一种超大规模计算网格重构方法技术

本发明专利技术公开了一种超大规模计算网格重构方法,采用耦合空间网格和边界条件进行全场联合解析的方式获取各块网格的标志点，完全真实还原原始网格的关键信息；并在此基础上采用动态内存分配技术进行各块独立重构，避免了网格过大造成内存溢出的这一商业软件通病，使得利用个人电脑获得超大规模（百亿级以上）计算网格变为可能；通过统一管理全场网格的关联信息，可以在个人电脑上实现大型计算机集群才能获得的超大规模计算网格，目前本技术发明专利技术人已经在普通电脑上获得了千亿级复杂外形的高质量计算网格，而商业软件在同一台电脑上只能获得2‑4亿级计算网格。

【技术实现步骤摘要】
一种超大规模计算网格重构方法
本专利技术涉及计算领域，尤其涉及一种超大规模计算网格重构方法。
技术介绍
对目前的计算流体力学CFD(ComputationalFluidDynamics)来说，尽管各种非结构和混合网格方法发展迅猛，但是传统的结构网格方法依然处于主流地位。然而结构网格方法中计算网格的生成是一项非常重要而且相当耗时的工作，从实际使用来看，计算网格的规模和壁面附近边界层内网格的密度对流场数值模拟的结果有着举足轻重的影响，即便网格拓扑结构适当，如果没有足够的规模和密度，也很可能导致计算结果与实际情况差距较大，对于目前被广泛运用的雷诺平均NS方程（RANS），到底需要多大的网格规模才能获得更接近于真实流场的模拟结果，也是一个被广为讨论和研究的问题，为此CFD领域还专门出现了一个被称为“网格收敛性”的专项验证内容：采用一系列相同拓扑结构但是不同规模和密度的计算网格对同一个流场状态进行模拟，并逐步将网格加得非常细密，以至于RANS控制方程对这个状态无法获得更加精细的流场结构，最后流场解趋于收敛。但是要获得这个收敛过程并不容易，特别是在网格拓扑结构不变的情况下，怎样不改变原始网格正交性和光滑性同时均匀地对网格进行加密是一个亟待解决的问题。现有的计算网格生成工作一般是通过具有图形界面的商业网格生成软件来实现的，典型的商业软件包括pointwise，ICEM，gridpro等等。然而此类商业软件都有一个共同的缺陷是，当需要生成超大规模计算网格时，要么由于内存需求过大导致无法生成，要么因为算法不适用而导致软件崩溃，对商业网格软件来说，数亿网格单元量级的计算网格还勉强可以输出，但是当规模达到十亿，百亿甚至千亿时，商业软件已经完全无能为力了。这就给网格生成工作制造了一个明显的瓶颈，也给超大规模的CFD数值模拟工作带来了巨大的困扰。
技术实现思路
本专利技术基于主流商业软件的边界条件格式（兼容pointwise和ICEM），对结构网格提出了一种计算网格重构方法，其目的在于：第一：能够在不改变网格拓扑的情况下对计算网格进行空间和表面重构，均匀缩小或者增大网格规模，为CFD的流场求解提供一系列疏密不同的计算网格；第二：大大降低网格收敛性计算的网格生成的工作量，只要生成一套基准网格，再利用本方法进行缩放，就可以获得一系列不同规模的满足网格收敛性要求的计算网格；第三：通过独立分块的内存管理，使得在个人PC上也能生成千亿级别的超大计算网格，解决传统商业软件对超大网格生成问题的困扰，使CFD计算规模和计算精度更上一个台阶。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种超大规模计算网格重构方法,包括以下步骤：步骤一：读取原始计算网格空间点坐标和边界条件；步骤二：建立各网格块的边界分段索引；步骤三：根据本块网格的边界条件，获得本块网格各窗口面上的内部标志点信息；步骤四：填充各网格块棱线坐标，获取坐标极值等内部信息；步骤五：对计算网格全空间域进行搜索，获得本块网格与其他块相关联的外部标志点；步骤六：根据加密系数，在保证两端距离等比例放大的情况下，对网格块的棱线进行重分布；步骤七：以所有标志点为分段点，根据加密系数和原始线段分布规律对窗口边界线进行重分布；步骤八：进行二维TFI，重构窗口面并利用模糊法线方向投影方法进行投影，在保证投影精度的同时保持原有网格分布；步骤九：进行三维标准TFI，重构空间网格块；步骤十：对加密后的空间网格块进行检查，输出相关信息。在上述技术方案中，网格块内六个面上所有内部窗口的边界点、所有相邻线段曲率变化超过30%或者长度比例超过40%的点，均记为内部标志点。在上述技术方案中，将网格块内的内部标志点与其相邻网格块的内部标志点进行比较，如有不重合的标志点，均记为本块网格块与其他网格块相关的外部标志点。在上述技术方案中，在获取网格块信息过程中，如果需要可以读入用来投影的参数化物面网格文件，并定位所属网格块和窗口。在上述技术方案中，所述参数化物面网格文件是将物面参数化，在网格生成软件中单独输出一套高密度的表面网格。在上述技术方案中，所述模糊法线方向投影方法采用投影区域的一块区域的平均法线作为某个物面单元的投影方向，当投影物面单元沿两个方向移动时，投影区域也随之小幅平移，这样就可以使得即便物面单元曲率变化较大，投影方向不会出现剧烈的变动。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：采用耦合空间网格和边界条件进行全场联合解析的方式获取各块网格的标志点，完全真实还原原始网格的关键信息；并在此基础上采用动态内存分配技术进行各块独立重构，避免了网格过大造成内存溢出的这一商业软件通病，使得利用个人电脑获得超大规模（百亿级以上）计算网格变为可能；通过统一管理全场网格的关联信息，可以在个人电脑上实现大型计算机集群才能获得的超大规模计算网格，目前本技术专利技术人已经在普通电脑上获得了千亿级复杂外形的高质量计算网格，而商业软件在同一台电脑上只能获得2-4亿级计算网格；采用与原始壁面网格分布相同的方式对外形数模进行参数化，这种方法可以在不增加工作量的情况下尽可能精确地描述原始外形，使得最终加密得到的超大规模计算网格外形与真实外形尽可能地接近；采用模糊法线方向投影技术对壁面网格进行投影，可以保证投影方向随壁面型线缓慢变化，既能避免过大的法向差异造成相邻网格的投影线交叉，出现网格负扭；又能解决单块壁面曲率变化过大使得固定方向投影方式出现分布不均匀的情况。该项技术不仅大大提高壁面网格投影的适应性，而且对于保持原始网格分布规律具有非常明显的效果。这一点对于计算流体动力学来说也至关重要。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是模糊法线方向投影技术示意图；图2是重构之前的原始网格空间分布；图3是重构之后的加密网格空间分布；图4是重构之前的原始网格截面分布；图5是重构之后的加密网格截面分布；图6是某巡航构型标模1114亿单元网格的表面网格和局部放大图；其中：1是固定方向投影，2是局部法线投影，3是模糊法线投影，图1中具有不同颜色的线条仅仅是起到区别的作用，颜色在图中并不表示任何特定含义。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。本专利技术针对商业软件生成超大网格时面临的内存消耗过大和算法冗长复杂导致时间消耗过多的问题，利用已生成的原始结构网格的拓扑结构，发展一套无损重构方法，通过解析原始网格的关键信息，包括各网格块8个顶点位置，12条棱线的形状和分布，各窗口面的分布等等，利用样条插值对空间曲线重分布，同时在完整保留原始网格关键信息的情况下，采用超限插值方法(TFI,TransFiniteInterpolation)和壁面模糊法线投影技术对原始网格进行重构，并最终获得超大规模计算网格。由于本方法是先提取各网格块的关联信息后，分块对原始网格进行独立的重构操作，所以通过合理分块，本方法获得的计算网格规模没有上限，理论上可以到无穷大。这种重构技术可以在普通PC电脑上实现千亿至万亿级的CFD计算网格生成。具体流程为：读取原始计算网格空间点坐标和边界条件；建立各网格块的边界分段索引；根据本块网格的边界条件，获得本块网格各窗口面上的内部标志点信息；填充各网格块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超大规模计算网格重构方法,其特征在于包括以下步骤：步骤一：读取原始计算网格空间点坐标和边界条件；步骤二：建立各网格块的边界分段索引；步骤三：根据本块网格的边界条件，获得本块网格各窗口面上的内部标志点信息；步骤四：填充各网格块棱线坐标，获取坐标极值等内部信息；步骤五：对计算网格全空间域进行搜索，获得本块网格与其他块相关联的外部标志点；步骤六：根据加密系数，在保证两端距离等比例放大的情况下，对网格块的棱线进行重分布；步骤七：以所有标志点为分段点，根据加密系数和原始线段分布规律对窗口边界线进行重分布；步骤八：进行二维TFI，重构窗口面并利用模糊法线方向投影方法进行投影，在保证投影精度的同时保持原有网格分布；步骤九：进行三维标准TFI，重构空间网格块；步骤十：对加密后的空间网格块进行检查，输出相关信息。

【技术特征摘要】
1.一种超大规模计算网格重构方法,其特征在于包括以下步骤：步骤一：读取原始计算网格空间点坐标和边界条件；步骤二：建立各网格块的边界分段索引；步骤三：根据本块网格的边界条件，获得本块网格各窗口面上的内部标志点信息；步骤四：填充各网格块棱线坐标，获取坐标极值等内部信息；步骤五：对计算网格全空间域进行搜索，获得本块网格与其他块相关联的外部标志点；步骤六：根据加密系数，在保证两端距离等比例放大的情况下，对网格块的棱线进行重分布；步骤七：以所有标志点为分段点，根据加密系数和原始线段分布规律对窗口边界线进行重分布；步骤八：进行二维TFI，重构窗口面并利用模糊法线方向投影方法进行投影，在保证投影精度的同时保持原有网格分布；步骤九：进行三维标准TFI，重构空间网格块；步骤十：对加密后的空间网格块进行检查，输出相关信息。2.根据权利要求1所述的一种超大规模计算网格重构方法,其特征在于网格块内六个面上所有内部窗口的边界点、所有相邻线段曲率...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪俊武，孙岩，孟德虹，李伟，杨小川，王运涛，张书俊，王昊，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51