一种二维多块结构化网格拓扑划分方法

摘要

发明公开了一种二维多块结构化网格拓扑划分方法，包括以下步骤：S1、根据给定的几何数据点的点集或根据给定的区域，计算几何轮廓，根据几何轮廓提取角点形成一组关键点；S2、将几何轮廓中的区域进行三角形网格化处理，形成多个三角形单元；S3、三角形单元查找几何轮廓中的中轴线，并將中轴线分成主中轴线和中轴线分支；S4、利用中轴线、中轴线分支和关键点进行网格拓扑划分。本公开根据原始结构网格的几何关键点提取、中轴线的计算，网格拓扑的自动划分，从而实现了结构网格的自动分块，完全无需人工干预，不仅高效稳定，而且杜绝了手工操作可能引入的误差。

说明书

技术领域

本公开属于计算流体力学的前处理领域，具体涉及一种二维多块结构化网格拓扑划分方法。

背景技术

内流计算一般包含一个进口，一个出口和复杂内流通道，如何快速自动生成多块结构网格是计算流体动力学(CFD)工程应用的瓶颈问题之一。通过给定的通道的上下两条曲线，人工交互拾取几何信息实现拓扑的划分，但工作费时且麻烦，质量不高，拓扑划分的质量依赖人工经验；当构型变化后，拓扑结构不可重用。因此实现快速自动拓扑划分十分必要，有助于加快CFD工程网格生成效率。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种二维多块结构化网格拓扑划分方法。

本公开的技术方案如下：

一种二维多块结构化网格拓扑划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据给定的几何数据点的点集或根据给定的区域，计算几何轮廓，根据几何轮廓提取角点形成一组关键点；

S2、将点集几何轮廓中的区域进行三角形网格化处理，形成多个三角形单元；

S3、三角形单元查找几何轮廓中的中轴线，并將中轴线分成主中轴线和中轴线分支；

S4、利用中轴线、中轴线分支和关键点进行网格拓扑划分。

可选的，步骤S1中提取点集的几何轮廓角点的具体执行方法为：

S101、分别对几何数据点加密，组成逆时针或顺时针的封闭线；

S102、采用以下三种方法中的一种或多种获取关键点；

弯角关键点：捕捉封闭线弯角特征，将弯角大于第一预设值时的几何数据点标记为关键点；

曲率特点关键点：捕捉封闭线弯曲特征，封闭线中几何数据点折角变化达到预设值时的几何数据点标记为关键点；

有向包围盒关键点：捕捉封闭线分布特征，当段的包围盒的长宽比大于第三预设值时，标记为关键点。

可选的，所述步骤S102中，第一预设值是范围在角度值为25至35度中的值；第二预设值是范围在角度值40至50度之间的值；第三预设值是范围在0.1至0.2之间的值。

可选的，所述步骤S3的具体执行方法为：

S301、三角形单元包括连接单元和角单元，所述连接单元与三个三角形单元同时连接，所述角单元只与一个三角形单元相连，且角单元相连边的对角小于160度，其中，连接单元和角单元均为三角形单元；通过连接单元将中轴线分成各分支，角单元的分支查找并延伸到对应的几何数据点，将进口和出口加入分支延伸中；

S302、通过中轴线的分支连连接关系，确定无向图；

S303、通过进口中点、出口中点和无向图确定主中轴线。

可选的，所述步骤S3中三角形网格化处理通过Delaunay三角形处理；去除封闭线外部三角形单元通过计算各三角形的外接圆中心，再通过射线法去掉外部三角形。

可选的，所述步骤S3和S4之间还执行步骤S31：

S31、从步骤S1的关键点中查找主中轴线及中轴线分支之外的关键点，并通过查找到的关键点与主中轴线连接形成辅助线；

所述步骤S4中还结合辅助线进行网格拓扑划分。

可选的，所述步骤S31中辅助线的连接方法为：查找主中轴线及分支之外的关键点，查找中轴线上距离该关键点最近的最近点，将关键点与最近点相连。

可选的，所述步骤S31中还判断关键点的均分线与主中轴线的夹角是否大于30度，

若是，则形成一条辅助线，若否，再判断关键点的内角是否大于250度，若是，则形成两条辅助线。

可选的，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、将辅助线和中轴线分支生成无向图；

S42、通过最小环确定无向图各子图；

S43、各子图的节点映射到网格块中；

S44、各中轴线分支和各辅助线分别用样条线光滑处理；

S45、将子块与对应的样条线映射；

S46、生成多块结构网格。

可选的，所述步骤S43的具体执行方法为：

当子图的节点数大于4时，块的四个顶点映射到子图节点，保证块中每个边，由节点组成的线段的角度小于45度；

当子图的节点数等于4时，四个子图节点对应块的四个顶点，；

当子图的节点数等于3时，在子图中添加中心点，通过中心点将子图分解成三块四边形图，再对四边形图按照子图的节点数等于4时处理。

本公开根据原始结构网格的几何关键点提取、中轴线的计算，网格拓扑的划分，从而实现了结构网格的分块。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开中实施例一的二维多块结构化网格拓扑划分方法的方法原理图；

图2是本公开中实施例二的二维多块结构化网格拓扑划分方法的方法原理图；

图3是本公开中实施例三的二维多块结构化网格拓扑划分方法的方法原理图；

图4是本公开中几何轮廓的效果图；

图5是本公开中提取关键点后的效果图；

图6是本公开中三角形网格化处理的初始效果图；

图7是本公开中三角形网格化处理的最终效果图；

图8是本公开中查找中轴线后的效果图；

图9是本公开中加入辅助线后的效果图；

图10是本公开中三个节点的图的处理效果图；

图11是本公开中二维多块结构化网格拓扑划分方法的最终效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

实施例1

参阅图1所示，一种二维多块结构化网格拓扑划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据给定的几何数据点的点集或根据给定的区域，计算几何轮廓，根据几何轮廓提取角点形成一组关键点；参阅图4、图5所示，如果，给定的是几何数据点的点集，则给定几何数据点为两条不相交曲线的离散点；并对该几何数据点转化为封闭的几何轮廓，并提取几何轮廓中的各个角点。如果，给你的是区域，则将该区域转化为封闭的几何轮廓，并提取几何轮廓中的各个角点；其中，角点的提取可以采用Moravec算子、Forstner算子、Harris算子、SUSAN算子、Shi-Tomasi算子等方法。

S2、将点集几何轮廓中的区域进行三角形网格化处理，形成多个三角形单元；参阅图6所示，其中三角形网格化处理可以采用Delaunay三角剖分算法、阵面推进法等；参阅图7所示，三角形网格化处理之后，去除几何轮廓外部的三角形，留下几何轮廓中的三角形。去除几何轮廓外部的三角形一般包括面积和判别法、夹角和判别法、射线法等。

S3、三角形单元查找几何轮廓中的中轴线，并將中轴线分成主中轴线和中轴线分支；参阅图8所示，主中轴线查找可以通过从进口到出口采用图的最小路径方法找出主中轴线，不在主中轴线上的为中轴线分支。该步骤还可以通过Zhang-Suen细化算法等。

S4、利用中轴线、中轴线分支和关键点进行网格拓扑划分。

本申请根据原始结构网格的几何关键点提取、中轴线的计算，网格拓扑的自动划分，从而实现了结构网格的自动分块，完全无需人工干预，不仅高效稳定，而且杜绝了手工操作可能引入的误差。

参阅图2所示，在一个实施例中，步骤S1中提取点集的几何轮廓角点的具体执行方法为：

S101、分别对几何数据点加密，组成逆时针或顺时针的封闭线。也可表示n-多边形，包含n的顶点，定义P＝{P1,....,Pn}，用于存储关键点的坐标。

S102、采用以下三种方法中的一种或多种获取关键点；

弯角关键点：捕捉封闭线弯角特征，将弯角大于第一预设值时的几何数据点标记为关键点；

曲率特点关键点：捕捉封闭线弯曲特征，封闭线中几何数据点折角变化达到预设值时的几何数据点标记为关键点；

有向包围盒关键点：捕捉封闭线分布特征，当段的包围盒的长宽比大于第三预设值时，标记为关键点。

在一个优选的实施例中，所述步骤S102中，第一预设值是范围在角度值为25至35度中的值；第二预设值是范围在角度值40至50度之间的值；第三预设值是范围在0.1至0.2之间的值。在该范围中选择值能够在兼顾较高的精确度和相比较低的计算量。在本申请另一实施例中，第一预设值选择30度，第二预设值选择45度，第三预设值选择0.15；这样设置能够将一圈360度较为平均的切分，计算方便。

在另一优选实施例中，所述步骤S2中三角形网格化处理通过Delaunay三角形处理；去除封闭线外部三角形单元通过计算各三角形的外接圆中心(圆心还是几何关键点)，再通过射线法去掉封闭线外部的三角形，重新构建Delaunay三角形关系。

在另一个实施例中，所述步骤S3的具体执行方法为：

S301、三角形单元包括连接单元和角单元，所述连接单元与三个三角形单元同时连接，所述角单元只与一个三角形单元相连，且角单元相连边的对角小于160度，其中，连接单元和角单元均为三角形单元；通过连接单元将中轴线分成各分支，角单元的分支查找并延伸到对应的几何数据点，也就是最近的关键点，将进口和出口加入分支延伸中；三角形单元还包括：有两个相连单元的为过渡单元，只有一个相连单元且相连边的对角大于等于160度的，为连续单元。

S302、通过中轴线的分支连连接关系，确定无向图；

S303、通过进口中点、出口中点和无向图确定主中轴线。该主周轴线的确定方式可以通过从进口重点到出口重点的最短路径法来确定；而主中轴线之外的是中轴线分支。

实施例二

结合图2、图9所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述步骤S3和S4之间还执行步骤S31：

S31、从步骤S1的关键点中查找主中轴线及中轴线分支之外的关键点，并通过查找到的关键点与主中轴线连接形成辅助线；具体的，本步骤可以通过查找中轴线上距离该关键点最近的最近点，将关键点与最近点相连。该最近邻查找可以采用kd-Tree查找的方法，计算准确。

所述步骤S4中还结合辅助线进行网格拓扑划分，提高网格划分精度。

因为在查找简单几何轮廓的中轴线时，主中轴线和中轴线分支能够覆盖全部的关键点，主中轴线和中轴线能够对几何轮廓进行了大体的网格划分，后续只需对网格进行细化的拓扑划分即可；

而对于复杂图形的几何轮廓中，简单通过中轴线查找对几何轮廓进行初步划分，对于距离中轴线距离较远或较复杂的区域，部分关键点不在主中轴线或中轴线分支上，造成网络拓扑划分时图形划分精确度会较差，所以需要将不在主中轴线或中轴线分支上关键点与主中轴线连线，该辅助线将距离较远或较复杂的区域进行初步的网络划分，后续步骤S4中可以结合辅助线划分的网格，对较复杂的区域进行细化的网格拓扑划分。

通过查找主中轴线及中轴线分支之外的关键点并划分辅助线，并结合辅助线进行网格拓扑划分，提高了最终计算的准确性。

所述步骤S31中辅助线的连接方法为：查找主中轴线及分支之外的关键点，查找中轴线上距离该关键点最近的最近点，将关键点与最近点相连，形成辅助线。

在一个实施例中，辅助线的划分方法为，所述步骤S31中还判断关键点的均分线与主中轴线的夹角是否大于30度，

若是，则形成一条辅助线，若否，再判断关键点的内角是否大于250度，若是，则形成两条辅助线。

实施例三

参阅图3所示，本实施例与实施例一的区别在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、将辅助线和中轴线分支生成无向图；用于后续生成结构网格。

S42、通过最小环确定无向图各子图；

S43、各子图的节点映射到网格块中；

S44、各中轴线分支和各辅助线分别用样条线光滑处理；

S45、将子块与对应的样条线映射；

S46、生成多块结构网格。参阅图11所示，最终实现二维多块结构化网格拓扑自动划分。

在另一实施例中，所述步骤S43的具体执行方法为：

当子图的节点数大于4时，块的四个顶点映射到子图节点，保证块中每个边，由节点组成的线段的角度小于45度；

当子图的节点数等于4时，四个子图节点对应块的四个顶点，；

参阅图10所示，当子图的节点数等于3时，在子图中添加中心点，通过中心点将子图分解成三块四边形图，再对四边形图按照子图的节点数等于4时处理。通过中心点与三角形的三个边上的最近点连接，形成三块四边形。

本申请可以是在Python中进行计算。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。