[发明专利]一种基于STL文件的笛卡尔网格快速生成方法

说明书

本发明涉及一种基于STL文件的笛卡尔网格快速生成方法包括以下步骤：步骤一，根据STL文件信息构建长方体包围盒，对包围盒内部点进行后续步骤；步骤二，采用逆序统计法的框架，输入为模型的STL文件，输出为网格点对应的交点个数，使用本发明提出的相交判定算子；步骤三，根据个数奇偶性，例如个数为偶数，则射线对应的网格点在模型内部，从而得到所有网格点与模型的内外部关系。本发明可并行化后嵌入CFD计算中，对于需要网格更新的情况，网格生成时间占比低，这对于格子Boltzmann方法后续的流固耦合计算或自适应网格计算提供了很好的基础。

技术领域

本发明涉及一种基于STL文件的笛卡尔网格快速生成方法，生成的笛卡尔网格应用于LBM相关的CFD计算中。

背景技术

复杂流体运动问题一直是大规模科学与工程计算中最重要且具有挑战性的研究领域之一。与传统模拟方法不同，从介观尺度描述流体系统，起源于格子 Gas CellularAutomata(LGA)方法的格子Boltzmann方法(LBM)具有简单、高效的特点。天然并行性及方便处理复杂边界条件的优点，使得LBM非常适合复杂流动问题的大规模并行计算。近年来，该方法已广泛应用于多相流、燃烧、湍流、生物力学和多孔介质等许多领域中。由于笛卡尔网格的正交性可简化算法中的部分式子，降低计算的复杂性，能够较准确的捕捉流动结构特征。在笛卡尔网格中，针对复杂外形的三维模型，需要准确判断网格点与网格系统中三维模型的内外关系，使得在生成网格的过程中计算量较大。对于需要进行网格更新的计算流体力学(CFD)计算，有研究表明，网格更新占CFD周期总用时的70％以上。因此，一种准确快速的网格生成方法对这一类的计算非常重要。

网格生成的核心之一是判定网格点是否在模型内部，主要可归纳为两种不同的方法：射线法和切片法。前者通过射线穿透物面的次数来进行判定，后者先对几何模型进行切片处理，在二维平面上对切片进行相交判定。两种方法各有优劣，但网格生成的速度相差不大。在本文的研究中发现，相交判定的判据选取，主要影响网格生成的准确性，对速度影响相对较小。而本文应用并发展的一种交点个数统计方法，可通过减少判据计算次数，大幅度提高复杂模型网格的生成速度。由于该方法对相交判据结果无影响，因此保持网格生成的高准确性，可用于LBM的模拟计算。

发明内容

本发明的目的在于根据包含复杂三维模型信息的STL文件，准确且快速的生成笛卡尔网格，并将得到的网格应用于LBM相关的CFD计算中。在STL文件中，包含系列空间三角形的顶点坐标和法线向量，系列空间三角形构成三维模型的表面。在LBM中的笛卡尔网格中，若网格内存在三维模型，则需要判定笛卡尔网格点是否在模型内部，并进行不同的标记。通过标记的不同，在网格系统中近似描述三维模型形态，从而对模型的内部或外部网格点进行CFD计算。

为了能够根据模型文件得到用于包含模型信息的笛卡尔网格，本发明提出了一种准确、快速的方法。该算法主要目标是提高算法的准确度，并减少算法的计算次数，从而减少网格的生成时间。同时，该算法可进行并行优化，在需要进行网格更新的计算中，做到“并行网格生成+并行流场求解”

根据上述发明构思，本发明的一种基于STL文件的笛卡尔网格快速生成方法包括以下步骤：

步骤一，提取STL文件中所有空间三角形的三个维度的最大值和最小值，根据最大值和最小值坐标构成平行于坐标轴的长方体。在长方体包围盒外部的点同时在模型的外部，对包围盒内部点进行后续步骤。

步骤二，整体网格生成方法采用逆序统计法的框架，输入为模型的STL文件，输出为待判断的网格点形成的射线与构成模型表面的所有空间三角形的交点个数。使用提出的基于投影的混合判定算子判断单条射线和单个空间三角形是否存在交点；

步骤三，对于步骤一中包围盒内部网格点，已得到任意网格点对应射线与所有空间三角形的交点个数。根据个数奇偶性，例如个数为偶数，则射线对应的网格点在模型内部；

优选地，所述步骤二的逆序统计法包括：