CN116719981A - 一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，包括得到点列表、线段列表以及数组，设置细线的半径和底边剖分数K，得到第0条线段的端点序号和坐标，计算该线段的位移矢量；将等K多边形顶点配置到第0条线段的起点，遍历线段列表得到第j条线段两个端点的序号，计算该线段的位移矢量、环绕起点和终点的K个顶点坐标；形成两个平面四边形网格，将两个平面四边形网格均分裂为两个三角形网格单元；遍历完所有线段并初始化相应的列表，将数据列表和三角形单元列表导出并进行可视化观察。本发明可以直观地展示电磁场的分布情况，有助于研究人员和工程师更好地理解电磁场的强弱、分布和变化趋势，从而更好地分析和解决相关问题。

Description

一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法
技术领域
本发明涉及网格流场可视化技术领域，尤其涉及一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法。
背景技术
细线网格流场可视化技术在电磁场分析和电磁设备设计中起到重要的作用，可以帮助工程师和科研人员更好地理解和分析电磁场的特性，例如电磁波传播、电磁辐射等。它可以帮助优化电磁设备的性能，并提供重要的参考和决策依据。
目前电磁领域的线网格流场的可视化主要包括以下几种方法：1、电磁场数值计算方法：电磁场数值计算方法是解决电磁场分布问题的数值模拟方法。常用的方法包括有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界元法（BEM）等。这些方法将电磁场方程离散化为网格上的代数方程，通过迭代求解得到电磁场在各个节点上的数值解。2、网格生成算法：网格生成是将连续的几何区域离散化为有限的网格单元的过程。在电磁场分析中，常用的网格生成算法包括结构化网格生成算法（如矩形网格或三角形网格）和非结构化网格生成算法（如三角形网格）。这些算法可以根据电磁场的几何形状和边界条件生成适合分析的离散化网格。3、数值计算：为了进行电磁场数值计算和可视化，通常会使用专门的软件工具。一些常用的电磁场数值计算软件包括COMSOL Multiphysics、Ansys、CSTStudio Suite等。这些软件提供了丰富的数值计算和可视化功能，可以方便地进行电磁场分析和结果展示。4、可视化技术：线网格流场可视化技术是基于计算机图形学的技术，涉及到图像处理、图形渲染、图形交互等方面的知识。在电磁场可视化中，常用的可视化技术包括绘制电场线和磁场线、绘制等值面或等值线图、绘制矢量图等。这些技术可以将电磁场的分布和特征以直观的方式展示出来，帮助用户更好地理解和分析电磁场问题。
尽管线网格流场可视化技术已经发展出了多种方法和工具，但仍然存在一些不足之处，主要包括：1、精度问题：由于流场模拟数据的精度对可视化结果有很大的影响，因此数据精度的提高仍然是一个重要的研究方向。2、大规模数据处理问题：随着流场模拟数据规模的不断扩大，如何高效地处理和可视化大规模数据成为了一个挑战。3、物理现象的表达问题：线网格流场可视化技术主要是通过图像和动画的形式呈现流场模拟数据，但如何更好地表达物理现象仍然是一个问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，解决了现有可视化方法存在的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，所述可视化方法包括：
步骤一、从网格文件中读取线网格模型得到点列表、线段列表以及数组，设置细线的半径b和底边剖分数K，生成底边近似圆的等K多边形二维点坐标，得到第0条线段的端点序号和两个端点的坐标，并计算该线段从起点到终点的位移矢量；
步骤二、将底边近似圆的等K多边形顶点配置到第0条线段的起点，遍历线段列表得到第j条线段以及该线段两个端点的序号，计算该线段从起点到终点的位移矢量、环绕该线段起点和终点的K个顶点坐标；
步骤三、将第j条线段的k顶点和k+1顶点形成平面四边形网格，k=0,1,…,K-2，将第j条线段的K-1顶点和0顶点形成平面四边形网格/>，将两个平面四边形网格均分裂为两个三角形网格单元；
步骤四、循环步骤二和步骤三直到遍历完所有线段，并初始化新点列表、新值列表和数据列表，将数据列表和三角形单元列表按照三角形单元后处理软件格式导出；
步骤五、将导出的文件重新加载到电磁场中，对电磁场分布和行为以及交互作用进行可视化观察。
所述步骤一具体包括以下内容：
从线网格文件中读取线网格模型得到点列表P和线段列表S，其中点个数为M，线段个数为N，第i个点坐标表示为/>，第j条线段/>的两个点序号分别表示为；
利用商用或者自编译仿真软件得到每个点点上的值/>，每个组合得到数组/>，数组/>的第i个值表示为/>；
设置细线的半径b和底边剖分数K，生成底边近似圆的等K多边形二维点坐标；
得到第0条线段的端点的序号分别为/>和/>，以及这两个端点的坐标分别为/>和/>，计算该线段从起点到终点的位移矢量为/>，/>表示为/>，/>，其中，/>，/>，为三个坐标方向的矢量长度。
所述步骤二具体包括以下内容：
将底边近似圆的等K多边形顶点配置到线段的起点 />；
从1开始到N-1遍历线段列表得到第j条线段/>，以及该线段两个端点的序号分别为/>和/>；
计算该线段从起点到终点的位移矢量为，/>表示为/>，；
计算环绕该线段起点的K个顶点坐标/>；
计算环绕该线段终点的K个顶点坐标 />。
所述步骤三具体包括以下内容：
将第j条线段的k顶点和k+1顶点形成平面四边形网格，k=0,1,…,K-2，其包含的四个点序号分别为/>，并将平面四边形网格/>分裂为两个三角形网格单元分别为/>和/>，其中/>包含的三个点序号分别为/>包含的三个点序号分别为/>。
所述步骤四具体包括以下内容：
循环步骤二和步骤三直到完成线段列表S中所有线段的遍历为止；
初始化新点列表，点个数为K×M，对/>进行计算；
初始化新值列表，值个数为K×M，对/>进行计算；
初始化数据列表，数据列表的数据维度为/>，对/>的每个数据进行赋值；
将数据列表和三角形单元列表/>按照三角形单元后处理软件的文件格式进行导出。
所述步骤一中的生成底边近似圆的等K多边形二维点坐标具体包括：
在XOY平面上生成一个等K多边形，其K个顶点为，K个顶点均分布于圆心位于坐标原点O且半径为细线半径b的圆上，第一个顶点/>坐标为/>位于X轴正方向且与圆相交的位置上，其它K-1个顶点以第一个顶点/>为起点，绕Z轴向外逆时针旋转，多边形顶点和中心点连线与相邻顶点和中心点的连线夹角为/>；
计算第k个顶点坐标，其中，/>为从顶点为起点绕Z轴向外逆时针旋转到达第k个顶点坐标/>的角度。
所述步骤二中的将底边近似圆的等K多边形顶点配置到线段的起点/>具体包括：
以为原点生成新的局部坐标系/>，坐标轴分别为/>、/>和/>；
将局部坐标系循环 k次，k = 0,1,2…, K-1，计算/>，/>是第k个顶点坐标/>变换到全局坐标系下后得到环绕第0段起点第k个顶点坐标；
循环k从0到K-1，分别计算环绕第0段终点第k个顶点坐标/>。
所述步骤四中的初始化新点列表，点个数为K×M，对/>进行计算具体包括以下内容：
从0到M-1循环j，j = 0,1,2,…M-1；
从0到K-1循环i，i= 0,1,2,…K-1；
分别计算细线模型扩展后的三个方向的点坐标为、/>和/>。
所述步骤四中的初始化新值列表，值个数为K×M，对/>进行计算具体包括以下内容：
从0到M-1循环j，j = 0,1,2,…M-1；
从0到K-1循环i，i= 0,1,2,…K-1；
得到第j个点；
分别计算细线模型扩展后的每个点上的新值为。
所述步骤四中的初始化数据列表，数据列表的数据维度为/>，对/>的每个数据进行赋值具体包括以下内容：
从0到M-1循环p次，p= 0,1,2,…KM-1；
得到第j个点的坐标和第j个点的新值/>；
计算的每行数据/>分别为/>、/>、/>和/>。
本发明具有以下优点：
1、理解电磁场分布：通过细线网格流场可视化技术，可以直观地展示电磁场的分布情况。这有助于研究人员和工程师更好地理解电磁场的强弱、分布和变化趋势，从而更好地分析和解决相关问题。
2、模拟电磁波传播和散射：细线网格流场可视化技术可以模拟电磁波在不同介质中的传播和散射过程。这对于研究电磁波的传播规律、信号传输和通信系统的设计具有重要意义。通过可视化技术，可以直观地观察到电磁波的传播路径、干涉效应和散射效果。
3、研究电磁感应和相互作用：细线网格流场可视化技术可以模拟电磁场与导体或磁性材料之间的相互作用和电磁感应现象。这有助于研究电磁感应原理、感应电流的生成和电磁场的耦合效应等问题。通过可视化技术，可以直观地观察到电磁场的分布和导体中的感应电流路径。
4、优化电磁场设计：细线网格流场可视化技术可以帮助进行电磁场的优化设计。通过观察和分析电磁场的分布情况，可以调整电流或电压的大小和分布，以达到所需的电磁场效果。这有助于优化电磁场设计和应用，提高系统性能和效率。
附图说明
图1 为本发明的流程示意图；
图2 为本发明的等K多边形结构示意图；
图3 为本发明的第j段线段的示意图；
图4 为本发明的平面四边形生成示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明具体涉及一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，具体包括以下内容：
S1: 从线网格文件中读取线网格模型得到点列表和线段列表/>，其中点个数为M，线段个数为N，第i个点/>坐标表示为/>，第j条线段/>的两个点序号分别表示为/>，并利用商用或自编电磁仿真软件得到每个/>点上的值，每个/>组合得到数组/>，数组/>的第i个值表示为/>；
S2：设置细线的半径b和底边剖分数K。
S3：生成底边近似圆的等K多边形二维点坐标。
其中，S301：在XOY平面上，生成一个等K多边形，如图2，该多边形的K个顶点为，这K个顶点都分布于圆心位于坐标原点O，半径为细线半径b的圆上，而且第一个顶点/>坐标为/>位于X轴正方向且与圆相交的位置上，其它K-1个顶点以第一个顶点/>为起点，绕Z轴向外逆时针旋转，多边形顶点和中心点连线与相邻顶点和中心点的连线夹角为/>。
S302：计算第k个顶点坐标，其中，/>为从顶点/>为起点绕Z轴向外逆时针旋转到达第k个顶点坐标/>的角度。
S4：得到第0条线段的端点的序号分别为/>和/>，得到这两个端点的坐标分别为/>和/>，计算该线段从起点到终点的位移矢量为/>，/>表示为/>，/>其中，/>，/>，为矢量的长度。
S5：将步骤三生成的底边近似圆的等K多边形顶点配置到线段的起点/>附近。
其中，S501：生成新的局部坐标系，该局部坐标系的原点坐标/>，坐标轴分别为/>、/>和/>。
1），norm为矢量的长度归一化；
2）方向默认为/>方向；
3）判断，成立则说明/>与/>平行，则/>；
4）；
5）更新。
S502：将局部坐标系循环 k次，k = 0,1,2…, K-1，计算/>，是第k个顶点坐标/>变换到全局坐标系下后得到环绕第0段起点/>第k个顶点坐标。计算方式如下：
由于是局部坐标系，因此，展开得到：
其中，。
S503：循环k从0到K-1，分别计算环绕第0段终点第k个顶点坐标/>；计算方式如下：
由于是局部坐标系，因此，展开得到：
其中，。
S6：j从1开始到遍历线段列表/>得到第j条线段/>，以及该线段两个端点的序号分别为/>和/>；
S7：计算该线段从起点到终点的位移矢量为，/>表示为/>，；
S8：计算环绕第j段起点的K个顶点坐标/>；
S9：计算环绕第j段终点的K个顶点坐标/>，示意图如图3。
S10：第j段的k顶点和k+1顶点形成平面四边形网格，k=0,1,…,K-2；平面四边形网格/>，如图4所示，包含的四个点序号分别为/>，分裂为两个三角形网格单元分别为/>和/>，其中/>包含的三个点序号分别为/>包含的三个点序号分别为/>；
S11：循环S6~S10直到完成线段列表的遍历为止，得到/>和 />，；
S12：初始化新点列表，点个数为/>，对 />进行计算；
S1201：从0到M-1循环j次，j = 0,1,2,…M-1；
S1202：从0到K-1循环i次，i= 0,1,2,…K-1；
S1203：分别计算细线模型扩展后的每个点坐标：
S13：初始化新值列表，值个数为/>，对 />进行计算；
S1301：从0到M-1循环j次，j = 0,1,2,…M-1；
S1302：从0到K-1循环i次，i= 0,1,2,…K-1；
S1303：得到第j个点；
S1304：分别计算细线模型扩展后的每个点上的新值：
S14：初始化数据列表，数据列表的数据维度为/>，对/>的每个数据进行赋值；
S1401：从0到KM-1循环p次，p= 0,1,2,…KM-1；
S1402：得到第j个点的坐标,得到第j个点的值/>；
S1403：计算的每行数据/>：
S15：将数据列表和三角形单元列表/>按照三角形单元后处理软件的文件格式进行导出。
S16：将导出的文件通过后处理软件重新加载到电磁场中，可以观察电磁场分布和行为，观察电磁场的交互作用，如电场和磁场的相互影响、耦合等行为。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述可视化方法包括：
步骤一、从网格文件中读取线网格模型得到点列表、线段列表以及数组，设置细线的半径b和底边剖分数K，生成底边近似圆的等K多边形二维点坐标，得到第0条线段的端点序号和两个端点的坐标，并计算该线段从起点到终点的位移矢量；
步骤二、将底边近似圆的等K多边形顶点配置到第0条线段的起点，遍历线段列表得到第j条线段以及该线段两个端点的序号，计算该线段从起点到终点的位移矢量、环绕该线段起点和终点的K个顶点坐标；
步骤三、将第j条线段的k顶点和k+1顶点形成平面四边形网格，k=0,1,…,K-2，将第j条线段的K-1顶点和0顶点形成平面四边形网格/>，将两个平面四边形网格均分裂为两个三角形网格单元；
步骤四、循环步骤二和步骤三直到遍历完所有线段，并初始化新点列表、新值列表和数据列表，将数据列表和三角形单元列表按照三角形单元后处理软件格式导出；
步骤五、将导出的文件重新加载到电磁场中，对电磁场分布和行为以及交互作用进行可视化观察。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤一具体包括以下内容：
从线网格文件中读取线网格模型得到点列表P和线段列表S，其中点个数为M，线段个数为N，第i个点坐标表示为/>，第j条线段/>的两个点序号分别表示为/>；
利用商用或者自编译仿真软件得到每个点点上的值/>，每个/>组合得到数组/>，数组/>的第i个值表示为/>；
设置细线的半径b和底边剖分数K，生成底边近似圆的等K多边形二维点坐标；
得到第0条线段的端点的序号分别为/>和/>，以及这两个端点的坐标分别为/>和/>，计算该线段从起点到终点的位移矢量为/>，/>表示为/>，，其中，/>,/>,/>为三个坐标方向的矢量长度。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤二具体包括以下内容：
将底边近似圆的等K多边形顶点配置到线段的起点/>；
从1开始到N-1遍历线段列表得到第j条线段/>，以及该线段两个端点的序号分别为和/>；
计算该线段从起点到终点的位移矢量为，/>表示为/>，/>；
计算环绕该线段起点的K个顶点坐标/>；
计算环绕该线段终点的K个顶点坐标/>。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤三具体包括以下内容：
将第j条线段的k顶点和k+1顶点形成平面四边形网格，k=0,1,…,K-2，其包含的四个点序号分别为/>，并将平面四边形网格/>分裂为两个三角形网格单元分别为/>和/>，其中/>包含的三个点序号分别为/>，/>包含的三个点序号分别为/>，。
5.根据权利要求2所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤四具体包括以下内容：
循环步骤二和步骤三直到完成线段列表S中所有线段的遍历为止；
初始化新点列表，点个数为K×M，对/>进行计算；
初始化新值列表，值个数为K×M，对/>进行计算；
初始化数据列表，数据列表的数据维度为/>，对/>的每个数据进行赋值；
将数据列表和三角形单元列表/>按照三角形单元后处理软件的文件格式进行导出。
6.根据权利要求2所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤一中的生成底边近似圆的等K多边形二维点坐标具体包括：
在XOY平面上生成一个等K多边形，其K个顶点为，K个顶点均分布于圆心位于坐标原点O且半径为细线半径b的圆上，第一个顶点/>坐标为/>位于X轴正方向且与圆相交的位置上，其它K-1个顶点以第一个顶点/>为起点，绕Z轴向外逆时针旋转，多边形顶点和中心点连线与相邻顶点和中心点的连线夹角为/>；
计算第k个顶点坐标，其中，/>为从顶点/>为起点绕Z轴向外逆时针旋转到达第k个顶点坐标/>的角度。
7.根据权利要求3所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤二中的将底边近似圆的等K多边形顶点配置到线段的起点/>具体包括：
以为原点生成新的局部坐标系/>，坐标轴分别为/>、/>和/>；
将局部坐标系循环 k次，k = 0,1,2…, K-1，计算/>，/>是第k个顶点坐标/>变换到全局坐标系下后得到环绕第0段起点/>第k个顶点坐标；
循环k从0到K-1，分别计算环绕第0段终点第k个顶点坐标/>。
8.根据权利要求5所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤四中的初始化新点列表，点个数为K×M，对/>进行计算具体包括以下内容：
从0到M-1循环j，j = 0,1,2,…M-1；
从0到K-1循环i，i= 0,1,2,…K-1；
分别计算细线模型扩展后的三个方向的点坐标为、/>和/>。
9.根据权利要求5所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤四中的初始化新值列表，值个数为K×M，对/>进行计算具体包括以下内容：
从0到M-1循环j，j = 0,1,2,…M-1；
从0到K-1循环i，i= 0,1,2,…K-1；
得到第j个点；
分别计算细线模型扩展后的每个点上的新值为。
10.根据权利要求5所述的一种基于电磁领域的细线网格流场可视化方法，其特征在于：所述步骤四中的初始化数据列表，数据列表的数据维度为/>，对/>的每个数据进行赋值具体包括以下内容：
从0到M-1循环p次，p= 0,1,2,…KM-1；
得到第j个点的坐标和第j个点的新值/>；
计算的每行数据/>分别为/>、/>、/>和/>。
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