基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法、装置及系统
阅读说明：本技术 基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法、装置及系统 (High-precision geometric model particle dispersion method, device and system based on gridless method ) 是由 孙中国 王�锋 席光 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法、装置及系统,将三维几何模型通过多组面网格进行离散,提取网格节点并生成多个单层壁面粒子,定义法向光滑角度为评判标准,构建可视化离散误差分布图,根据误差图应用变尺度粒子局部嵌套加密技术,在较短的周期内得到精度高且计算资源消耗少的壁面粒子模型。本发明可视化离散精度评估方法可具体有效的指导加密位置以及加密程度,结合先粗后细的离散方案,缩短了建立高精度壁面粒子模型的时间周期；局部嵌套加密技术克服了传统加密技术较难实现相邻网格模块之间的网格加密突跃的困难,可将局部结构进行独立加密并与其他结构直接组合,实现薄壁结构的高精度离散与法向量的准确计算。(The invention discloses a high-precision geometric model particle discretization method, device and system based on a meshless method. The visual discrete precision evaluation method can specifically and effectively guide the encryption position and the encryption degree, and shortens the time period for establishing the high-precision wall particle model by combining a coarse-then-fine discrete scheme; the local nested encryption technology overcomes the difficulty that the traditional encryption technology is difficult to realize the mesh encryption leap between adjacent mesh modules, can independently encrypt the local structure and directly combine the local structure with other structures, and realizes the high-precision dispersion of the thin-wall structure and the accurate calculation of a normal vector.)
技术领域
本发明属于几何模型粒子离散领域，涉及一种基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法、装置及系统。
背景技术
无网格法基于流体质点概念，在拉格朗日框架下采用没有固定拓扑关系的离散粒子代替网格与节点，适用于计算非定常大变形流动，无需对流通域进行分块处理，可整体离散模型、整体求解流场，在工程问题流场计算领域具有较大潜力；然而，复杂形状的三维建模一直是制约无网格粒子法应用于工程实际问题的难点之一，现有研究针对的几何模型大多较为规则且不存在尖角或薄壁结构，使用的壁面边界均是布置三层壁面粒子并使内壁面粒子参与压力计算，但对于存在复杂回转面、尖角以及细长弯扭叶片的工程问题如流体机械的内流仿真，较难用传统方法直接布置，布置精度不足引起的粒子数密度缺失也会导致粒子穿透等非物理现象；基于距离函数的单层壁面模型常用于离散复杂几何壁面，但直接引入距离函数容易导致近壁面流体粒子压力剧烈波动，进而影响计算的稳定性；此外，壁面函数在三维情况较难准确补偿粒子数密度缺失，参与压力计算的边界粒子容易增加计算量。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法、装置及系统，将三维几何模型通过多组面网格进行离散，提取网格节点并生成多个单层壁面粒子模型，定义法向光滑角度为评判标准，构建可视化离散误差分布图，根据误差图应用变尺度粒子局部嵌套加密技术，从而在较短的周期内得到精度高且计算资源消耗少的壁面粒子模型。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法，包括：
步骤1：对三维几何模型进行若干组面网格离散处理，提取网格节点并对应生成壁面粒子模型；
步骤2：对壁面粒子模型进行处理，得到离散精度数值和离散误差分布图；
步骤3：观察若干组单分辨率离散误差图，划分部件并确定各部件所需分辨率；
步骤4：对各部件三维几何模型应用不同分辨率的面网格进行独立离散，获得不同分辨率的粒子模型；
步骤5：将不同分辨率的粒子模型进行拼接，获取多分辨率粒子模型；
步骤6：对多分辨率粒子模型进行数据处理，导入离散精度评估程序，获取误差分布图与离散精度数值；
步骤7：根据误差分布图与离散精度数值判断是否达到所需的离散精度，若是执行步骤8；若否，针对精度不足部件采用高分辨率离散并进行局部嵌套，重复步骤4、步骤5、步骤6和步骤7；
步骤8：输出新的壁面粒子模型。
本发明的进一步改进在于：
步骤1中的若干组面网格中的每一组面网格单元尺寸数均不同，在对三维几何模型进行若干组面网格离散处理之前还包括：确定用于网格单元尺寸数，生成尺寸序列。
面网格为非结构三角网格，网格单元尺寸小于流体粒子直径。
步骤2中对壁面粒子模型进行处理，得到离散精度数值和离散误差分布图，包括：对壁面粒子模型进行壁面粒子法向量计算，再将包含法向量的粒子数据导入离散精度评估程序，得到离散精度数值和离散误差分布图。
壁面粒子法向量计算方法基于局部表面拟合，采用MESHLAB软件进行计算。
离散精度评估方法基于法向光滑角度，壁面粒子i的法向光滑角度由下式计算：
其中ni为i粒子的法向量；nik为i粒子周围第k搜索方向内最近壁面粒子的法向量；D为搜索方向数目；输出每个粒子的空间位置并用颜色分布表示其NSA数值大小，得到离散误差分布图；NSA表示为法向光滑角度；
模型的离散精度通过将每个壁面粒子的NSA数值取标准差计算得：
其中，为壁面粒子的法向光滑角度的平均值。
局部嵌套为采用高分辨率离散精度不足的部件，得到满足精度要求的新壁面粒子模型，在新壁面粒子模型中仅保留步骤7中离散精度不足的部件，删除其余粒子，将该部件高分辨率粒子数据与步骤7中满足精度的部件进行嵌套，得到局部嵌套加密后的壁面粒子模型。
基于无网格法的高精度几何模型粒子离散系统，包括：
第一处理模块，所述第一处理模块用于对三维几何模型进行若干组面网格离散处理，提取网格节点并对应生成壁面粒子模型；
第二处理模块，所述第二处理模块用于对壁面粒子模型进行处理，得到离散精度数值和离散误差分布图；
划分模块，所述划分模块用于观察若干组单分辨率离散误差图，划分部件并确定各部件所需分辨率；
离散模块，所述离散模块用于对各部件三维几何模型应用不同分辨率的面网格进行独立离散，获得不同分辨率的粒子模型；
拼接模块，所述拼接模块用于将不同分辨率的粒子模型进行拼接，获取多分辨率粒子模型；
第三处理模块，所述第三处理模块用于对多分辨率粒子模型进行数据处理，导入离散精度评估程序，获取误差分布图与离散精度数值；
判断模块，所述判断模块用于根据误差分布图与离散精度数值判断是否达到所需的离散精度；若否，针对精度不足部件采用高分辨率离散并进行局部嵌套；
输出模块，所述输出模块用于输出新的壁面粒子模型。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的壁面建模方法适用于任意复杂三维几何模型，方便快捷，实现了任意几何的无网格法粒子法流场计算。
本发明的可视化离散精度评估方法可具体有效的指导加密位置以及加密程度，结合先粗后细的离散方案，大大缩短了建立高精度壁面粒子模型的时间周期。
本发明的局部嵌套加密技术克服了传统加密技术较难实现相邻网格模块之间的网格加密突跃的困难，可将局部结构进行独立加密并与其他结构直接组合，实现薄壁结构的高精度离散与法向量的准确计算。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法流程示意图；
图2为离散用叶轮几何模型图；
图3为壁面粒子模型建立原理图；
图4为6组单一分辨率离散后误差对比分布图；
其中，a为采用分辨率为0.6的粒子离散叶轮的误差分布图；
b为采用分辨率为0.4的粒子离散叶轮的误差分布图；
c为采用分辨率为0.3的粒子离散叶轮的误差分布图；
d为采用分辨率为0.2的粒子离散叶轮的误差分布图；
e为采用分辨率为0.1的粒子离散叶轮的误差分布图；
f为采用分辨率为0.08的粒子离散叶轮的误差分布图；
图5为多分辨率壁面粒子模型的构建过程示意图；
图6为多分辨率壁面粒子模型的误差分布图；
图7为基于无网格法的高精度几何模型粒子离散系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1公开一种基于无网格法的高精度几何模型粒子离散方法，包括：
步骤1，确定用于初步计算的网格单元尺寸数，对于图2所示叶轮模型，采用6套单一分辨率面网格进行离散，生成的尺寸序列为[0.6，0.4，0.3，0.2，0.1，0.08]；初步离散用的尺寸与具体模型相关，但需保证最小尺寸能获得整体高精度的粒子模型；初始划分的尺寸数越多，后续步骤中越容易确立各部件所需的局部精度，构造的多分辨率壁面粒子模型所需粒子数越少，精度越高。
步骤2，用以上6组尺寸的面网格依次离散几何模型并对应生成粒子模型；以子弹头几何为例，离散原理如图3所示；将得到的6个粒子模型利用MESHLAB软件进行壁面粒子法向量计算；再将包含法向量的粒子数据导入离散精度评估程序，得到各个模型的离散精度数值，参见表1，表1为各个模型离散精度数据，将每个壁面粒子的法向光滑角度数值用颜色表达并在空间内描绘出各个粒子的位置，即可得到离散误差分布图，如图4所示，颜色越深代表法向光滑角度越小，离散精度越高。
表1各个模型离散精度数据
步骤3，观察多组单分辨率离散误差图，划分部件并确定各部件所需分辨率；首先根据离散误差分布图划分部件，如图4所示，曲率相近的型面会在该图中呈现相近的颜色；据此，叶轮可划分为4个部件：1、叶轮前后盖板靠近出口侧的型面以及进口管道；2、叶轮前后盖板靠近进口侧的型面；3、轮毂顶部大圆角和叶片；4、叶片小圆角曲面以及侧壁面；然后根据所需整体模型的目标精度确定每个部件的离散精度，目标精度依据具体计算情况而定；例如，以0.08粒子尺度下小圆角曲面的离散精度作为目标精度，标记该颜色；对于部件1，当离散精度为0.6时，该部件的颜色已经比标记的颜色更深，如图4中的a所示，说明采用0.6分辨率的粒子离散部件1时，得到的该部件的壁面粒子模型已达到所需目标精度；对于其余3个部件，采用同样的方法判定所需分辨率；可得部件2所需分辨率为0.4；部件3所需分辨率为0.3；部件4所需分辨率为0.08；将叶轮几何模型依据上述粒子尺度分部件离散为粒子，进行拼接后即可得到所需多分辨率粒子模型，拼接过程如图5所示，图5中从左至右依次为叶轮几何模型、叶轮各部件几何模型、叶轮各部件多分辨率粒子模型和叶轮多分辨率粒子模型。
步骤4，计算多分辨率粒子模型的壁面粒子法向量，并导入离散精度评估程序，输出误差分布图与离散精度，如图6所示，离散精度为3.37×10-2，壁面粒子总数为438386，而单一尺度粒子要达到精度3.43×10-2，所需的壁面粒子数为700105。
步骤5，输出建立的高精度壁面粒子模型。
参见图7，图7公布了一种基于无网格法的高精度几何模型粒子离散系统，包括：
第一处理模块，对三维几何模型进行若干组面网格离散处理，提取网格节点并对应生成壁面粒子模型；
第二处理模块，对壁面粒子模型进行处理，得到离散精度数值和离散误差分布图；
划分模块，观察若干组单分辨率离散误差图，划分部件并确定各部件所需分辨率；
离散模块，对各部件三维几何模型应用不同分辨率的面网格进行独立离散，获得不同分辨率的粒子模型；
拼接模块，将不同分辨率的粒子模型进行拼接，获取多分辨率粒子模型；
第三处理模块，对多分辨率粒子模型进行数据处理，导入离散精度评估程序，获取误差分布图与离散精度数值；
判断模块，根据误差分布图与离散精度数值判断是否达到所需的离散精度；若否，针对精度不足部件采用高分辨率离散并进行局部嵌套；
输出模块，输出新的壁面粒子模型。
本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。