CN114707254A - 一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法及系统，该方法基于翼型边界线生成翼型网格线，标记出翼型网格线上的端点中的特征点；在标记的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线；生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段；生成平行于法向线段的两条内核线，计算两条内核线的终点位置，生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成网格模板的内部扇形区域；将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区；生成框架线分区内的网格；沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。全自动地实现复杂外形的边界层网格生成，保证边界层网格的均匀性及过渡光滑性，具有工程实用意义。

Description

一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法及系统

技术领域

本发明涉及网格生成领域，具体涉及一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法及系统。

背景技术

边界层是流体运动中贴近壁面的薄层，其厚度与物体特征尺寸的比值为一个小量，通常小于千分之一。如果采用各向同性的四面体网格，则生成的边界层网格数量巨大，大大增加了计算的代价，对于像飞行器这样对精度要求较高的复杂模型，其计算代价是目前工程上不能接受的。而如果采用大长宽比的各向异性网格则会得到质量很差的数值解。因此，生成边界层网格的关键在于如何用尽可能少的网格单元达到捕捉层内黏性流动的特性。

针对飞行器的网格生成，通常是采用混合网格策略，即在边界层中生成高质量的半结构化三棱柱单元而在其他远场区域生成各向同性的四面体网格单元，兼具了结构网格和非结构网格的优点，计算精度较高且复杂度较低，是目前最常用的方法。Pizadeh提出的层推进法是其中最具影响的一种。其基本原理是从表面网格出发，沿着表面网格顶点的某一个方向布置各向异性网格节点，然后根据表面网格的拓扑关系连接这些节点来生成一层一层的三棱柱单元。

在飞行器进行流体力学计算的时候，高质量的离散网格是获得精准结果的基础，目前的一些商业网格划分软件，如Gridgen、ICEMCFD、Pointwise等，在生成含边界层网格时的自动性较差且生成网格质量不高，对于复杂外形处需要大量手工操作，有时甚至无法生成。高雷诺数黏性流动中不能自动生成可靠且有效的边界层网格仍然是CFD中的瓶颈问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法及系统，旨在解决如何自动生成可靠且有效的边界层网格的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，包括：

基于翼型边界线生成翼型网格线，并标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点；

在标记出的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线；

生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段；

生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域；

将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区；

生成框架线分区内的网格；

沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。

可选的，若约束框架线的夹角大于阈值，则在约束框架线之间增加角平分线段，所述角平分线段的离散点数和分布与约束框架相同；

生成平行于所述角平分线段的内核线，计算所述内核线的终点位置，并生成角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的II类曲线段；

利用角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的II类曲线段和法向线段两条内核线终点之间的II类曲线段构成所述网格模板的内部扇形区域。

可选的，所述标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点，包括：

根据翼型网格线上端点位置的一阶导数，判断所述端点是否为特征点；

对判断为特征点的端点位置进行标记。

可选的，所述生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段包括：

将预设边界层高度值作为法向线段的长度；

根据所述法向线段的长度确定两条法向线段的终点位置；

基于三次样条插值生成所述两条法向线段的终点间的I类曲线段。

可选的，所述生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域，包括：

选择法向线段上的中间离散点作为辅助支撑点，沿所述辅助支撑点引两条平行于法向线段的内核线；

根据等距计算法分别得到所述两条内核线的终点位置，基于三次样条插值生成两个终点位置间的II类曲线段；

利用II类曲线段构成网格模板的内部扇形区域。

可选的，所述对约束框架线进行分区，包括：

将I类曲线和II类曲线的离散点数作为边界层支撑线点数，并将分布参数设置为均匀分布。

可选的，通过超线性插值法生成各分区内的网格。

可选的，采用PDE方法对所述分区网格的网格面进行优化。

可选的，利用前沿推进法，沿约束框架线生成二维的边界层网格。

可选的，所述生成机翼翼型的二维边界层网格之后，还包括：

对所述生成的二维的边界层网格进行质量检查。

此外，本发明还提供一种基于模板构造法的二维边界层网格生成系统，包括：

特征点标记模块，用于基于翼型边界线生成翼型网格线，并标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点；

线段引出模块，用于在标记出的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线；

曲线段生成模块，用于生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段；生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域；

分区模块，用于将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区；

网格生成模块，用于生成框架线分区内的网格；沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。

与现有技术相比，本发明公开了一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，基于翼型边界线生成翼型网格线，并标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点；在标记出的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线；生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段；生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域；将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区；生成框架线分区内的网格；沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。基于多法向的思想，以两条法向线作为约束框架，并在内部建立一个扇形区域来约束网格推进的绕向，以此来达到边界层内部过渡光滑、空间网格生成时的初始表面网格尺寸均匀的效果，且能够高效地自动生成满足数值计算需求的边界层网格。通过自动识别脊线和拐角处的特征，就能在边界层网格生成时自动加载网格模板，全自动地实现复杂外形的边界层网格生成，并能保证边界层网格的均匀性及过渡光滑性，大幅提升了方法的适用范围，具有工程实用意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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附图。

图1是本发明第一实施例提供的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法的步骤示意图；

图2是本发明第二实施例提供的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法的步骤示意图；

图3是本发明提供的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成系统的结构示意图；

图4是本发明网格模板的参考图；

图5是本发明网格模板框架的示意图；

图6是本发明网格模板框架中内部扇形区域的示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明实施例，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。

参考图1，是本发明第一实施例提供的一种基于模板构造法的二维边界层生成方法的步骤示意图，具体为：

S11、基于翼型边界线生成翼型网格线，并标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点。

通过机翼翼型的模型文件，自动提取翼型的边界线，根据翼型边界线向外生成翼型网格线，如图4所示，在空气动力学中，翼型通常理解为二维机翼，也就是剖面形状不变的无限翼展机翼，其前端圆滑，后端成尖角形。

根据翼型网线上端点位置的一阶导数，可以通过特征识别，自动识别几何特征，如拐点和脊线，将出现拐点特征的，确定为特征点，并标记出该点的位置，作为特征点位置。

S12、在标记出的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线。

构造网格模板的方法为模板构造法，即将网格生成中某一类问题抽象成一种具体解决方法。

在进行本实施例的网格模板构造时，首先从标记出的特征点位置引两条法向线段作为网格模板的约束框架线，其中两条法向线段长度一致均为设定的边界层高度参数，通过确定法向线段的长度，确定法向线段的终点位置，在确定了法向线段之后，计算两条法向线段之间的夹角，根据夹角值确定网格模板的生成。

S13、生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段。

在确定了两条法向线段的终点位置之后，可以通过三次样条插值生成两个终点位置之间的曲线段。

S14、生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域。

在确定好的网格模板约束框架线上，也就是法向线段上，选择该法向线段上的中间离散点作为辅助支撑点，沿辅助支撑点引两条平行于法向线段的内核线，其中内核线的长度是由等距计算法，通过计算内核线与法向线段之间的距离以及法向线段的长度来确定内核线的终点位置，进而得到内核线的长度，得到内核线段，拷贝法向线段的离散点数和分布参数赋予内核线段，得到内核线段的离散点数和分布参数。在确定了两条内核线段之后，通过三次样条插值去生成两条内核线终点位置之间的曲线段，这两条内核线段与曲线段组成的区域就是网格模板的内部扇形区域。如图6所示。

S15、将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区。

根据两条法向线段之间的曲线段的离散点数以及两条内核线段之间的曲线段的离散点数作为边界层支撑线点数，其中，分布参数为均匀分布，将两条曲线段中间位置的离散点相连，如图4所示，通过超线性插值方法对约束框架线进行分区。

S16、生成框架线分区内的网格。

本实施例中，通过超线性插值法生成约束框架线分区内的网格，并采用PDE方法对分区网格的网格面进行优化。

S17、沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。

利用前沿推进法生成二维的边界层网格,并对所述生成的二维边界层网格进行质量检查。

其中，前沿推进法也叫波前法、推进波前法，是目前最流行和应用最广的全自动非结构化网格生成算法之一，适用于网格生成的诸多领域，主要依靠启发式规则布置网格单元，对几何边界的适应能力强、单元形状好、尺寸过渡均匀以及局部控制能力强。在本实施例中，基于网格模板的内部扇形区域生成的分区网格，依靠启发式规则布置网格单元，能够使得生成的二维的边界层网格均匀性及过渡光滑性大大增强。

本发明的第一实施例提供了一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，基于翼型边界线生成翼型网格线，并标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点；在标记出的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线；生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段；生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域；将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区；生成框架线分区内的网格；沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。基于多法向的思想，以两条法向线作为约束框架，并在内部建立一个扇形区域来约束网格推进的绕向，以此来达到边界层内部过渡光滑、空间网格生成时的初始表面网格尺寸均匀的效果，且能够高效地自动生成满足数值计算需求的边界层网格。通过自动识别脊线和拐角处的特征，就能在边界层网格生成时自动加载网格模板，全自动地实现复杂外形的边界层网格生成，并能保证边界层网格的均匀性及过渡光滑性，大幅提升了方法的适用范围，具有工程实用意义。

参考图2，是本发明第二实施例提供的一种基于模板构造法的二维边界层生成方法的步骤示意图，具体为：

S21、若约束框架线的夹角大于阈值，则在约束框架线之间增加角平分线段，所述角平分线段的离散点数和分布与约束框架相同。

其中，本实施例中的夹角值阈值为120°，即当约束框架线的夹角值大于120°的时候，在约束框架线之间增加角平分线段，将夹角平分为等角度的两个夹角。其中角平分线段的离散点数和分布与约束框架相同。

S22、生成平行于角平分线段的内核线，计算内核线的终点位置，并生成角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的II类曲线段。

选择法向线段上的中间离散点作为辅助支撑点，沿辅助支撑点引两条平行与法向线段的内核线，采用等距计算法得到内核线的终点位置，通过三次样条插值生成两个终点间的曲线段。

这里两条法向线段的离散点数和分布分别为边界层网格生成时的设定参数，即边界层支撑线点数和支撑线分布参数。

S23、利用角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的II类曲线段和法向线段两条内核线终点之间的II类曲线段构成网格模板的内部扇形区域。

本发明的第二实施例提供了一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，若约束框架线的大于阈值，则在约束框架线之间增加角平分线段，所述角平分线段的离散点数和分布与约束框架相同；生成平行于角平分线段的内核线，计算内核线的终点位置，并生成角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的曲线段；利用角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的曲线段和法向线段两条内核线终点之间的II类曲线段构成网格模板的内部扇形区域。通过在约束框架线夹角大于阈值的时候，增加一条角平分线，将大角度转化为小角度进行构建内部扇形区域，使得转化后的精度更高。

进一步的，若约束框架线的夹角小于或等于阈值，则按步骤S22、S23构建网格模板的内部扇形区域。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，包括：

基于翼型边界线生成翼型网格线，并标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点；

在标记出的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线；

生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段；

生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域；

将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区；

生成框架线分区内的网格；

沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。

2.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，若约束框架线的夹角大于阈值，则在约束框架线之间增加角平分线段，所述角平分线段的离散点数和分布与约束框架相同；

生成平行于所述角平分线段的内核线，计算所述内核线的终点位置，并生成角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的II类曲线段；

利用角平分线段内核线与同侧法向线段内核线终点之间的II类曲线段和法向线段两条内核线终点之间的II类曲线段构成所述网格模板的内部扇形区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，所述标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点，包括：

根据翼型网格线上端点位置的一阶导数，判断所述端点是否为特征点；

对判断为特征点的端点位置进行标记。

4.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，所述生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段包括：

将预设边界层高度值作为法向线段的长度；

根据所述法向线段的长度确定两条法向线段的终点位置；

基于三次样条插值生成所述两条法向线段的终点间的I类曲线段。

5.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，所述生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域，包括：

选择法向线段上的中间离散点作为辅助支撑点，沿所述辅助支撑点引两条平行于法向线段的内核线；

根据等距计算法分别得到所述两条内核线的终点位置，基于三次样条插值生成两个终点位置间的II类曲线段；

利用II类曲线段构成网格模板的内部扇形区域。

6.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，所述对约束框架线进行分区，包括：

将I类曲线和II类曲线的离散点数作为边界层支撑线点数，并将分布参数设置为均匀分布。

7.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，通过超线性插值法生成各分区内的网格。

8.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，采用PDE方法对所述分区网格的网格面进行优化。

9.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，利用前沿推进法，沿约束框架线生成二维的边界层网格。

10.根据权利要求1所述的一种基于模板构造法的二维边界层网格生成方法，其特征在于，所述生成机翼翼型的二维边界层网格之后，还包括：

对所述生成的二维的边界层网格进行质量检查。

11.一种基于模板构造法的二维边界层网格生成系统，其特征在于，包括：

特征点标记模块，用于基于翼型边界线生成翼型网格线，并标记出所述翼型网格线上的端点中的特征点；

线段引出模块，用于在标记出的特征点位置均引出两条法向线段构造网格模板的约束框架线；

曲线段生成模块，用于生成所有特征点到其法向线段终点之间的I类曲线段；生成平行于所述法向线段的两条内核线，计算所述两条内核线的终点位置，并生成两条内核线终点之间的II类曲线段以构成所述网格模板的内部扇形区域；

分区模块，用于将I类曲线段和II类曲线段中间位置的离散点相连对约束框架线进行分区；

网格生成模块，用于生成框架线分区内的网格；沿约束框架线生成机翼翼型的二维边界层网格。

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