一种基于NURBS的粒子数据特征可视化方法与流程

一种基于nurbs的粒子数据特征可视化方法
技术领域
1.本发明涉及无网格粒子法物理场计算仿真技术领域，具体涉及一种基于nurbs的粒子数据特征可视化方法。


背景技术：

2.物理场计算仿真是科学和工程领域重要的基础研究手段，随着数学理论和计算机技术的不断发展，基于拉格朗日观点的无网格粒子法逐渐被学界和工程界所认可。与基于欧拉观点的网格法不同，无网格粒子法中把连续体用有限数量的粒子运动来离散，所有的力学物理量都由粒子承担；而网格法中连续体被离散为有限数量的单元，承载物理量的是单元的节点。两者虽然均对连续体进行了离散，但离散的形式截然不同。网格法的节点位置是固定不动的，而无网格粒子法中，承载物理信息的粒子位置时刻变化。正是由于这样的无网格粒子法物理信息表征形式，使用无网格粒子法得到的物理场计算结果是空间中离散点的数值，空间连续性极差，甚至没有粒子填充的空间就没有物理场数值。
3.nurbs的含义是非均匀有理b样条，其发展的最初目的是为了得到统一数学表达表达且易于计算机处理的光滑曲线，nurbs实际上是在一组(多个)区间上分段定义的bezier曲线，它的特殊之处在于，用户不需要维护分段之间的连续性，n阶nurbs天然拥有直到c
n-1
级的连续性，因此可以在比较低的阶次下做出复杂的图形。样条函数主要由两部分组成，分别是样条基函数和控制点，两者可以控制曲线、曲面的形状，更改任意变量都可以改变模型的形状。nurbs的这一特性有望改善无网格粒子法的粒子数据特征。
4.无网格粒子法的仿真结果表达形式难以与网格法结果相比较，也难以与真实物理场相匹配，这一技术瓶颈极大的限制了无网格粒子法在科学和工程领域的应用。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于nurbs的粒子数据特征可视化方法，确保无网格粒子法的仿真结果与真实物理场的一致性。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种基于nurbs的粒子数据特征可视化方法，包括以下步骤：
8.1)粒子物理信息提取；
9.2)计算域投影网格划分；
10.3)粒子物理信息投影；
11.4)物理信息插值重构；
12.5)物理信息图像化表达。
13.所述的粒子物理信息提取包括粒子信息的输出与保存；粒子物理信息提取指将无网格粒子法中计算得到的粒子物理信息输出到文本文件中；需要输出保存的粒子信息包括：粒子的x、y、z坐标及粒子的物理场数值，如果物理场数值是一个矢量则输出各个方向的分量。
14.所述的计算域投影网格划分包括计算域边界的获取和投影网格划分；计算域边界的获取是获取所有粒子的位置坐标边界，从而准确划分计算域的范围；投影网格的划分是在划分出的设计域内划分出的方形网格，其作用是将提取到的粒子向网格内投影，从而将分布不均匀的离散点的信息投影到规则分布且布满设计域的网格中。
15.所述的粒子物理信息投影包括粒子坐标投影和物理信息均匀化；粒子坐标投影是指根据粒子的位置坐标将其分散到各个网格中，粒子不再是单独的个体，而是依据位置分组，分组与网格对应；物理信息均匀化是指根据粒子的分组，将同一组粒子上携带的物理场信息数据取平均值作为该网格的物理场数据值，也就是nurbs控制点数值。
16.所述的物理信息插值重构包括计算域再离散化、nurbs基函数构造、控制点物理信息插值；计算域再离散化指在已有的投影网格的基础上，将计算域再细分为更细密的重构网格，重构网格的节点作为插值重构的数据采样点，用于展示插值结果；nurbs基函数的构造指使用控制点信息进行插值时，需要一组基函数实现控制点信息到采样点信息的映射，一个p次的nurbs基函数表示为：
[0017][0018]
其中，r
i,p
为p次的nurbs基函数，n
i,p
(ξ)(i＝0,1,2,...,n)为定义在采样点向量ξ＝{ξ0ξ1...ξ
n p 1
}上的p次b样条基函数，ξ为采样点坐标，ωi为权因子；控制点物理信息插值指每一个采样点的物理场值由与之相关的控制点信息及对应的基函数插值得到，p次的nurbs曲线表示为：
[0019][0020]
其中，r(ξ)为nurbs曲线，r
i,p
(ξ)为定义在采样点向量ξ＝{ξ0ξ1...ξ
n p 1
}上的p次有理b样条基函数，pi为控制点，ωi为权因子。
[0021]
本发明的有益效果是：
[0022]
本发明所提供的一种基于nurbs的粒子数据特征可视化方法创造性地采用粒子投影和nurbs插值手段，有效实现了拉格朗日观点下无网格粒子法仿真结果的欧拉形式表达，打破了无网格粒子法和网格法的结果表达壁垒，通过统一的表达形式更加准确的表达了无网格粒子法的物理场仿真结果，提高了无网格粒子法物理场仿真的结果表征能力，为无网格粒子法物理场计算仿真的更广泛应用打下了坚实的基础。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例1微流道散热器结构图。
[0024]
图2是本发明的方法流程图。
[0025]
图3是本发明实施例1的计算域投影网格示意图。
[0026]
图4是本发明的粒子投影算法示意图。
[0027]
图5是本发明使用的部分nurbs基函数示意图。
[0028]
图6是未采用本发明方法的实施例1速度结果散点图。
[0029]
图7是采用本发明方法重构的实施例1的速度结果云图。
[0030]
图8是本发明实施例2第一类边界导热模型图。
[0031]
图9是本发明实施例2的计算域投影网格示意图。
[0032]
图10是未采用本发明方法的实施例2温度结果散点图。
[0033]
图11是采用本发明方法重构的实施例2的温度结果云图。
具体实施方式
[0034]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本发明方法可用于各种场景下的粒子法物理场分析结果表示。
[0035]
如图1所示，实施例1是微流道散热器，主要包括入口1、微流道2、出口3，流体从入口1流入，流经微流道2，从出口3流出；微流道2总尺寸85mm
×
85mm
×
17mm，流道最大宽度12mm，总计5条分支流道；入口速度为1.6m/s，流动介质为水，温度为25℃。
[0036]
实施例1，参照图2，一种基于nurbs的粒子数据特征可视化方法，包括以下步骤：
[0037]
1)粒子物理信息提取；
[0038]
2)计算域投影网格划分；
[0039]
3)粒子物理信息投影；
[0040]
4)物理信息插值重构；
[0041]
5)物理信息图像化表达，可以实现无网格粒子法物理场仿真结果的经典欧拉形式表达。
[0042]
所述的粒子物理信息提取包括粒子信息的输出与保存；粒子物理信息提取指将无网格粒子法中计算得到的粒子物理信息输出到文本文件中，以便进行后续处理；需要输出保存的粒子信息包括：粒子的x、y、z坐标及粒子的物理场数值，如果物理场数值是一个矢量则输出各个方向的分量。
[0043]
如图3所示，所述的计算域投影网格划分包括边界的获取和投影网格划分；计算域边界的获取是获取所有微流道散热器中流场粒子的位置坐标边界，从而准确划分微流道散热器的范围，确保囊括所有粒子；投影网格的划分是在划分出的微流道散热器范围内划分出的方形网格，其作用是将提取到的粒子向网格内投影，从而将分布不均匀的离散点的信息投影到规则分布且布满设计域的网格中，通过这种投影方式将拉格朗日观点下的无网格粒子法仿真结果与欧拉观点结合起来；
[0044]
如图4所示，所述的粒子物理信息投影是指根据微流道冷板中流场粒子的位置坐标将其分散到各个网格中，粒子不再是单独的个体，而是依据位置分组，分组与网格对应；根据粒子的分组，将同一组粒子上携带的速度数据取平均值作为该处网格的速度值，也就是nurbs控制点数值；
[0045]
如图5所示，本发明采用nurbs插值思想对微流道散热器中的流场粒子的速度信息插值重构。
[0046]
所述的nurbs基函数指使用控制点信息进行插值时，需要一组基函数实现控制点信息到采样点信息的映射；一个p次的nurbs基函数可表示为：
[0047][0048]
其中r
i,p
为p次的nurbs基函数，ξ为采样点坐标，n
i,p
(ξ)(i＝0,1,2,...,n)为定义在采样点向量ξ＝{ξ0ξ1...ξ
n p 1
}上的p次b样条基函数，ωi为权因子；控制点物理信息插值指每一个采样点的物理场值由与之相关的控制点信息及对应的基函数插值得到；p次的nurbs曲线可以表示为：
[0049][0050]
其中，r(ξ)为nurbs曲线，r
i,p
(ξ)为定义在采样点向量ξ＝{ξ0ξ1...ξ
n p 1
}上的p次有理b样条基函数，pi为控制点，ωi为权因子。
[0051]
如图6所示，未经过本发明方法处理的微流道散热器速度场结果是空间离散化的，以粒子为单位，以散点图的形式呈现，连续性较差，且只能保证特定位置的速度结果。
[0052]
如图7所示，经过本发明处理后的微流道散热器速度场结果不再以粒子为单位呈现，而是与经典的欧拉网格法仿真结果的形式相同，可以获取空间内任意一点的速度结果而摆脱了粒子位置的依赖。
[0053]
实施例2采用第一类边界导热问题为例，如图8所示，图中矩形高温边界处的温度为400k，内部液体温度为300k，液体种类为水。
[0054]
实施例2，参照图2，一种基于nurbs的粒子数据特征可视化方法，包括以下步骤：
[0055]
1)粒子物理信息提取；
[0056]
2)计算域投影网格划分；
[0057]
3)粒子物理信息投影；
[0058]
4)物理信息插值重构；
[0059]
5)物理信息图像化表达，可以实现无网格粒子法物理场仿真结果的经典欧拉形式表达。
[0060]
所述的粒子物理信息提取包括粒子信息的输出与保存；粒子物理信息提取指将无网格粒子法中计算得到的粒子物理信息输出到文本文件中，以便进行后续处理；需要输出保存的粒子信息包括：粒子的x、y、z坐标及粒子的物理场数值，如果物理场数值是一个矢量则输出各个方向的分量。
[0061]
如图9所示，所述的计算域投影网格划分包括边界的获取和投影网格划分；计算域边界的获取是获取所有矩形区域内温度场粒子的位置坐标边界，从而准确划分导热问题的求解范围，确保囊括所有粒子；投影网格的划分是在划分出的热传导范围内划分出的方形网格，其作用是将提取到的粒子向网格内投影，从而将分布不均匀的离散点的信息投影到规则分布且布满设计域的网格中，通过这种投影方式将拉格朗日观点下的无网格粒子法仿真结果与欧拉观点结合起来。
[0062]
如图4所示，所述的粒子物理信息投影是指根据热传导区域中粒子的位置坐标将其分散到各个网格中，粒子不再是单独的个体，而是依据位置分组，分组与网格对应；根据粒子的分组，将同一组粒子上携带的温度数据取平均值作为该处网格的速度值，也就是
nurbs控制点数值；
[0063]
如图5所示，本发明采用nurbs插值思想对对第一类边界导热问题的粒子温度信息插值重构。
[0064]
所述的nurbs基函数指使用控制点信息进行插值时，需要一组基函数实现控制点信息到采样点信息的映射；一个p次的nurbs基函数可表示为：
[0065][0066]
其中r
i,p
为p次的nurbs基函数，ξ为采样点坐标，n
i,p
(ξ)(i＝0,1,2,...,n)为定义在采样点向量ξ＝{ξ0ξ1...ξ
n p 1
}上的p次b样条基函数，ωi为权因子；控制点物理信息插值指每一个采样点的物理场值由与之相关的控制点信息及对应的基函数插值得到；p次的nurbs曲线可以表示为：
[0067][0068]
其中，r(ξ)为nurbs曲线，r
i,p
(ξ)为定义在采样点向量ξ＝{ξ0ξ1...ξ
n p 1
}上的p次有理b样条基函数，pi为控制点，ωi为权因子。
[0069]
如图10所示，未经过本发明方法处理的粒子法计算的第一类边界条件的导热问题结果是空间离散化的，以粒子为单位，以散点图的形式呈现，连续性较差，且只能保证特定位置的温度结果。
[0070]
如图11所示，经过本发明处理后的第一类边界导热问题的温度场也与经典的欧拉网格法仿真结果的形式相同，可以获取空间内任意一点的温度。保证了无网格粒子法和网格法仿真结果之间具有较高的可比性，也更加便于与实验数据对比，提高了无网格粒子法物理场仿真的结果表征能力，为无网格粒子法物理场计算仿真的更广泛应用打下了坚实的基础。