CN1395196A

CN1395196A - 过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法

Info

Publication number: CN1395196A
Application number: CN 02136429
Authority: CN
Inventors: 敬忠良; 李建勋; 张世俊; 肖刚
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2003-02-05
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: CN1159668C

Abstract

一种过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法，设计的绘图平台分别实现绘图直角坐标系与屏幕坐标系的自动转换，利用绘图平台绘制不同的中间包对象，将中间包的外轮廓中两种相位交接的地方定义为边界，采用基于集合理论的网格划分法实现中间包网格自动划分，并实现了浓度场、温度场等值线的图形化、速度矢量场图形化、夹杂物运动数据图形化，使得CFD大量数据实现有效的可视化。本发明可以在现有的基础上不断扩充可视化的内容，具有很好的扩展性，设计计算便于检查和调整，可用于冶金等行业的计算机辅助设计计算。

Description

过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法

技术领域：

本发明涉及一种过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法，用于冶金等行业的计算机辅助设计计算，属于计算机图形学及过程冶金技术领域。

背景技术：

计算流体力学(CFD)起初是在航天领域创立的，是在传统的实验和解析的方法之后的一种研究流体及传热的方法。在过程冶金领域，CFD模型方法可以用来进行连铸中间包内钢水的流动和传热计算。中间包是连铸生产中最重要的反应器之一，因为流动稳定分布影响着中间包内夹杂物的上浮和铸坯晶粒的尺寸，其内钢液的流动方式和温度分布将对钢坯的质量产生直接的影响。因此，国内外很多研究者都十分重视对其的研究。

冶金工业中CFD可视化主要是要完成两个方面的工作，建立流场场景和提供交互工具，建立流场场景即是绘制流场中各个物理量的分布情况。概括其主要内容有：a)几何体与网格的显示评估；b)计算过程的显示和流体的结构辨识；c)结果的显示和分析；d)数据比较。

在冶金工业的CFD可视化实际研究工作中，国内外许多科研人员发现，大量的计算数据无法结合实际模型可视化，目前主要的工作是基于普适的数据处理平台进行一定的二次开发，这样的问题有：a)不能将中间包的几何外形、网格数据、流量场、温度场、浓度场与计算数据相结合，无法实现真正的中间包计算的“可视化”；b)难以实现基于CFD模型计算结果的任意指定截面的浓度场、温度场数据预处理和可视化工作；c)计算过程和数据的可视化中人机交互困难；d)程序扩展受到普适数据处理平台的限制，无法实现程序的模块化，可扩展性差。

发明内容：

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种实用的过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法，解决CFD大量数据的可视化，使设计计算便于检查调整，并使程序实现具有很好的扩展性。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，结合计算机可视化技术，在网格划分模块提出基于集合理论的网格划分方法，充分利用可视化数据(即图形数据)，实现网格自动划分。后处理中，实现了浓度场、温度场等值线的图形化、速度矢量场图形化、夹杂物运动数据图形化，使得CFD大量数据实现有效的可视化。

本发明的方法包括如下具体步骤：1、构架绘图平台

利用VB图形编程技术设计绘图平台，该平台也用于网格的显示。在平台主界面上包括绘制不同图形，以及线型、线宽及颜色选项。绘图平台图形显示窗口由三个视图平面构成，分别实现了绘图直角坐标系与屏幕坐标系的自动转换。根据不同中间包外形结构要求，该平台比例尺可调，以实现其通用化。2、确定绘图对象的数据结构

绘图平台可以用来绘制不同的中间包对象。为了能够使网格自动生成程序准确识别使用者所绘出是哪一种图形，很有必要确定一种数据结构。数据结构包括图形说明符号a，相对(或绝对)坐标说明符b，坐标数据c、d、e、f(圆形例外，在坐标数据处只包括c、d、e三项)，线宽g，颜色h。a-h在绘图时会赋给确定的符号或数据，这样的数据结构可以将绘出每一个图形唯一确定下来。3、定义边界

在中间包的结构中，还包括了一些其它结构，如挡渣墙、钢水进出的管、钢水液面及塞棒，有时可能在挡渣墙上还有孔。通常情况下，认为边界是指中间包的外轮廓。本发明中，将这种概念推广，认为当两种相位交接的地方即形成了边界。4、划分网格

对于中间包这种形式的容器，划分的网格一般采用方形网格。由于对中间包的网格划分提出了许多规则，如每个方向的网格数范围(a)，网格间距要求(b)，网格对称要求(c)，以及网格局部加大划分密度(d)等。这就给科研人员对不同的中间包生成网格带来了诸多不便。

由于上述四种网格划分的规则之间可能会产生某种互相的制约关系，本发明利用集合的思路来解决这个问题，将满足(a)、(b)条规则的网格线归为第一类集合，记为A；将满足第(c)条规则的网格归为第二类集合，记为B；同理，满足第(d)条规则的网格归为第三类集合，记为C。将这三个集合进行划分层次分类，A属于第一层次，属于首先进行划分的一类网格，B、C均属于第二层次，是在A网格的基础上进行划分，并根据集合交、并算法进行二次划分，这样得到了网格划分初始结果集合D，利用第(d)条规则进行一次所有网格的扫描，将不符合要求的网格线剔除，得到最终的网格结果。

A集合通过初始给定的一个网格数来确定，通常A集合在整幅图中是均匀分布的，是网格划分的基础；B、C集合则是利用在绘图平台绘中间包时，同时确定的图形数据库中的数据，并根据规则(c)确定。以集合的定义式可以得到D集合的表达式：

D＝A-E+B+C式中E集合与B、C的取值位置相关，是那些不符合第(c)条规则的网格线的集合，它们实际上是A的子集。5、浓度场、温度场的实现

基本思路是从实际绘图区域的边界开始，利用线性插值逐网格追踪每条等值线，得到各等值线在对应穿过的网格边上等值点的坐标，然后根据实际需要确定是否需要平滑处理，经过判断后的处理数据(新的坐标点)存放在一个新的数组或数据链表中(视数据量的大小)，再连接这些坐标点即可得到连续的光滑等值线。等值线可以分为从边界开始到边界结束的等值线和从内部封闭的等值线两种情况。其基本原理是首先从绘图区边界或内部网格的边界上求得一个等值点(等值线和网格边的交点)，然后由该点出发，判断下一个等值点的坐标，直到下一个等值点落在绘图区域边界上或与起点重合，这样就完成了一条等值线的追踪。在邻接等值点的追踪过程中，实际是对一个网格内的等值线连接问题。分析一个网格内的等值线的连接情况，在已知网格边上的一个等值点的前提下，可以根据相应情况得到另一个等值点的坐标。

为了得到较为顺滑的曲线，必须对曲线进行平滑处理。曲线平滑的方法有T-N方法、Bezier方法、B样条方法、三次样条方法或最小二乘方法。

在一般的开发工具都提供了对封闭区域的填充函数。例如在Windows API中提供了函数FillRgn，可是实现对任意封闭多边形进行填充。因此，等值线的填充算法主要解决如何确定两条等值线之间的区域，以及确定用什么颜色(根据设定的颜色标尺)。但是，由于任意两条等值线之间的区域的形状极不规则，因此，单纯的从确定两条等值线间的区域的思路出发将会使得问题变得极为复杂，但是我们可以观察等值线生成的基本规律，利用等值线追踪方法得到的顺序坐标点，并产生封闭等值线区域，然后采用API函数实现对其自动填充。考虑到过程冶金中间包的浓度场、温度场填充的不同要求，即根据要求填充部分或指定封闭的等值线区域，则需手工拾取封闭区域种子点后再填充该种子点所在封闭区域。6、速度矢量场的实现

CFD模型的速度矢量场数据包含了速度矢量分布节点信息(中间包网格节点信息)和速度矢量的信息(速度矢量在空间上的大小、方向)。由于速度矢量分布节点信息数据实际与中间包的物理尺寸同一数量级，而速度矢量的三维空间信息数据的数量级和对应的节点数据的数量级相差甚远，故可采取的方法有：①速度矢量数据的预处理，使得两者转换到同一个数量级以便可视化；②采取相对坐标进行程序实现。现已知三维中间包的网格数据和速度矢量在空间三个方向分量的小大。

在三维速度矢量模型中，速度矢量起点坐标A(x_i，y_i，z_i)(i＝1，…，n n为中间包网格划分的格数)即为中间包的网格节点数据，各列数据对应即为X/Y/Z三个方向上的网格的相对坐标。数据速度矢量的大小 AB＝r和方位角分别为α、φ、γ，三维模型根据投影关系简化为二维平面模型后，可以有如下结论：

二维X-Y平面(其它平面同理)的绝对坐标分别为：

上式中λ为比例系数，c₁、c₂为常数。7、夹杂物数据的三维动画模拟显示

采用保存夹杂物在时间序列上的各帧图像(位图文件方式)的方式实现夹杂物动画模拟。

本发明采用了计算机可视化技术，在网格划分模块提出基于集合理论的网格划分方法，充分利用可视化数据(即图形数据)，实现网格自动划分，并实现了浓度场、温度场等值线的图形化、速度矢量场图形化、夹杂物运动数据图形化，使得CFD大量数据实现有效的可视化。解决CFD大量数据的可视化，使整个设计计算便于检查调整，并使程序实现具有很好的扩展性。具体的有益效果有：

1、过程冶金CFD模型的大量数据可视化技术是数据可视化研究的一个热点和难点，本发明可用于冶金等行业的计算机辅助设计计算，具有特别重要意义和实用价值；

2、采用模块化的面对对象的程序实现具有很好的扩展性，可以在现有的基础上不断扩充可视化的内容，具有很好的扩展性。

3、算法设计针对性强，可以解决CFD的大量数据的可视化，使得设计计算更加便于检查和调整。

附图说明：

图1为本发明实施例各种边界定义示意图。

图2为本发明网格内等值线连接情况示意图。

图3为速度矢量可视化模型示意图。

图4为本发明可视化实现的计算机界面显示。

其中：图4(a)为中间包的绘图平台和网格自动生成界面；

图4(b)为中间包浓度场自动生成及图形显示界面；

图4(c)为中间包速度场自动生成及图形显示界面；

图4(d)为中间包及其浓度场的三维显示界面；

图4(e)为中间包及其速度场的三维显示界面；

图4(f)夹杂物动画模拟界面。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明的技术方案，以下通过附图及对本发明的实施方式作进一步描述。1、中间包边界定义详解

如图1所示，1代表管壁边界，每一个管对应两个矩形(剖面图中两侧的管壁)；2代表了挡渣墙边界，每一堵挡墙也要用矩形绘制；3代表了由液面所围成的边界，通常在液面以上就不在被计算程序考虑；4代表了塞棒边界类型；5、6、8代表中间包外轮廓所形成的边界；7代表了孔边界类型；9、10代表了中间包轮廓中出管处的边界；边界定义有两种用途，一种是可以简化计算的工作量。有限差分法是将原结构划分成很多小的分块，如果能得出边界以外的部分，省去程序对这些部分差分点的计算，可很大提高计算效率，如在液面以上的部分，或在挡渣墙内的部分的差分点都可以省去，而不去计算。另外一个用途是已知了边界，还可以计算出中间包内钢水的体积，可供后处理中使用。并且可以由边界信息确定边界外差分点的位置，这样在后处理中只显示钢水中的温度场、浓度场的等值线，云图等更符合实际情况。2、浓度场、温度场的实现时采用的等值线追踪算法

浓度场、温度场的实现时，需采用等值线追踪算法。该算法在邻接等值点的追踪过程中，实际是对一个网格内的等值线连接问题。分析一个网格内的等值线的连接情况，在已知网格边上的一个等值点的前提下，可以穷举为如图2的8种情况，即可得到另一个等值点的坐标。依次类推，直到下一个等值点落在绘图区域边界上或与起点重合，这样就完成了一条等值线的追踪。随后进行等值线的平滑判断和封闭区域填充处理。3、速度矢量模型

在三维速度矢量模型中，速度矢量起点坐标A(x_i，y_i，z_i)(i＝1，…，n n为中间包网格划分的格数)即为中间包的网格节点数据，各列数据对应即为X/Y/Z三个方向上的网格的相对坐标。数据速度矢量的大小 AB＝r和方位角分别为α、φ、γ，三维模型可以根据投影关系简化为二维X-Y(其他平面同理)平面的模型处理，如图3所示，可以有如下结论：

F、E点在二维X-Y平面的绝对坐标分别为：

上式中λ为比例系数，λ＝ BF/ AB＝ BE/ AB，该系数决定了矢量箭头图形的箭羽的长短，一般取λ＝0.4。c₁、c₂为角度常数，一般分别取190、170。4、本发明实施例对过程冶金(中间包)的CFD模型计算数据的可视化技术分析，采用面向对象的模块化的程序实现，如图4所示。(1)图4(a)为中间包的绘图平台和网格自动生成界面，在该平台上可以实现中间包绘制并结合网格划分要求，自动划分网格和产生网格数据。(2)图4(b)为中间包浓(温)度场自动生成及图形显示界面。浓(温)度场等值线的层数、标尺颜色、显示浓(温)度范围、显示中间包及网格等参数均可以通过人机交互进行选择。(3)图4(c)为中间包速度场自动生成及图形显示界面。速度场的矢量表示依据标准矢量(0.2m/s)显示，且可以用不同的颜色、箭头的长短、方向来丰富地表示速度场。中间包各个界面的速度场显示以及显示的参数均可以通过人机交互进行选择和控制。(4)图4(d)为中间包及其浓度场的三维显示界面。在该界面可以建立三维中间包对象，然后把相应需要显示的浓度场通过图形变换的方法显示成三维浓度场。显示界面可以通过输入的办法指定。(5)图4(e)为中间包及其速度场的三维显示界面。在建立的三维中间包内显示指定的三个界面的三维速度场。其算法实质是三维模型简化为二维X-Y平面的模型处理。(6)图4(f)夹杂物动画模拟界面。采用在单位间隔时间内(时间序列)创建图像(位图文件方式)的方式，并将各幅图像转换为连续的多帧图像的方式，用Windows Media Player等媒体播放器实现夹杂物动画模拟。

Claims

1、一种过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法，其特征在于包括如下具体步骤：

1)构架绘图平台：利用VB图形编程技术设计绘图平台，绘图平台图形显示窗口由三个视图平面构成，分别实现绘图直角坐标系与屏幕坐标系的自动转换；

2)确定绘图对象的数据结构：利用绘图平台绘制不同的中间包对象，数据结构包括图形说明符号，相对或绝对坐标说明符，坐标数据，线宽及颜色，将绘出的每一个图形唯一确定下来；

3)定义边界：在中间包的结构中，将中间包的外轮廓中两种相位交接的地方定义为边界；

4)划分网格：采用方形网格划分中间包，并利用集合的思路对中间包进行网格划分，将满足每个方向的网格数范围和网格间距要求的网格归为A类集合，满足网格对称要求的网格归为B类集合，满足网格局部加大划分密度的网格归为C类集合，首先划分A类网格，在A网格的基础上进行B、C类网格划分，并根据集合交、并算法进行二次划分，得到网格划分初始结果集合D，利用网格局部加大划分密度规则进行一次所有网格的扫描，将不符合要求的网格线剔除，得到最终的网格结果；

5)浓度场、温度场的实现：从实际绘图区域的边界开始，利用线性插值逐网格追踪每条等值线，得到各等值线在对应穿过的网格边上等值点的坐标，然后确定是否需要平滑处理，经过判断后的处理数据或新的坐标点存放在一个新的数组或数据链表中，再连接这些坐标点得到连续的光滑等值线；

6)速度场的实现：根据已知中间包的网格数据和速度矢量在空间三个方向分量的大小，建立三维速度矢量模型，并按照投影关系将其简化为二维速度矢量模型；

7)夹杂物数据的三维动画模拟显示：采用保存夹杂物在时间序列上的各帧图像

的方式实现夹杂物动画模拟。

2、如权利要求1所说的过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法，其特征在于浓度场、温度场的实现中，等值线分为从边界开始到边界结束的等值线和从内部封闭的等值线，首先从绘图区边界或内部网格的边界上求得一个等值点，然后由该点出发，判断下一个等值点的坐标，直到下一个等值点落在绘图区域边界上或与起点重合，完成一条等值线的追踪。

3、如权利要求1所说的过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法，其特征在于浓度场、温度场的实现中，对曲线进行平滑处理采用T-N方法、Bezier方法、B样条方法、三次样条方法或最小二乘方法。

4、如权利要求1所说的过程冶金中计算流体力学的数据可视化方法，其特征在于浓度场、温度场的实现中，利用等值线追踪方法得到顺序坐标点，并产生封闭等值线区域，然后采用API函数实现对其自动填充，或手工拾取封闭区域种子点后再填充该种子点所在封闭区域。