景网格200中除去第一临时背景网格230、第二临时背景网格240、第三临时背景网格210后的第二插值边界单元210外侧的虚线边框的白色网格或无色网格。

步骤S28：将第一临时背景网格、第二临时背景网格、第三临时背景网格、第四临时背景网格的标识作为所述临时背景网格的重叠装配信息。临时背景网格的重叠装配信息即为第一临时背景网格230、第二临时背景网格240、第三临时背景网格210和第四临时背景网格220。

如图4所示，通过对临时子网格100和临时背景网格200进行装配，获得临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息。进一步的，所述步骤S21中，利用距离加权法建立第一插值边界单元110和周围单元的变量传递方法；所述步骤S26中，利用距离加权法建立第二插值边界单元210和周围单元的变量传递方法。

距离加权法（weighted distance method）是一种以某单元的品位与周围毗邻工程的品位有一定空间函数关系为依据的储量计算方法。即某单元品位值可用周围一定范围内不同距离点的品位进行估计，距被估点越远的品位所起作用越小，因而用距离的倒数幂次方对各点品位加权求该单元的平均品位，对该点品位估计值的影响范围常用圆的半径表示，半径可由经验法或图解法求得。

实施例2：

本发明实施例2提供了一种重叠网格的装配系统，如图1所示，所述重叠网格包括子网格和背景网格，所述子网格和背景网格重叠，所述子网格和背景网格的类型为结构网格，包括如下模块：

转换模块：将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，分别得到临时子网格和临时背景网格；

装配模块：将临时子网格和临时背景网格进行装配，获得临时子网格的重叠信息和临时背景网格的重叠信息；

重叠信息映射模块：将所述临时子网格的重叠装配信息映射回所述子网格和背景网格中，将所述临时背景网格的重叠装配信息映射回所述背景网格中。

本发明设计了一种结构/非结构重叠网格统一装配方法，能够同时满足结构、非结构重叠网格的装配要求。

在处理结构重叠网格时，对结构网格A的网格拓扑进行重构，构建一套与之对应的非结构网格拓扑关系（面-点关系、面-单元关系、单元-点关系），将网格临时转换为非结构网格B，同时将结构网格A与非结构网格B之间的几何信息（点、面、单元的编号）的映射关系保存。

采用非结构重叠网格装配方法对重叠信息进行处理，得到非结构网格B的重叠装配信息（确定非结构网格B中的网格单元哪些是计算单元，哪些是插值单元，哪些是“挖洞”单元）。

利用结构网格A与非结构网格B之间的几何信息的映射关系，将非结构网格B的重叠装配信息映射回原结构网格A中，得到结构网格的重叠装配信息。

基于结构/非结构重叠网格统一装配方法，使用一套网格装配程序即可同时完成结构、非结构重叠网格的装配工作，降低了程序的维护成本和使用难度。

使用结构/非结构重叠网格统一装配方法，可同时满足高超声速领域结构重叠网格以及低速、亚跨声速领域非结构重叠网格的重叠信息装配的需求，扩宽了程序的应用场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种重叠网格的装配方法，所述重叠网格包括子网格和背景网格，所述子网格和背景网格重叠，所述子网格和背景网格的类型为结构网格，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10：将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，分别得到临时子网格和临时背景网格；

步骤S20：将临时子网格和临时背景网格进行装配，获得临时子网格的重叠装配信息和临时背景网格的重叠装配信息；

步骤S30：将所述临时子网格的重叠装配信息映射回所述子网格中，将所述临时背景网格的重叠装配信息映射回所述背景网格中；

所述步骤S10包括如下步骤：

步骤S11：确定拟采用的非结构网格的拓扑结构；

步骤S12：根据步骤S11中确定的非结构网格的拓扑结构，建立所述重叠网格的拓扑结构与非结构网格的拓扑结构之间的映射关系；

步骤S13：根据步骤S12中建立的映射关系，将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构；

所述步骤S11拟采用的非结构网格的拓扑结构的连接关系包括：面—点关系、面—单元关系、单元—点关系。

2.如权利要求1所述的一种重叠网格的装配方法，其特征在于，所述步骤S20中，获得临时子网格的重叠信息包括如下步骤：

步骤S21：在临时子网格中，将与临时子网格的外边界相邻的单元记为第一插值边界单元；

步骤S22：在临时子网格中，将除去第一插值边界单元之外的临时子网格标记为子网格计算单元；

步骤S23：将完成标记的第一插值边界单元和子网格计算单元标识作为所述临时子网格的重叠装配信息。

3.如权利要求1所述的一种重叠网格的装配方法，其特征在于，所述步骤S20中，获得临时背景网格的重叠信息包括如下步骤：

步骤S24：将第一临时背景网格标记为非计算单元，所述第一临时背景网格为位于临时子网格内边界内部的临时背景网格；

步骤S25：将第二临时背景网格标记为非计算单元，所述第二临时背景网格为与临时子网格重叠的临时背景网格；

步骤S26：将第三临时背景网格标记为第二插值边界单元，所述第三临时背景网格为与临时子网格外边界相邻的临时背景网格；

步骤S27：将第四临时背景网格标记为计算单元，所述第四临时背景网格为临时背景网格中除去第一临时背景网格、第二临时背景网格、第三临时背景网格的临时背景网格；

步骤S28：将第一临时背景网格、第二临时背景网格、第三临时背景网格、第四临时背景网格的标识作为所述临时背景网格的重叠装配信息。

4.如权利要求2所述的一种重叠网格的装配方法，其特征在于，所述步骤S21中，利用距离加权法建立第一插值边界单元和周围单元的变量传递方法；所述步骤S26中，利用距离加权法建立第二插值边界单元和周围单元的变量传递方法。

5.一种重叠网格的装配系统，所述重叠网格包括子网格和背景网格，所述子网格和背景网格重叠，所述子网格和背景网格的类型为结构网格，其特征在于，包括如下模块：

转换模块：将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构，分别得到临时子网格和临时背景网格：确定拟采用的非结构网格的拓扑结构；根据确定的非结构网格的拓扑结构，建立所述重叠网格的拓扑结构与非结构网格的拓扑结构之间的映射关系；根据建立的映射关系，将所述重叠网格的拓扑结构转换为非结构网格的拓扑结构；拟采用的非结构网格的拓扑结构的连接关系包括：面—点关系、面—单元关系、单元—点关系；

装配模块：将临时子网格和临时背景网格进行装配，获得临时子网格的重叠信息和临时背景网格的重叠信息；

重叠信息映射模块：将所述临时子网格的重叠装配信息映射回所述子网格和背景网格中，将所述临时背景网格的重叠装配信息映射回所述背景网格中。

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