[发明专利]一种六面体非结构网格自动生成方法

说明书

偏微分方程来构建的数学模型，由于物理问题的复杂性，无法利用解析方法得到解析解，只能采用数值方法进行求解时使用计算网格。并且六面体网格生成方面的研究还很欠缺难题，本发明了面向复杂模型的六面体非结构网格生成方法。对传统栅格法进行改进，基于复杂的流场表面模型通过设计几何特征识别及表面处理机制，使其能够提取模型的边界特征，在确定好的研究域中合理的生成高质量的六面体网格，再对网格的边界进行非研究域单元去除以及平滑处理，通过表面曲率建立加密场，采用网格质量优化算法(拉普拉斯算法)提高网格生成质量，最后打印非结构化网格，生成CGNS文件。

技术领域

本发明涉及一种基于改进的栅格法来准确且快速的生成六面体非结构化网格，属于CFD(计算流体)中网格自动生成领域。

背景技术

自然科学和工程应用的很多运动发展过程和自然物理现象都可以通过偏微分方程来构建其数学模型。由于物理问题的复杂性，如求解区域、边界条件及材料特性等因素的影响，描述该问题的方程无法利用解析方法得到解析解，只能采用数值方法进行求解。有限单元法、有限体积法、边界单元法及有限差分法是较为常用的求解偏微分方程的数值方法。但实施这些数值方法之前，必须先对问题域进行前处理，将其分解为有限个简单几何体的集合，该集合称为网格，这一过程也称网格生成。

对于平面或曲面区域，简单几何体常选用三角形和四边形；三维区域则往往采用四面体和六面体等。相比四面体单元，六面体单元具有较少的单元和较低的自由度。同一问题中，六面体网格的单元数目通常要比同样尺寸的四面体网格单元数目少倍，可大大降低单元数量，从而减少模型计算时间。较低的自由度可以提高最后模型计算结果的可视化速度。而且采用六面体网格单元可以提高模型计算的精度。特别的在某些情况下如当用有限体积法与边界适应坐标系统求解复杂形体的控制守恒方程时，只能采用六面体网格单元进行数值分析。因此，要保证复杂模型的网格生成，首选六面体单元作为网格离散单元。

最为常用的是根据网格的单元拓化是否具有某种规律对网格进行分类，分为结构网格和非结构网格。结构网格与非结构网格的区别在于，前者包含每个内部网格节点的单元数目都是相同的，而后者则是不确定的。相比结构网格，非结构网格的单元连接方式更加灵活，能更好的控制单元密度变化和适应复杂几何定义，其生成方法拥有较高的自动性及适应自适应计算的能力。

近年来在网格自动生成领域，大量国内外学者开展了网格生成方面的研究，形成了一些全自动网格生成方法，并出现了成熟的商用前处理软件，其中四面体网格生成算法已经很成熟，能满足特定网格离散要求。与此不同的是六面体网格生成方面的研究还很欠缺，尤其是非结构化六面体网格生成仍是瓶颈。针对复杂模型的六面体网格生成研究则更为不足，无法满足研究需求，故十分有必要开展适用于复杂模型的高效六面体非结构化网格生成的研究。

发明内容

本发明的目的在于根据包含复杂三维模型信息文件，基于改进的栅格法来准确且快速的生成非结构化网格，并将得到的网格应用于CFD计算中。

本系统的思路大致可以分为：首先用尺度相同的标准六面体格子来覆盖整个研究域，将落在区域外的格子和与区域边界相交的格子全部去掉，得到初始核心网格，再采用一些手段在未划分的空隙区域划分网格，即完成整个研究域的划分。

根据上述发明构思，本发明的六面体非结构网格自动生成方法包括以下步骤：

步骤一，读入数据源——通过识别STL模型文件方法(奇偶性原则法)确定研究模型以及研究域，通过计算三角形面片间的二面角，对特征边、特征点进行归类，提取区域几何特征；

步骤二，基于模型特征点、特征边、曲率等特征建立加密场，以便控制网格单元尺寸；

步骤三，以八叉树思想为基础，考虑研究域的各个方向的边界约束，采用自内而外栅格法生成核心网格；

步骤四，以最左下角格子为出发点对每一个格子进行区分，把每个方向的边界格子进行分类；