一种结构网格附面层网格自动生成方法与流程

本发明涉及计算流体力学的前处理结构网格生成技术领域，具体是涉及一种结构网格附面层网格自动生成方法。

背景技术：

复杂外形粘性流动的计算网格生成一直是阻碍cfd工程应用的瓶颈问题之一，由于粘性流动计算对壁面网格正交性要求较高，而工程应用中面对的各种复杂的几何外形，往往会对附面层网格生成提出各种相互制约、调和困难的约束条件，造成网格生成过度依赖人工控制，且耗时巨大，成为目前复杂外形网格生成的技术难点。而实际的cfd工程应用中，往往希望便捷、高效地生成高质量的附面层网格，但目前尚未有一种有效的方法能自动地生成高质量的附面层网格。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的上述缺陷，提出了一种结构网格附面层网格自动生成方法，用于便捷、高效地生成高质量的附面层网格，解决目前各种附面层网格生成算法的约束条件很强，不能在网格生成领域广泛应用的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种结构网格附面层网格自动生成方法，包括以下步骤：

步骤一：对已有物体表面网格进行几何特征的提取；

步骤二：在提取到的几何特征基础上构造附面层网格框架；

步骤三：基于超限插值方法在附面层网格框架的基础上生成整个附面层网格。

在上述技术方案中，所述附面层网格框架包括四条支撑线，四条支撑线的一端由四条轮廓线两两连接构成内轮廓面，四条支撑线的另一端由四条外轮廓线两两连接；所述内轮廓面位于物面。

在上述技术方案中，所述四条支撑线与物面的夹角小于或等于90°。

在上述技术方案中，所述支撑线的构造需要支撑点的方向导数和步长，所述方向导数根据物面网格的离散点坐标计算。

在上述技术方案中，所述方向导数的计算方法为：

支撑线的方向导数记为支撑线在物面上的一端为共享端点，每一个共享端点的四个面在该共享端点处的法向量记为夹角记为αi，对于任意数i∈[0,1,2,3]，根据夹角的权重系数为方向导数

在上述技术方案中，所述附面层网格框架的支撑线推进高度不得使任意两个块的网格框架相交。

在上述技术方案中，所述支撑线的推进高度小于或等于用户指定的推进高度。

在上述技术方案中，支撑线的推进高度的自适应计算方法为：

用户指定推进高度记为δin、截断误差记为ε；设定推进高度的下限为δlow、上限为δup，当前推进高度δcur；

步骤一：基于δlow＝0；δup＝δin,δcur＝δup构造网格块框架，如果任意两个网格块都不相交，完成并结束计算；

步骤二：在步骤一的基础上，如果有相交网格块，则改变当前推进高度为δcur＝(δlow+δup)/2；

步骤三：在步骤二的基础上基于当前推进高度δcur构造网格框架，如果仍然存在相交网格块，则修改推进高度的上限为当前推进高度δup＝δcur，返回步骤二继续执行，直到计算出附面层网格框架内任意两个块的网格框架都不相交的支撑线推进高度完成并结束计算；

步骤四：在步骤二的基础上当前推进高度δcur内的两个网格都不相交，但是推进高度的上限大于当前推进高度与截断误差的和，δup>δcur+ε，那么修改推进高度的下限为δlow＝(δcur+δup)/2，继续返回步骤二执行，直到计算出附面层网格框架内任意两个块的网格框架都不相交的支撑线推进高度完成并结束计算。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明有别于层推进方法的附面层网格生成由内而外、层次推进的技术特点，而是采用一种基于几何特征整体构造的附面层网格生成方法，该方法与传统推进方法的不同之处在于对复杂外形的附面层整体综合适应能力较强，对网格局部细节约束有所放松。方法首先考虑附面层网格的整体性质，通过外形的几何特性构造适宜于具体外形的附面层网格框架，避免了推进方法层层计算、每一步寻找满足约束的最优方向却对整体复杂性适应性不足、鲁棒性较低的问题。由于基于框架构造，该方法更适宜于构造多块对接结构网格的附面层网格，可以较快速、通用地实现结构网格的附面层网格自动生成，从而高质量地实现复杂外形混合网格的自动生成，或结构网格半自动生成，降低cfd工程应用“门槛”，进一步促进其广泛应用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是网格框架示意图；

图2是支撑线方向导数示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或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。

本说明书中公开的所有特征，或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。

本发明以已有的表面网格为基础，首先，对其进行几何特征提取，提取到物面网格的几何特征后，进行物面法向量的计算，物面法向量计算重点是处理包括尖锐凸角(如机翼后缘等)、凹角区域(如部件间连接处)等各种非常规情况；其次，借助于上述提取到的几何特征，构造出附面层网格框架；最后，基于超限插值方法，在附面层网格框架的基础上完成网格面和网格块的内部点生成，最后得到完整的附面层网格。

本发明方法具体包括如下步骤：

步骤一、对已有的表面网格进行几何特征提取

该步骤主要为生成附面层网格框架作准备。下图展示了面所对应块的网格框架，它由四条支撑线(和)和八条轮廓线构成，其中支撑线基本上与物面垂直。

构造支撑线需要两个要素，即物面在该点处的方向导数和步长。一般情况下，步长可以根据特定外形附面层的厚度计算出来，因此可作为运行时参数由用户在配置文件中指定；而方向导数则需要根据物面网格的离散点坐标才能计算出来。如算法1所示，首先得到共享端点ep的四个面在该点处的法向量以及夹角αi，然后利用加权平均法得到方向导数其中ci为根据夹角计算出的权重系数,如图2所示。

算法1支撑线方向导数计算方法：

输入：支撑线起始端点集合，记作eps；

起始端点和面的相邻关系，记作rmap；

输出：支撑线方向导数集合，记作dvs；

a):对集合eps中的每个端点ep,根据rmap得到共享端点ep的面集合dms＝[dm0,dm1,dm2,dm3]；

b):对于任意i∈[0,1,2,3],计算面dmi在端点ep处的法向量计算面dmi在端点ep处的夹角αi；

c):对于任意i∈[0,1,2,3],计算权重系数计算方向导数

d):将加入集合dvs。

步骤二、构造附面层网格框架

由图1可知，构造表面网格框架必须满足如下条件：1)支撑线的方向导数及其网格点分布规律；2)轮廓线的网格点分布规律；3)合理的推进高度。

对于第一个条件，支撑线的方向导数可以根据算法1计算得到；而网格点分布规律则一般借助用户指定的运行时参数来确定，具体包括首端分布参数、尾端分布参数和网格点数，其中首端(尾端)分布参数是指网格线上开始(最后)两个网格点的归一化距离。此时，网格框架所需要的所有支撑线便可确定。

轮廓线有两类，即靠近物面的轮廓线(称为内轮廓线)和远离物面的轮廓线(外轮廓线)。鉴于内轮廓线可以直接从物面中提取得到，因此其网格点分布规律是既定的，无需另外指定。对于外轮廓线，其首尾端点分别是两条支撑线的尾部端点，而其网格点分布规律与对应的内轮廓线的相同。例如，图1中外轮廓线的首尾端点分别是支撑线和的尾部端点，其网格点分布规律与内轮廓线的完全相同。

基于用户指定的推进高度δin，理想情况下可以得到有效的结构附面层网格框架。然而，当δin不合理(过大)时，两个相邻面所对应的网格块框架非常有可能相交。因此，我们提出了一种自适应调整推进高度的方法，如算法2所示。该算法利用迭代过程自适应生成附面层网格框架，其终止条件为：①框架内的任意两个网格不能相交；②推进高度应与用户指定的δin尽量接近。

算法2自适应推进高度的网格框架生成方法

输入：离散表面网格所包含的面集合，记作dms；

由算法1计算出的方向导数集合，记作dvs；

用户指定的推进高度和截断误差，记作δin和ε；

输出：附面层网格框架集合，记作mfrm；

a):δlow＝0；δup＝δin,δcur＝δup,基于推进高度δup构造网格框架mfrm,如果mfrm内任意两个网格块都不想交,那么返回mfrm；

b):δcur＝(δlow+δup)/2,基于推进高度δcur构造网格框架mfrm；

c):如果mfrm存在两个相交的框架mfi和mfj，那么回到步骤b)继续执行；

d):如果mfrm不存任何相交的块网格框架并且δup>δcur+ε，那么，δlow＝(δcur+δup)/2，回到步骤b)继续执行；

e)返回mfrm。

步骤三、基于tfi方法生成整个附面层网格

给定封闭三维空间的边界，超限插值(tfi)方法可以通过计算得到所有的内部点坐标。

其计算过程如下：

假设物理空间定义在ξ∈[ξ1,ξ2]，η∈[η1,η2]，ζ∈[ζ1,ζ2]，其边界表示为

那么tfi方法可以表示为

其中，pk、qk和rk分别是边界面k在ξ,η,ζ方向上的法向导数数量；ak、bk和ck是边界面上的给定值；而φ、θ和ψ是对应方向上的混合函数。

在网格框架构造完毕后，除表面网格上的面以外，框架的其它部分都是网格线，基于它们可以装配出若干网格面。例如，图1中的和可以装配出面以这四条线为边界，围成了二维封闭区域，利用tfi方法可以生成面的内部网格点。以此类推，整个网格框架可以装配出众多的网格面。

当网格面装配完毕后，构成封闭空间的网格面可以装配成网格块，其内部网格点可以借助tfi方法填充。如图1中的网格块是由面

等六个面围成的。当物面网格上的每个面都生成对应的网格块时，附面层网格便顺利生成。

基于表面网格的附面层网格生成实例

在spider软件中，以f6标模表面网格的算例为例，综合目标为在表面网格已知的情况下，设定相关参数后，10s内自动生成正交性较好、质量较高的附面层网格，基于表面网格推进的附面层网格正交性好，附面层顶面保型率高。

从上述生成实例可以看出，采用本发明方法，能有效地实现如下设计目标：

能高效、便捷的适应各种复杂外形的附面层网格生成，且生成的附面层网格正交性好、保型率高、极易推广等优点。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新c的组合。