[发明专利]交互式棱柱网格生成中翘曲现象消除方法

说明书

本发明公开了一种交互式棱柱网格生成中翘曲现象消除方法，即首先人工交互生成物面网格边界点的空间推进网格，然后利用光顺算法，对物面网格边界点的推进法矢在X、Y、Z三个坐标方向上的分量进行光顺，接着通过径向基函数方法插值得到物面网格内部点的空间推进网格，最终组装得到用于CFD计算模拟的边界层棱柱网格；本发明是对已人工交互生成的物面网格边界空间推进面网格进行优化，采用法矢光顺、径向基函数插值等技术消除翘曲现象对棱柱网格质量的影响，在提高棱柱网格生成效率和方法普适性方面，本发明具备明显的技术优势。

技术领域

本发明涉及数值计算的网格生成领域，尤其涉及计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)中的棱柱网格生成领域。

背景技术

伴随着计算机硬件技术和计算方法的快速发展，计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)在科学研究和工业产品设计中扮演着越来越重要的角色，被广泛用于各种复杂外形真实流动的数值模拟。尤其在航空航天领域，CFD已经成为飞行器性能分析与设计的重要工具。

CFD基于网格对模拟对象的空间流场进行离散，然后求解离散数学方程获得模拟对象在特定条件下的数值流场。离散网格质量是影响CFD数值求解效率、收敛性和精度的关键因素。高质量的流场计算网格不仅能够更好地逼近真实流动现象，还可以大幅改善流场计算的收敛速度，降低CFD仿真的成本。

根据网格的拓扑关系，CFD计算网格可以分成两类：结构网格和非结构网格。结构网格具有质量好、数据结构简单等优点，但复杂外形结构网格生成十分困难，需要耗费大量的人力设计网格拓扑、调整网格质量。非结构网格可以模拟任意的复杂外形，但模拟边界层效应占主导的粘性流动效果不佳。

因此，结合非结构网格和结构网格各自优势的混合网格技术已然成为网格生成领域一个重要的研究方向。其中，半结构化的棱柱网格既对复杂外形有较好的适应性，又能弥补非结构三角形/四面体网格模拟粘性流动的不足，具有更好的流动预测精度，是目前网格生成领域的研究热点。

目前，半结构化棱柱网格生成有两个思路，一个典型思路是采用整体生成方式朝着自动化的方向发展，但网格质量无法局部调整，网格生成参数对外形、网格密度分布等依赖性大，需要反复尝试获得最优参数；另一个思路是孙岩等[1]提出的基于边界点空间推进网格约束的交互式棱柱网格生成方法，通过人工交互调整，能够获得高质量的棱柱网格。第二种思路以人工交互方式生成或修改物面网格边界点的空间推进网格，实现对棱柱网格推进方向、推进速率和局部网格质量的调整与控制，并一定程度上降低了棱柱网格质量调整的时间消耗。其中，对于曲率变化较快的外形，该交互式方法会将边界处的位移不光顺放大并传递到内部区域，从而导致生成的棱柱网格出现翘曲现象，降低棱柱网格质量，甚至造成网格扭曲出现负体积。文献[1]提出可以通过内部添加空间推进面网格的方式，消除棱柱网格的翘曲，改善棱柱网格质量。但内部添加空间推进面网格，一方面将大幅增加前处理工作和棱柱网格生成的难度，降低方法的普适性，另一方面还将增加径向基基点数量，增加位移插值的计算量和时间成本消耗。

[1]孙岩.交互式棱柱网格生成方法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2016,28(2):247-254。

发明内容

本发明的目的是提供一种交互式棱柱网格生成中翘曲现象消除方法，针对在物面网格局部位置添加空间推进面网格消除翘曲现象方法普适性差和算法难度增加的情况，通过光顺方法对物面网格边界点推进法矢进行光顺，消除物面网格边界点推进法矢不连续在空间的放大传播，从而避免棱柱网格的翘曲现象，可以大幅提高交互式棱柱网格生成方法的鲁棒性和对复杂外形的适应性。

本发明还具有一个目的，可以修正物面网格边界点推进法矢错误对棱柱网格生成的影响，改善棱柱网格的质量，提高数值模拟的准确性和计算效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：