一种全域流场的流线并行抽稀方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种全域流场的流线并行抽稀方法及系统，其中，该方法包括：生成流线集；对流线集中的所有流线进行分段得到流线段；以每个流线段为单位，利用并行D

【技术实现步骤摘要】
一种全域流场的流线并行抽稀方法及系统


[0001]本专利技术属于流体力学流动中流动显示
，尤其涉及一种全域流场的流线并行抽稀方法及系统。

技术介绍

[0002]计算流体力学广泛应用在桥梁，超高建筑，汽车和飞机设计、天气预报和气候建模、自然灾害(如地震、飓风、龙卷风)模拟等方面，会产生大量的以速度为基础物理量的矢量场数据，通过对这些数据的分析和可视化，探索内在的物理流动现象，可以指导我们进一步的实现工程优化。流场可视化技术使我们能够直观地获得定性和定量的流动信息，是领域专家非常依赖的一种重要的手段，也是科学可视化的重要研究内容之一。近年来，随着计算能力的提高以及对越来越复杂的流体流动进行仿真分析的要求，流场规模越来越大，各种不同分辨率的流场分析需求也与日俱增，各种原位可视化技术也被广泛应用。
[0003]全域流场是与局部流场相对应的一个概念，它强调了流体所经过的空间或地域分布广，流体流动规律复杂且连续，例如洋流分布，飞行器在飞越群山时出现的气流等。流线是一种广泛使用的可视化技术，用于理解、验证和探索流体流动规律。它的主要挑战之一是如何选择和生成流线。使用大量的流线会导致视觉遮挡和杂乱，而使用少量的流线则可能导致遗漏流动现象的关键特征。
[0004]全域流动特征的多样化细节描述的需求与视觉展示(杂乱与遮挡)约束之间的矛盾催生了多层次和多分辨率流场可视化的研究。分层次分析基于对空间区域的递归分解或区域划分实现，以充分展示重要的流动特征，减少视觉杂乱和遮挡。多分辨率与多尺度的内涵基本一致。对同一流场区域采用不同分辨率或不同尺度表达，反映了对对象的认知的精度、深度与广度，会出现信息的变化。最典型的就是湍流的多尺度分析，不同尺度下湍流呈现出不同的形状与特征。
[0005]流线的多分辨率可视化是在全域流场的多层次细节分析场景下，根据视口调整和用户关注敏感区域的变化，动态调整所显示的流线(包括它们之间的间距，总数量以及它们的采样精度)，以支持实时分析和渲染。
[0006]目前的多分辨率流线可视化仅关注了流线的间距及数量上的变化，而对流线的采样精度的多分辨率方面很少关注。虽然经典的各类高阶龙格库塔流线生成中考虑了采样精度，并提出自适应步长的流线生成方法，但它主要考虑积分过程与实际流场值的误差，而没有考虑多分辨率可视化的需求，导致每条流线产生巨量的采样点，在不同分辨率的可视化场景下，很多采样点不是必要的，影响基于流线的实时渲染性能并产生不必要的海量存储开销。

技术实现思路

[0007]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种全域流场的流线并行抽稀方法及系统，首次实现了流线抽稀，减少流线采样点数据而保证对流动现象的精确
描述，消除了流线可能存在的相交现象，缓解采样点分布不均衡现象，显著降低其存储开销和渲染时间开销，支持大规模多分辨率流线可视化需要。
[0008]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种全域流场的流线并行抽稀方法，包括：生成流线集；对流线集中的所有流线进行分段得到流线段；以每个流线段为单位，利用并行D
‑
P算法进行抽稀处理得到抽稀处理后流线段；利用修补算法处理抽稀处理后流线段中相交线段。
[0009]上述全域流场的流线并行抽稀方法中，使用RK45算法生成流线集。
[0010]上述全域流场的流线并行抽稀方法中，使用RK45算法生成流线集包括如下步骤：
[0011]步骤S1：读入种子点坐标值，通过插值函数获取该种子点的速度矢量，记为采样点；
[0012]步骤S2：使用RK45积分算法，依据前一个采样点坐标，计算积分参数；
[0013]步骤S3：计算积分参数的加权平均值即为流线的下一个采样点的位置；
[0014]步骤S4：计算积分误差；
[0015]步骤S5：如果积分误差大于预设参数，则调整时间步长并重复步骤S2至步骤S4；如果积分误差不小于预设参数，则获得一个新采样点；
[0016]步骤S6：如果对于流线的采样点数量小于总的种子点格式且新采样点还在流场区域范围内，则以此新采样点数据更新，并重复步骤S2至步骤S5，计算下一个采样点；否则，转到步骤S7；
[0017]步骤S7：如果种子点集合中还有没有使用的种子点，提取一个新的种子点，并跳转到步骤S1；否则，流程结束。
[0018]上述全域流场的流线并行抽稀方法中，对流线集中的所有流线进行分段得到流线段包括：计算每个流线中的每个采样点的曲率，然后计算该采样点与前后两个采样点的差异并求平均，得到每个采样点的曲率差；若某个采样点的曲率差大于预设阈值，则该采样点为分割点。
[0019]上述全域流场的流线并行抽稀方法中，在并行D
‑
P算法中，至少有2个线程束，其中有一个专门的线程束作为管理者，其他的线程束作为工作者；其中，管理者线程束用于读取流线段信息，各个流线分段之间是独立处理的，避免了流线采样点差异引起的工作量不平衡；每个工作线者程束处理一个流线段。
[0020]上述全域流场的流线并行抽稀方法中，利用修补算法处理抽稀处理后流线段中相交线段包括：如果线段ab与线段cd判定为相交，则求出交点p，然后取其中一条线段ab所在的流线分段，找到距离p点最近的采样点q，形成2 个线段，即线段aq与线段qb，取代原有线段ab。
[0021]一种全域流场的流线并行抽稀系统，包括：第一模块，用于生成流线集；第二模块，用于对流线集中的所有流线进行分段得到流线段；第三模块，用于以每个流线段为单位，利用并行D
‑
P算法进行抽稀处理得到抽稀处理后流线段；第四模块，用于利用修补算法处理抽稀处理后流线段中相交线段。
[0022]上述全域流场的流线并行抽稀系统中，使用RK45算法生成流线集。
[0023]上述全域流场的流线并行抽稀系统中，对流线集中的所有流线进行分段得到流线段包括：计算每个流线中的每个采样点的曲率，然后计算该采样点与前后两个采样点的差
异并求平均，得到每个采样点的曲率差；若某个采样点的曲率差大于预设阈值，则该采样点为分割点。
[0024]上述全域流场的流线并行抽稀系统中，在并行D
‑
P算法中，至少有2个线程束，其中有一个专门的线程束作为管理者，其他的线程束作为工作者；其中，管理者线程束用于读取流线段信息，各个流线分段之间是独立处理的，避免了流线采样点差异引起的工作量不平衡；每个工作线者程束处理一个流线段。
[0025]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0026](1)本专利技术首次实现了流线抽稀，减少流线采样点数据而保证对流动现象的精确描述；
[0027](2)本专利技术消除了流线可能存在的相交现象，缓解采样点分布不均衡现象；
[0028](3)本专利技术显著降低其存储开销和渲染时间开销，支持大规模多分辨率流线可视化需要。
附图说明
[0029]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全域流场的流线并行抽稀方法，其特征在于包括：生成流线集；对流线集中的所有流线进行分段得到流线段；以每个流线段为单位，利用并行D
‑
P算法进行抽稀处理得到抽稀处理后流线段；利用修补算法处理抽稀处理后流线段中相交线段。2.根据权利要求1所述的全域流场的流线并行抽稀方法，其特征在于：使用RK45算法生成流线集。3.根据权利要求1所述的全域流场的流线并行抽稀方法，其特征在于：使用RK45算法生成流线集包括如下步骤：步骤S1：读入种子点坐标值，通过插值函数获取该种子点的速度矢量，记为采样点；步骤S2：使用RK45积分算法，依据前一个采样点坐标，计算积分参数；步骤S3：计算积分参数的加权平均值即为流线的下一个采样点的位置；步骤S4：计算积分误差；步骤S5：如果积分误差大于预设参数，则调整时间步长并重复步骤S2至步骤S4；如果积分误差不小于预设参数，则获得一个新采样点；步骤S6：如果对于流线的采样点数量小于总的种子点格式且新采样点还在流场区域范围内，则以此新采样点数据更新，并重复步骤S2至步骤S5，计算下一个采样点；否则，转到步骤S7；步骤S7：如果种子点集合中还有没有使用的种子点，提取一个新的种子点，并跳转到步骤S1；否则，流程结束。4.根据权利要求1所述的全域流场的流线并行抽稀方法，其特征在于：对流线集中的所有流线进行分段得到流线段包括：计算每个流线中的每个采样点的曲率，然后计算该采样点与前后两个采样点的差异并求平均，得到每个采样点的曲率差；若某个采样点的曲率差大于预设阈值，则该采样点为分割点。5.根据权利要求1所述的全域流场的流线并行抽稀方法，其特征在于：在并行D
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P算法中，至少有2个线程束，其中有一个专门...

【专利技术属性】
技术研发人员：禹旻，杨武兵，黄智濒，傅广涛，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：