[发明专利]一种基于非结构化网格的三维流线生成方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于非结构化网格的三维流线生成方法及系统，属于流场可视化技术领域，解决了现有流线精度不高且未考虑流线均匀分布而影响流线可视化效果的问题。包括获取非结构化网格的网格数据和矢量场数据；根据边界面和/或网格体，获取采样点作为初始质点；依次取出每个初始质点，识别初始质点所在的网格单元，根据网格单元中网格点的矢量场数据，获取初始质点的矢量场数据；从初始质点开始，根据积分方向按照积分步长向前和向后依次逐个定位下一个质点，直至满足终止条件；积分步长根据相邻质点的矢量场数据的变化率动态调整；根据每个初始质点及其定位的所有下一个质点，生成各自的流线，得到三维流线集合。提高了流线生成速度和精度。

技术领域

本发明涉及流场可视化技术领域，尤其涉及一种基于非结构化网格的三维流线生成方法及系统。

背景技术

在计算机辅助工程和科研领域，常常需要对流场进行可视化处理，将不可见的流场仿真模拟数据，转化为可见的流场图像。在现有的流场数据可视化技术和方法中，流线可以直观地描述和可视化流动，是常用的流场可视化方法之一。

流线是同一时刻不同流体质点所组成的曲线，它给出该时刻不同流体质点的速度方向，画出的流线与流动中每一点的速度矢量相切。流线的构造主要有两种：一种是基于流函数的流线生成算法，另一种是基于数值积分的流线生成算法。其中，流函数主要应用在于二维流线，具有局限性；基于数值计算的流线构造具有计算简单、符合流体计算中的离散思想，通常采用该方法。

针对流线的传统数值积分方法主要有欧拉法，二阶龙格库塔法和四阶龙格库塔法。欧拉法是最简单的一种数值积分方法。这种积分方法，逼近结果比较粗糙，精度也较低。二阶Runge-Kutta方法：该方法是利用t时刻P点的矢量值和P点在t+Δt时刻的矢量值之和的平均值，作为t时刻的矢量大小，再计算下一点。四阶龙格库塔法计算精度最高，但计算复杂，计算量大，耗费时间长。

传统的数值积分算法大多数采用的是固定积分步长，固定积分步长无法适应积分曲线的曲率变化。当流线上相邻的矢量方向相同和相差较大时，采用的同一个步长，会导致，相同时步长取值相对较小，造成过多计算浪费；差异较大时，取值相对较大，计算的流线精度难以保证。而且现有未考虑流线的均匀分布，影响流场的表达和可视化效果。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于非结构化网格的三维流线生成方法及系统，用以解决现有流线精度不高且未考虑流线均匀分布而影响流线可视化效果的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于非结构化网格的三维流线生成方法，包括以下步骤：

获取非结构化网格的网格数据和矢量场数据，非结构化网格包括三维网格体和二维边界面；每个三维网格体包括多个三维网格单元；

根据选择的边界面和/或网格体，获取采样点作为初始质点；

依次取出每个初始质点，识别出当前初始质点所在的三维网格单元，根据所在的三维网格单元中网格点的矢量场数据，获取当前初始质点的矢量场数据；从当前初始质点开始，根据积分方向按照积分步长向前和向后依次逐个定位下一个质点，直至满足终止条件；积分步长根据相邻质点的矢量场数据的变化率动态调整；

根据每个初始质点及其定位的所有下一个质点，生成各自的流线，得到三维流线集合。

基于上述方法的进一步改进，根据选择的边界面和/或网格体，获取采样点作为初始质点，包括：

当选择的是边界面时，若当前边界面为平面，基于当前边界面的四边形包围盒，根据设置的采样点数量，平均采样获取采样点；若当前边界面为曲面，基于面网格单元的网格点，等步长采样获取采样点；

当选择的是网格体时，基于每个网格体的轴对齐包围盒的三个轴向方向，根据设置的采样点数量，平均采样获取采样点。

基于上述方法的进一步改进，若当前边界面为平面，基于当前边界面的四边形包围盒，根据设置的采样点数量，平均采样获取采样点，包括：