過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法
2023-05-29 19:23:46 1
專利名稱：過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法
技術領域：
本發明涉及一種過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法，用於冶金等行業的計算機輔助設計計算，屬於計算機圖形學及過程冶金技術領域。
冶金工業中CFD可視化主要是要完成兩個方面的工作，建立流場場景和提供交互工具，建立流場場景即是繪製流場中各個物理量的分布情況。概括其主要內容有a)幾何體與網格的顯示評估；b)計算過程的顯示和流體的結構辨識；c)結果的顯示和分析；d)數據比較。
在冶金工業的CFD可視化實際研究工作中，國內外許多科研人員發現，大量的計算數據無法結合實際模型可視化，目前主要的工作是基於普適的數據處理平臺進行一定的二次開發，這樣的問題有a)不能將中間包的幾何外形、網格數據、流量場、溫度場、濃度場與計算數據相結合，無法實現真正的中間包計算的「可視化」；b)難以實現基於CFD模型計算結果的任意指定截面的濃度場、溫度場數據預處理和可視化工作；c)計算過程和數據的可視化中人機互動困難；d)程序擴展受到普適數據處理平臺的限制，無法實現程序的模塊化，可擴展性差。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中，結合計算機可視化技術，在網格劃分模塊提出基於集合理論的網格劃分方法，充分利用可視化數據(即圖形數據)，實現網格自動劃分。後處理中，實現了濃度場、溫度場等值線的圖形化、速度矢量場圖形化、夾雜物運動數據圖形化，使得CFD大量數據實現有效的可視化。
本發明的方法包括如下具體步驟1、構架繪圖平臺利用VB圖形編程技術設計繪圖平臺，該平臺也用於網格的顯示。在平臺主界面上包括繪製不同圖形，以及線型、線寬及顏色選項。繪圖平臺圖形顯示窗口由三個視圖平面構成，分別實現了繪圖直角坐標系與屏幕坐標系的自動轉換。根據不同中間包外形結構要求，該平臺比例尺可調，以實現其通用化。2、確定繪圖對象的數據結構繪圖平臺可以用來繪製不同的中間包對象。為了能夠使網格自動生成程序準確識別使用者所繪出是哪一種圖形，很有必要確定一種數據結構。數據結構包括圖形說明符號a，相對(或絕對)坐標說明符b，坐標數據c、d、e、f(圓形例外，在坐標數據處只包括c、d、e三項)，線寬g，顏色h。a-h在繪圖時會賦給確定的符號或數據，這樣的數據結構可以將繪出每一個圖形唯一確定下來。3、定義邊界在中間包的結構中，還包括了一些其它結構，如擋渣牆、鋼水進出的管、鋼水液面及塞棒，有時可能在擋渣牆上還有孔。通常情況下，認為邊界是指中間包的外輪廓。本發明中，將這種概念推廣，認為當兩種相位交接的地方即形成了邊界。4、劃分網格對於中間包這種形式的容器，劃分的網格一般採用方形網格。由於對中間包的網格劃分提出了許多規則，如每個方向的網格數範圍(a)，網格間距要求(b)，網格對稱要求(c)，以及網格局部加大劃分密度(d)等。這就給科研人員對不同的中間包生成網格帶來了諸多不便。
由於上述四種網格劃分的規則之間可能會產生某種互相的制約關係，本發明利用集合的思路來解決這個問題，將滿足(a)、(b)條規則的網格線歸為第一類集合，記為A；將滿足第(c)條規則的網格歸為第二類集合，記為B；同理，滿足第(d)條規則的網格歸為第三類集合，記為C。將這三個集合進行劃分層次分類，A屬於第一層次，屬於首先進行劃分的一類網格，B、C均屬於第二層次，是在A網格的基礎上進行劃分，並根據集合交、並算法進行二次劃分，這樣得到了網格劃分初始結果集合D，利用第(d)條規則進行一次所有網格的掃描，將不符合要求的網格線剔除，得到最終的網格結果。
A集合通過初始給定的一個網格數來確定，通常A集合在整幅圖中是均勻分布的，是網格劃分的基礎；B、C集合則是利用在繪圖平臺繪中間包時，同時確定的圖形資料庫中的數據，並根據規則(c)確定。以集合的定義式可以得到D集合的表達式D＝A-E+B+C式中E集合與B、C的取值位置相關，是那些不符合第(c)條規則的網格線的集合，它們實際上是A的子集。5、濃度場、溫度場的實現基本思路是從實際繪圖區域的邊界開始，利用線性插值逐網格追蹤每條等值線，得到各等值線在對應穿過的網格邊上等值點的坐標，然後根據實際需要確定是否需要平滑處理，經過判斷後的處理數據(新的坐標點)存放在一個新的數組或數據鍊表中(視數據量的大小)，再連接這些坐標點即可得到連續的光滑等值線。等值線可以分為從邊界開始到邊界結束的等值線和從內部封閉的等值線兩種情況。其基本原理是首先從繪圖區邊界或內部網格的邊界上求得一個等值點(等值線和網格邊的交點)，然後由該點出發，判斷下一個等值點的坐標，直到下一個等值點落在繪圖區域邊界上或與起點重合，這樣就完成了一條等值線的追蹤。在鄰接等值點的追蹤過程中，實際是對一個網格內的等值線連接問題。分析一個網格內的等值線的連接情況，在已知網格邊上的一個等值點的前提下，可以根據相應情況得到另一個等值點的坐標。
為了得到較為順滑的曲線，必須對曲線進行平滑處理。曲線平滑的方法有T-N方法、Bezier方法、B樣條方法、三次樣條方法或最小二乘方法。
在一般的開發工具都提供了對封閉區域的填充函數。例如在Windows API中提供了函數FillRgn，可是實現對任意封閉多邊形進行填充。因此，等值線的填充算法主要解決如何確定兩條等值線之間的區域，以及確定用什麼顏色(根據設定的顏色標尺)。但是，由於任意兩條等值線之間的區域的形狀極不規則，因此，單純的從確定兩條等值線間的區域的思路出發將會使得問題變得極為複雜，但是我們可以觀察等值線生成的基本規律，利用等值線追蹤方法得到的順序坐標點，並產生封閉等值線區域，然後採用API函數實現對其自動填充。考慮到過程冶金中間包的濃度場、溫度場填充的不同要求，即根據要求填充部分或指定封閉的等值線區域，則需手工拾取封閉區域種子點後再填充該種子點所在封閉區域。6、速度矢量場的實現CFD模型的速度矢量場數據包含了速度矢量分布節點信息(中間包網格節點信息)和速度矢量的信息(速度矢量在空間上的大小、方向)。由於速度矢量分布節點信息數據實際與中間包的物理尺寸同一數量級，而速度矢量的三維空間信息數據的數量級和對應的節點數據的數量級相差甚遠，故可採取的方法有①速度矢量數據的預處理，使得兩者轉換到同一個數量級以便可視化；②採取相對坐標進行程序實現。現已知三維中間包的網格數據和速度矢量在空間三個方向分量的小大。
在三維速度矢量模型中，速度矢量起點坐標A(xi，yi，zi)(i＝1，…，n n為中間包網格劃分的格數)即為中間包的網格節點數據，各列數據對應即為X/Y/Z三個方向上的網格的相對坐標。數據速度矢量的大小AB＝r和方位角分別為α、φ、γ，三維模型根據投影關係簡化為二維平面模型後，可以有如下結論二維X-Y平面(其它平面同理)的絕對坐標分別為
上式中λ為比例係數，c1、c2為常數。7、夾雜物數據的三維動畫模擬顯示採用保存夾雜物在時間序列上的各幀圖像(位圖文件方式)的方式實現夾雜物動畫模擬。
本發明採用了計算機可視化技術，在網格劃分模塊提出基於集合理論的網格劃分方法，充分利用可視化數據(即圖形數據)，實現網格自動劃分，並實現了濃度場、溫度場等值線的圖形化、速度矢量場圖形化、夾雜物運動數據圖形化，使得CFD大量數據實現有效的可視化。解決CFD大量數據的可視化，使整個設計計算便於檢查調整，並使程序實現具有很好的擴展性。具體的有益效果有1、過程冶金CFD模型的大量數據可視化技術是數據可視化研究的一個熱點和難點，本發明可用於冶金等行業的計算機輔助設計計算，具有特別重要意義和實用價值；2、採用模塊化的面對對象的程序實現具有很好的擴展性，可以在現有的基礎上不斷擴充可視化的內容，具有很好的擴展性。
3、算法設計針對性強，可以解決CFD的大量數據的可視化，使得設計計算更加便於檢查和調整。
圖2為本發明網格內等值線連接情況示意圖。
圖3為速度矢量可視化模型示意圖。
圖4為本發明可視化實現的計算機界面顯示。
其中圖4(a)為中間包的繪圖平臺和網格自動生成界面；圖4(b)為中間包濃度場自動生成及圖形顯示界面；圖4(c)為中間包速度場自動生成及圖形顯示界面；圖4(d)為中間包及其濃度場的三維顯示界面；圖4(e)為中間包及其速度場的三維顯示界面；圖4(f)夾雜物動畫模擬界面。
具體實施例方式為了更好地理解本發明的技術方案，以下通過附圖及對本發明的實施方式作進一步描述。1、中間包邊界定義詳解如
圖1所示，1代表管壁邊界，每一個管對應兩個矩形(剖面圖中兩側的管壁)；2代表了擋渣牆邊界，每一堵擋牆也要用矩形繪製；3代表了由液面所圍成的邊界，通常在液面以上就不在被計算程序考慮；4代表了塞棒邊界類型；5、6、8代表中間包外輪廓所形成的邊界；7代表了孔邊界類型；9、10代表了中間包輪廓中出管處的邊界；邊界定義有兩種用途，一種是可以簡化計算的工作量。有限差分法是將原結構劃分成很多小的分塊，如果能得出邊界以外的部分，省去程序對這些部分差分點的計算，可很大提高計算效率，如在液面以上的部分，或在擋渣牆內的部分的差分點都可以省去，而不去計算。另外一個用途是已知了邊界，還可以計算出中間包內鋼水的體積，可供後處理中使用。並且可以由邊界信息確定邊界外差分點的位置，這樣在後處理中只顯示鋼水中的溫度場、濃度場的等值線，雲圖等更符合實際情況。2、濃度場、溫度場的實現時採用的等值線追蹤算法濃度場、溫度場的實現時，需採用等值線追蹤算法。該算法在鄰接等值點的追蹤過程中，實際是對一個網格內的等值線連接問題。分析一個網格內的等值線的連接情況，在已知網格邊上的一個等值點的前提下，可以窮舉為如圖2的8種情況，即可得到另一個等值點的坐標。依次類推，直到下一個等值點落在繪圖區域邊界上或與起點重合，這樣就完成了一條等值線的追蹤。隨後進行等值線的平滑判斷和封閉區域填充處理。3、速度矢量模型在三維速度矢量模型中，速度矢量起點坐標A(xi，yi，zi)(i＝1，…，n n為中間包網格劃分的格數)即為中間包的網格節點數據，各列數據對應即為X/Y/Z三個方向上的網格的相對坐標。數據速度矢量的大小AB＝r和方位角分別為α、φ、γ，三維模型可以根據投影關係簡化為二維X-Y(其他平面同理)平面的模型處理，如圖3所示，可以有如下結論F、E點在二維X-Y平面的絕對坐標分別為 上式中λ為比例係數，λ＝BF/AB＝BE/AB，該係數決定了矢量箭頭圖形的箭羽的長短，一般取λ＝0.4。c1、c2為角度常數，一般分別取190、170。4、本發明實施例對過程冶金(中間包)的CFD模型計算數據的可視化技術分析，採用面向對象的模塊化的程序實現，如圖4所示。(1)圖4(a)為中間包的繪圖平臺和網格自動生成界面，在該平臺上可以實現中間包繪製並結合網格劃分要求，自動劃分網格和產生網格數據。(2)圖4(b)為中間包濃(溫)度場自動生成及圖形顯示界面。濃(溫)度場等值線的層數、標尺顏色、顯示濃(溫)度範圍、顯示中間包及網格等參數均可以通過人機互動進行選擇。(3)圖4(c)為中間包速度場自動生成及圖形顯示界面。速度場的矢量表示依據標準矢量(0.2m/s)顯示，且可以用不同的顏色、箭頭的長短、方向來豐富地表示速度場。中間包各個界面的速度場顯示以及顯示的參數均可以通過人機互動進行選擇和控制。(4)圖4(d)為中間包及其濃度場的三維顯示界面。在該界面可以建立三維中間包對象，然後把相應需要顯示的濃度場通過圖形變換的方法顯示成三維濃度場。顯示界面可以通過輸入的辦法指定。(5)圖4(e)為中間包及其速度場的三維顯示界面。在建立的三維中間包內顯示指定的三個界面的三維速度場。其算法實質是三維模型簡化為二維X-Y平面的模型處理。(6)圖4(f)夾雜物動畫模擬界面。採用在單位間隔時間內(時間序列)創建圖像(位圖文件方式)的方式，並將各幅圖像轉換為連續的多幀圖像的方式，用Windows Media Player等媒體播放器實現夾雜物動畫模擬。
權利要求
1.一種過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法，其特徵在於包括如下具體步驟1)構架繪圖平臺利用VB圖形編程技術設計繪圖平臺，繪圖平臺圖形顯示窗口由三個視圖平面構成，分別實現繪圖直角坐標系與屏幕坐標系的自動轉換；2)確定繪圖對象的數據結構利用繪圖平臺繪製不同的中間包對象，數據結構包括圖形說明符號，相對或絕對坐標說明符，坐標數據，線寬及顏色，將繪出的每一個圖形唯一確定下來；3)定義邊界在中間包的結構中，將中間包的外輪廓中兩種相位交接的地方定義為邊界；4)劃分網格採用方形網格劃分中間包，並利用集合的思路對中間包進行網格劃分，將滿足每個方向的網格數範圍和網格間距要求的網格歸為A類集合，滿足網格對稱要求的網格歸為B類集合，滿足網格局部加大劃分密度的網格歸為C類集合，首先劃分A類網格，在A網格的基礎上進行B、C類網格劃分，並根據集合交、並算法進行二次劃分，得到網格劃分初始結果集合D，利用網格局部加大劃分密度規則進行一次所有網格的掃描，將不符合要求的網格線剔除，得到最終的網格結果；5)濃度場、溫度場的實現從實際繪圖區域的邊界開始，利用線性插值逐網格追蹤每條等值線，得到各等值線在對應穿過的網格邊上等值點的坐標，然後確定是否需要平滑處理，經過判斷後的處理數據或新的坐標點存放在一個新的數組或數據鍊表中，再連接這些坐標點得到連續的光滑等值線；6)速度場的實現根據已知中間包的網格數據和速度矢量在空間三個方向分量的大小，建立三維速度矢量模型，並按照投影關係將其簡化為二維速度矢量模型；7)夾雜物數據的三維動畫模擬顯示採用保存夾雜物在時間序列上的各幀圖像的方式實現夾雜物動畫模擬。
2.如權利要求1所說的過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法，其特徵在於濃度場、溫度場的實現中，等值線分為從邊界開始到邊界結束的等值線和從內部封閉的等值線，首先從繪圖區邊界或內部網格的邊界上求得一個等值點，然後由該點出發，判斷下一個等值點的坐標，直到下一個等值點落在繪圖區域邊界上或與起點重合，完成一條等值線的追蹤。
3.如權利要求1所說的過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法，其特徵在於濃度場、溫度場的實現中，對曲線進行平滑處理採用T-N方法、Bezier方法、B樣條方法、三次樣條方法或最小二乘方法。
4.如權利要求1所說的過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法，其特徵在於濃度場、溫度場的實現中，利用等值線追蹤方法得到順序坐標點，並產生封閉等值線區域，然後採用API函數實現對其自動填充，或手工拾取封閉區域種子點後再填充該種子點所在封閉區域。
全文摘要
一種過程冶金中計算流體力學的數據可視化方法，設計的繪圖平臺分別實現繪圖直角坐標系與屏幕坐標系的自動轉換，利用繪圖平臺繪製不同的中間包對象，將中間包的外輪廓中兩種相位交接的地方定義為邊界，採用基於集合理論的網格劃分法實現中間包網格自動劃分，並實現了濃度場、溫度場等值線的圖形化、速度矢量場圖形化、夾雜物運動數據圖形化，使得CFD大量數據實現有效的可視化。本發明可以在現有的基礎上不斷擴充可視化的內容，具有很好的擴展性，設計計算便於檢查和調整，可用於冶金等行業的計算機輔助設計計算。
文檔編號G06F17/50GK1395196SQ02136429
公開日2003年2月5日 申請日期2002年8月8日 優先權日2002年8月8日
發明者敬忠良, 李建勳, 張世俊, 肖剛 申請人:上海交通大學