CN117390775B - 一种粘性笛卡尔网格生成方法、设备、介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粘性笛卡尔网格生成方法、设备、介质及系统，属于网格生成领域，包括步骤：建立基于多部件表面网格ADT数据结构和用户自定义自适应加密策略的动态数据管理机制，利用快速迭代近似求解方法来求解点到表面网格的最近距离。本发明适合笛卡尔网格的粘性边界层网格自动生成，建立了基于多部件表面网格ADT数据结构和用户自定义自适应加密策略的动态数据管理机制。
Description
技术领域
本发明涉及网格生成领域，更为具体的，涉及一种粘性笛卡尔网格生成方法、设备、介质及系统。
背景技术
现有的笛卡尔网格生成与流场解算一体化方法已经成为快速获取飞行器气动参数的有效手段。然而目前的笛卡尔网格生成方法不能生成附面层网格，不能求解粘性流场，不能满足复杂飞行器设计对气动参数计算精度的要求，尤其是摩擦阻力的计算精度。
在国内已公开发表的文献中，还没有粘性笛卡尔网格生成方法的相关研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种粘性笛卡尔网格生成方法、设备、介质及系统，适合笛卡尔网格的粘性边界层网格自动生成，建立了基于多部件表面网格ADT数据结构和用户自定义自适应加密策略的动态数据管理机制等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种粘性笛卡尔网格生成方法，包括以下步骤：
S1，读入模型几何数据和网格生成控制参数，生成模型表面三角形的ADT存储数据结构；
S2，根据所述网格生成控制参数进行初始网格生成，建立单元连接关系；
S3，标记与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元，各向同性加密与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密；
S4，标记曲率自适应网格单元和缓冲网格单元，各向同性加密曲率自适应网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密；
S5，若指定区域加密，则标记与指定区域相交的网格单元和缓冲网格单元，各向同性加密与指定区域相交的网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密；
S6，标记与几何外形相交的网格单元，删除与几何外形相交的网格单元；
S7，标记在几何外形内部的网格单元，删除在几何外形内部的网格单元；
S8，采用拉普拉斯函数光滑前锋面；
S9，采用最近点投影方法将光滑后的前锋面投影到几何外形表面生成物面网格；
S10，优化物面网格质量；
S11，沿切向剖分物面网格指定层数生成粘性边界层网格；
S12，输出生成的网格。
进一步地，在步骤S1中，所述生成模型表面三角形的ADT存储数据结构，具体包括如下子步骤：
1）构建表面三角形的最小包围盒，并将包围盒转换为六维空间中的点；
2）构建六维空间中二叉树节点与空间区域的一一对应；
3）将表面三角形对应的六维空间中的点插入到二叉树中。
进一步地，在步骤S3中，所述标记与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元，具体采用分离轴方法标记与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元。
进一步地，在步骤S6中，所述标记与几何外形相交的网格单元，具体采用分离轴方法标记与几何外形相交的网格单元。
进一步地，在步骤S7中，所述标记在几何外形内部的网格单元，具体采用染色方法标记在几何外形内部的网格单元。
进一步地，在步骤S8中，所述采用拉普拉斯函数光滑前锋面，具体采用弹簧松弛算法光滑前锋面。
进一步地，在步骤S10中，所述优化物面网格质量，具体包括如下子步骤：
1）采用二面角作为判据，搜索出几何外形表面具有凹凸特征的区域，并存储二面角小于阈值的三角形对；
2）将落在凹凸特征区域内某个三角形内的投影点修正到该三角形的某条边的中点上，从而保证凹凸特征得以保留。
一种粘性笛卡尔网格生成设备，包括处理器和存储器，在存储器中存储有程序，当程序被处理器加载时执行如上任一项所述的粘性笛卡尔网格生成方法。
一种计算机可读存储介质，在可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行如上任一项所述的粘性笛卡尔网格生成方法。
一种粘性笛卡尔网格生成系统，包括如上所述的粘性笛卡尔网格生成设备。
本发明的有益效果包括：
（1）本发明提出了一种适合笛卡尔网格的粘性边界层网格自动生成方法。该方法建立了基于多部件表面网格ADT数据结构和用户自定义自适应加密策略的动态数据管理机制，还为本领域贡献了一种新的快速迭代近似求解方法来求解点到表面网格的最近距离。
（2）利用本发明开发了一套控制参数精简、功能完善、使用方便、性能可靠、完全自动化的三维自适应粘性笛卡尔网格生成软件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例的三维粘性自适应笛卡尔网格生成流程图第1部分；
图1b为本发明实施例的三维粘性自适应笛卡尔网格生成流程图第2部分；
图1c为本发明实施例的三维粘性自适应笛卡尔网格生成流程图第3部分。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含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和/或扩展、替换。
如图1a、图1b和图1c所示，本发明具体的实现过程：
S1，读入模型几何数据和网格生成控制参数，生成模型表面三角形的ADT存储数据结构。ADT的构建过程为：1）构建表面三角形的最小包围盒，并将包围盒转换为六维空间中的点；2）构建六维空间中二叉树节点与空间区域的一一对应；3）将表面三角形对应的六维空间中的点插入到二叉树中。
S2，初始网格生成，建立单元连接关系。具体过程为：根据网格生成控制参数，包括计算流场的大小、三个坐标轴方向上的初始分布点数，计算每个初始网格单元的中心点坐标、长宽高和与相邻单元的连接关系。单元之间的相连关系采用显示存储，相连关系体现在单元的六个面上，分为以下几类：一一对应关系、一对四和四对一对应关系、对称面、物面、内边界和外边界。
S3，采用分离轴方法标记与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元（缓冲单元指与几何外形相交的网格单元周围的网格单元，缓冲层数用户可以自定义），采用八叉树数据结构各向同性加密与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密。
S4，标记曲率自适应网格单元（与几何外形相交并且相交的表面三角形集合中存在二面角小于60度）和缓冲网格单元（缓冲单元指曲率自适应网格单元周围的网格单元，缓冲层数用户可以自定义），采用八叉树数据结构各向同性加密曲率自适应网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密。
S5，若指定区域（区域通过长方体定义）加密，则标记与指定区域相交的网格单元和缓冲网格单元（缓冲单元指与指定区域相交的网格单元周围的网格单元，缓冲层数用户可以自定义），采用八叉树数据结构各向同性加密与指定区域相交的网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密。
S6，采用分离轴方法标记与几何外形相交的网格单元，删除与几何外形相交的网格单元。
S7，采用染色方法（此时只剩在几何外形外部单元和在几何外形内部单元，并且两者之间存在缝隙，彼此不相连。因此选取外边界上的一个网格单元，通过染色方法即可标记所有的在几何外形外部单元，剩下未标记的网格单元即为在几何外形内部单元。）标记在几何外形内部的网格单元，删除在几何外形内部的网格单元。
S8，采用弹簧松弛算法光滑前锋面（前锋面即此时剩下的在几何外形外部单元的内边界），确保前锋面网格点与几何外形表面的距离大体一致，以保证前锋面网格点在几何外形表面的投影点分布与前锋面网格点的分布大体一致。弹簧松弛算法的公式为：
其中，为与前锋面上的某个网格点/>相连接的所有其他网格点/>的总数；/>为权重因子；/>为迭代指标，一般迭代2次即可得到比较光滑的前锋面，/>为网格点i第n+1次迭代得到的坐标值，/>为网格点i第n次迭代得到的坐标值，/>为网格点j第n次迭代得到的坐标值。
S9，采用最近点投影方法将光滑后的前锋面投影到几何外形表面生成物面，利用前锋面网格点和对应投影点的一一对应关系和相似的拓扑结构，将前锋面网格点和对应投影点一一连接，即可生成物面网格。通过搜索物面网格之间的共享面，即可逐步计算得到物面网格之间的连接关系。最近点投影方法具体为：1）利用几何外形表面三角形的ADT数据结构，结合包围盒的方法确定投影点所在的表面三角形；2）利用三角形的三个顶点和三条边的中点，将三角形剖分成四个三角形；3）分别计算待投影的前锋面网格点与四个三角形的重心的距离，并计算距离的最小值；4）将离前锋面网格点最近的重心对应的新三角形代替原始三角形进行下一轮迭代计算（即重复第2）步和第3）步），直到前锋面网格点与四个三角形的重心的距离的最小值几乎不变（前后两次距离最小值的差的绝对值小于设定的阈值）；5）将最后一次计算得到的新三角形的重心点作为前锋面网格点的投影点。
S10，优化物面网格质量。第九步生成的物面很容易抹平几何外形的凹凸特征，不能模拟真实的几何外形，不利于粘性边界层网格的生成。因此提出了一种实用的几何特征恢复技术，具体为：1）采用二面角作为判据（阈值一般取30度），搜索出几何外形表面具有凹凸特征的区域，并存储二面角小于阈值的三角形对；2）将落在凹凸特征区域内某个三角形内的投影点修正到该三角形的某条边（即共享该边的两个三角形的二面角小于阈值）的中点上，从而保证凹凸特征得以保留。
S11，沿切向剖分物面网格指定层数生成粘性边界层网格。具体为：采用等比函数方法控制粘性边界层网格的法向步长分布，沿切向剖分物面网格指定层数生成粘性边界层网格。
S12，输出计算网格。具体为：可以按照自定义格式或CGNS格式输出计算网格。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。
作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。
Claims (10)
1.一种粘性笛卡尔网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，读入模型几何数据和网格生成控制参数，生成模型表面三角形的ADT存储数据结构；
S2，根据所述网格生成控制参数进行初始网格生成，建立单元连接关系；
S3，标记与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元，各向同性加密与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密；
S4，标记曲率自适应网格单元和缓冲网格单元，各向同性加密曲率自适应网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密；
S5，若指定区域加密，则标记与指定区域相交的网格单元和缓冲网格单元，各向同性加密与指定区域相交的网格单元和缓冲网格单元，达到自适应加密次数后停止加密；
S6，标记与几何外形相交的网格单元，删除与几何外形相交的网格单元；
S7，标记在几何外形内部的网格单元，删除在几何外形内部的网格单元；
S8，采用拉普拉斯函数光滑前锋面；采用弹簧松弛算法光滑前锋面，前锋面即此时剩下的在几何外形外部单元的内边界，确保前锋面网格点与几何外形表面的距离一致，以保证前锋面网格点在几何外形表面的投影点分布与前锋面网格点的分布一致；弹簧松弛算法的公式为：
其中，为与前锋面上的某个网格点/>相连接的所有其他网格点的总数，/>；为权重因子；/>为迭代指标，迭代2次即可得到比较光滑的前锋面，/>为网格点i第n+1次迭代得到的坐标值，/>为网格点i第n次迭代得到的坐标值，/>为网格点j第n次迭代得到的坐标值；
S9，采用最近点投影方法将光滑后的前锋面投影到几何外形表面生成物面网格；最近点投影方法具体为：1）利用几何外形表面三角形的ADT数据结构，结合包围盒的方法确定投影点所在的表面三角形；2）利用三角形的三个顶点和三条边的中点，将三角形剖分成四个三角形；3）分别计算待投影的前锋面网格点与四个三角形的重心的距离，并计算距离的最小值；4）将离前锋面网格点最近的重心对应的新三角形代替原始三角形进行下一轮迭代计算，即重复第2）步和第3）步，直到前锋面网格点与四个三角形的重心的距离的最小值几乎不变，前后两次距离最小值的差的绝对值小于设定的阈值；5）将最后一次计算得到的新三角形的重心点作为前锋面网格点的投影点；
S10，优化物面网格质量；
S11，沿切向剖分物面网格指定层数生成粘性边界层网格；
S12，输出生成的网格。
2.根据权利要求1所述的粘性笛卡尔网格生成方法，其特征在于，在步骤S1中，所述生成模型表面三角形的ADT存储数据结构，具体包括如下子步骤：
1）构建表面三角形的最小包围盒，并将包围盒转换为六维空间中的点；
2）构建六维空间中二叉树节点与空间区域的一一对应；
3）将表面三角形对应的六维空间中的点插入到二叉树中。
3.根据权利要求1所述的粘性笛卡尔网格生成方法，其特征在于，在步骤S3中，所述标记与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元，具体采用分离轴方法标记与几何外形相交的网格单元和缓冲网格单元。
4.根据权利要求1所述的粘性笛卡尔网格生成方法，其特征在于，在步骤S6中，所述标记与几何外形相交的网格单元，具体采用分离轴方法标记与几何外形相交的网格单元。
5.根据权利要求1所述的粘性笛卡尔网格生成方法，其特征在于，在步骤S7中，所述标记在几何外形内部的网格单元，具体采用染色方法标记在几何外形内部的网格单元。
6.根据权利要求1所述的粘性笛卡尔网格生成方法，其特征在于，在步骤S8中，所述采用拉普拉斯函数光滑前锋面，具体采用弹簧松弛算法光滑前锋面。
7.根据权利要求1所述的粘性笛卡尔网格生成方法，其特征在于，在步骤S10中，所述优化物面网格质量，具体包括如下子步骤：
1）采用二面角作为判据，搜索出几何外形表面具有凹凸特征的区域，并存储二面角小于阈值的三角形对；
2）将落在凹凸特征区域内某个三角形内的投影点修正到该三角形的某条边的中点上，从而保证凹凸特征得以保留。
8.一种粘性笛卡尔网格生成设备，其特征在于，包括处理器和存储器，在存储器中存储有程序，当程序被处理器加载时执行如权利要求1~7任一项所述的粘性笛卡尔网格生成方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，在可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行如权利要求1~7任一项所述的粘性笛卡尔网格生成方法。
10.一种粘性笛卡尔网格生成系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的粘性笛卡尔网格生成设备。
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