基于CAD几何模型的曲面流线可视分析方法_吴付坤.pdf

基于C A D几何模型的曲面流线可视分析方法*吴付坤1,2,曹 轶2,董庆利1,2(1.中物院高性能数值模拟软件中心,北京 1 0 0 0 8 8;2.北京应用物理与计算数学研究所,北京 1 0 0 0 8 8)摘 要:针对在大规模矢量场中复杂几何曲面流线生成难的问题,设计实现了一种高精度的复杂曲面流线可视分析方法。首先,基于拓扑二维曲面结构进行求交计算,并引入高精度插值算法实现几何曲面矢量场并行抽取操作;然后,采用改进型龙格-库塔矢量场流线积分扩展技术进行积分计算,并引入自适应积分步长策略和流线-曲面求交加速结构,生成连续一致的曲面流线;最后,引入小球特征到可视化管线流程中,并集成于通用可视分析平台。实验结果表明,该方法能够高精度地生成连续一致的几何曲面流线,有效刻画复杂装置表面流场物理特性。关键词:矢量场抽取;流线积分扩展技术;自适应积分步长;流线-曲面求交加速结构中图分类号:T P 3 0 1文献标志码:Ad o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-1 3 0 X.2 0 2 3.0 6.0 0 2A v i s u a l a n a l y s i s m e t h o d o f c u r v e d s u r f a c e s t r e a m l i n e b a s e d o n C A D g e o m e t r i c m o d e lWU F u-k u n1,2,C AO Y i2,D ONG Q i n g-l i1,2(1.C A E P S o f t w a r e C e n t e r f o r H i g h P e r f o r m a n c e N u m e r i c a l S i m u l a t i o n,B e i j i n g 1 0 0 0 8 8;2.I n s t i t u t e o f A p p l i e d P h y s i c s a n d C o m p u t a t i o n a l M a t h e m a t i c s,B e i j i n g 1 0 0 0 8 8,C h i n a)A b s t r a c t:T o a d d r e s s t h e g e n e r a t i o n p r o b l e m o f s u r f a c e s t r e a m l i n e o n c o m p l e x g e o m e t r y i n l a r g e-s c a l e v e c t o r f i e l d,w e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a h i g h-p r e c i s i o n v i s u a l a n a l y s i s m e t h o d o f c o m p l e x g e o m e t-r i c s u r f a c e s t r e a m l i n e.T h i s m e t h o d f i r s t p e r f o r m s t h e i n t e r s e c t i o n c a l c u l a t i o n b a s e d o n t h e c o m p l e x t o-p o l o g i c a l t w o-d i m e n s i o n a l s u r f a c e s t r u c t u r e,a n d i n t r o d u c e s a h i g h-p r e c i s i o n i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m t o a c h i e v e e f f e c t i v e v e c t o r e x t r a c t i o n o f t h e g e o m e t r i c s u r f a c e.T h e n,a n i m p r o v e d R u n g e-K u t t a s t r e a m l i n e i n t e g r a t i o n e x t e n s i o n t e c h n o l o g y f o r v e c t o r f i e l d i s a p p l i e d f o r i n t e g r a t i o n c a l c u l a t i o n,w h e r e t h e a d a p t i v e i n t e g r a t i o n s t e p s t r a t e g y a n d s t r e a m l i n e-s u r f a c e i n t e r s e c t i o n a c c e l e r a t i o n s t r u c t u r e i s i n t r o d u c e d,i n o r d e r t o g e n e r a t e c o n t i n u o u s a n d c o n s i s t e n t s u r f a c e s t r e a m l i n e.F i n a l l y,t h i s m e t h o d a d d s t h e b a l l f e a t u r e t o t h e v i s u a l i z a t i o n p i p e l i n e p r o c e s s,a n d i s i n t e g r a t e d i n t o t h e g e n e r a l v i s u a l i z a t i o n a n a l y s i s p l a t f o r m.E x-p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e m e t h o d c a n g e n e r a t e c o n t i n u o u s a n d c o n s i s t e n t g e o m e t r i c s u r f a c e s t r e a m l i n e s w i t h h i g h p r e c i s i o n,a n d e f f e c t i v e l y c h a r a c t e r i z e t h e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s u r f a c e f l o w f i e l d o f c o m p l e x d e v i c e s.K e y w o r d s:v e c t o r e x t r a c t i o n;s t r e a m l i n e i n t e g r a t i o n e x t e n s i o n t e c h n o l o g y;a d a p t i v e i n t e g r a t i o n s t e p;s t r e a m l i n e-s u r f a c e i n t e r s e c t i o n a c c e l e r a t i o n s t r u c t u r e*收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 6;修回日期:2 0 2 3-0 3-2 9基金项目:国家重点研发计划(2 0 1 7 Y F B 0 2 0 2 2 0 3);中物院创新发展基金(Z Y P Y 1 9 1 9-1 7)通信地址:1 0 0 0 8 8 北京市北京应用物理与计算数学研究所A d d r e s s:I n s t i t u t e o f A p p l i e d P h y s i c s a n d C o m p u t a t i o n a l M a t h e m a t i c s,B e i j i n g 1 0 0 0 8 8,P.R.C h i n a C N 4 3-1 2 5 8/T PI S S N 1 0 0 7-1 3 0 X 计算机工程与科学C o m p u t e r E n g i n e e r i n g&S c i e n c e第4 5卷第6期2 0 2 3年6月 V o l.4 5,N o.6,J u n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 7-1 3 0 X(2 0 2 3)0 6-0 9 6 1-0 91 引言矢量场能描述非常重要且常见的物理现象,在科学与工程计算中扮演着非常关键的角色,常应用于复杂电磁屏蔽效应及器械表面电流、大型舰船表面气动性能、发动机燃烧室任意指定壁面流场分布等的可视分析中。矢量场演化规律的研究对于相关大型装置的设计与优化至关重要。矢量场可视化技术把不可见的流体运动转化为可见的视觉元素,是观察、分析矢量场演化规律的一个有效手段,其中以流线可视化方法为代表。在流线生成时,每条流线上所有点的瞬时速度都与该线相切。正是基于这一特性,作为科学可视化领域矢量场分析的典型代表,流线可视化方法通过生成并绘制矢量场中若干条流线来刻画矢量场中物质的流动与分布特征,对探究数值模拟数据集背后的物理意义具有重要意义。在以航空发动机和飞行器为代表的大型工程应用领域矢量场分析中,领域专家不仅需要通过传统箭矢和流线为代表的可视化技术获取整个空间的矢量场分布特征,更需要分析特定器械和复杂几何构型表面上的矢量场动态走势,以便进一步设计与优化复杂装置。例如,当前为进行高超声速飞行器的流-热相互作用分析,需要从欧拉解计算对流热通量,而复杂几何表面流线可用于近似边界层,并从中有效地计算对流热通量。现有可视化软件或工具包所提供的流线绘制算法常采用经典的龙格-库塔积分技术,专注于矢量场自身特征的分析,由于本身的积分属性限制,难以克服复杂C A D几何曲面的约束而直接生成跨处理器、跨网格片的连续一致的曲面流线。基于已有的研究工作,本文提出了一种面向三维流场的几何曲面流线生成算法。该算法基于C A D模型复杂的曲面结构,引入曲面求交实现几何曲面矢量场高精度抽取操作,采用矢量场流线积分扩展计算技术,结合最小步进迭代投影,解决了高精度连续生成这一挑战性问题;并改进可视化管线数据处理功能和重构绘制引擎渲染算法,通过生成并绘制矢量场中若干条代表性面流线来刻画矢量场中的物质流动与分布特征。基于可视分析流程,本文将几何曲面流线生成算法集成于通用可视分析软件平台中,以提升算法在特定器械、复杂几何构型表面流场可视分析中的实际应用价值。2 相关工作矢量场可视化一直是计算流体动力学相关领域分析流场内部规律和物理特征的重要技术手段1,2。可视化领域大量工作聚焦于矢量场可视化方法的研究,提出了图标方法3、几何方法4 6、纹理方法7,8和拓扑方法9等一系列方法。在大型装备设计环节,高精度地可视化任意曲面或流形上的矢量场对工程设计人员至关重要。然而,由于C A D几何模型存有大量孔洞及不连续性,且拓扑结构复杂,使用基于表面参数化的技术非常具有挑战性。相当一部分关于几何表面矢量场可视化的研究聚焦于基于纹理的可视化方法1 0 1 2。纹理方法以纹理图像的形式显示矢量场的全貌,揭示矢量场的关键特征和细节信息,主要有点噪声、线卷积和纹理平流等方法。S p o t N o i s e1 3和L I C(L i n e I n t e g r a l C o n v o l u t i o n)1 4方法首先被提出,基于纹理特性生成流场的稠密表示,但几何网格局限于2 D结构化表面网格。之后,M a