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CFD非结构化网格流场体可视化方法研究

马千里  
【摘要】:体可视化是目前公认的3D标量场可视化的最重要途径。它通过“重采样”与“图像合成”等步骤,直接将由离散的3D数据场生成屏幕图像,能够使用户看穿数据体,深入了解数据场的全局状态和内部细节,在流场可视化中的地位举足轻重。与结构化网格相比,非结构化网格拓扑结构复杂,导致体可视化算法设计和实现困难,时空复杂性高。尤其是,对于CFD数值模拟产生的3D非结构化网格流场数据,还具有数据格式多样、物理特征复杂以及非定常(时变)等特点。复杂的数据对象使已有的体可视化技术在精确性、有效性、实时性等方面面临严峻挑战。本课题面向CFD领域的实际应用需求,针对已有非结构化网格体可视化方法存在的不足之处,深入研究了格心格式数据的高精度绘制、重要物理特征的准确绘制、非结构化网格体数据的清晰绘制、非定常流场体数据的高效绘制等目前流场体可视化中的多个热点和难点问题。所完成的主要工作和创新成果有: 1.针对已有可视化方法只能对CFD非结构化网格格心格式数据完成“间接”绘制而导致的精度和矛盾问题,提出一种非结构化网格格心格式数据直接体可视化方法。该方法直接基于原始格心数据完成数据重构,避免了外推计算,能够获得精度较高的绘制数据;在此基础上,结合迎风型FVM求解思想和Roe平均方法,设计了一种基于双控制体的采样点间断态重构方法,将数值解中的“流间断”信息传递给绘制数据,解决已有可视化方法与数值计算方法的矛盾问题。误差分析和实验结果表明,该方法能明显提高数据重构精度,使绘制结果与数值计算结果更为一致。同时,该方法的有效性并不局限于体绘制,对于其他可视化方法(如等值面提取、流线跟踪等)也同样适用。 2.针对已有3D激波特征提取方法准确性、有效性和适应性差的问题,提出一种非结构化网格流场3D激波特征体可视化方法。该方法利用激波物理特性,结合光线投射体绘制算法优势,基于两级采样计算完成3D激波检测和噪声过滤;在激波检测时,基于压力梯度计算一级采样点处流场的正则马赫数,有效排除了接触间断特征;在此基础上,通过比较二级采样点处流场速度在激波切面上的分量大小来实现噪声的自动识别与过滤,使过滤的有效性不依赖于数据集本身;针对拓扑复杂的3D非结构化网格数据,设计实现了基于GPU的激波特征高效体绘制算法。实验结果表明,该方法具有良好的有效性和适应性,即便对包含多激波特征的复杂流场数据,也具有很高的准确性。 3.针对3D非结构化网格数据采样点梯度计算复杂而导致体光照算法设计和实现困难、实时性差的问题,提出一种高效的非结构化网格数据体光照计算与实现方法。该方法基于格林公式和反转距离外推(或体积加权外推)计算非结构化网格顶点梯度,对于不同类型的非结构化网格单元都具有较高的准确性和良好的适应性;在此基础上,采用单元梯度张量计算采样点梯度,有效降低了计算开销;设计了纹理数据结构,实现了基于GPU的实时体光照算法。实验结果表明,所提出的3D非结构化网格数据体光照方法,能够更加清晰地表现3D流场的局部细节和层次结构;且对较大规模非结构化网格体数据,绘制性能可达到实时交互。 4..针对3D非结构化网格时变流场数据时空一致性不能有效利用而导致动态体绘制时空效率较差的问题,提出一种基于时空一致性的非结构化网格时变流场高效体绘制方法。该方法在分析非结构化网格单元和顶点数据时间一致性的基础上,建立单元和顶点数据时间表,充分利用时间表中的时间一致性信息降低动态采样计算开销;考虑面相邻单元数据的空间一致性,加速光线在数据体中的穿越过程;设计了一种单元和顶点数据相分离的GPU纹理结构以及一种小巧的单元梯度矩阵,明显降低了显存开销;设计了以16步时变数据为单位的数据分组与调度策略,既有效了避免绘制停顿,又使显存纹理结构更为紧致、高效。空间分析和实验表明,该方法不仅明显提高了绘制效率,而且具有更优显存空间利用率,能实现更大网格规模的非结构化网格时变流场体绘制。


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