[发明专利]面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及流场数据分析技术领域，尤其涉及一种非定常三维流场的涡结构自动分析方法。

背景技术

流体的涡旋运动是工程和自然界中普遍存在的一种流动现象，对产品设计有重要的影响。例如，在机翼周围产生的涡，既有可能增强其升力，也有可能产生强烈的湍流，导致结构疲劳和失效。在汽车周围产生的涡会增加阻力，产生噪音，并且有可能在雨中影响视线。因此，分析涡的生成、运动、变化规律非常重要。

当前学界对定常条件下涡的生成机制及其稳定性已有一般共识，但对非定常情况下涡运动的机理还在继续探索之中。 对于非定常复杂流场，常规的分析方法主要是可视化技术，如流线、迹线抽取，等值面抽取，体绘制和纹理映射等。但流线、迹线等矢量可视化方法在复杂流场中很难选定适当的种子点来表达流场的整体特征，结果往往含有大量冗余信息。等值面和颜色映射主要针对标量场，可以反应激波等特征的位置，但对于矢量场分析作用较少，同时等值面的合理取值也需要反复手工尝试。体绘制和纹理映射具有较好的绘制效果，能显示流场某些方面的全局信息，但体绘制主要针对标量数据，纹理映射主要针对2维和2.5维空间数据，对于高维复杂矢量场的描述能力都非常有限。

为了更好地了解流场的特征和规律，近年来流场拓扑结构特征的抽取和可视化技术得到了广泛的发展和应用。对于涡的运动，流场特征抽取的基本思想是将流场中的涡结构单独分割出来，去除掉其他非关键的流域，这样能显著提高流场分析的效率。这种方法对稳态数据非常有效，但对非定常时序数据，虽然可以通过动画的形式演示，但由于特征的数目非常多，很难直接观测到流动发展的全貌。

发明内容

为了避免传统可视化技术在降维过程中遇到的信息遗漏或显示过度复杂等问题，本发明为计算流体力学软件的后处理部分提供一种非定常三维流场涡结构的智能分析方法。

本发明的面向非定常三维流场涡结构的智能分析方法的实现，其特征是包括以下步骤：

（1）获取流体计算数据；

（2）利用涡检测算法检测流场中涡结构的位置；

（3）进行涡的度量，计算涡的几何参数、动力学参数、统计参数等属性； 

（4）使用涡核匹配的方法对涡的运动进行跟踪，形成涡状态变化图，对涡状态变化图进行标号，涡的状态变化图中每个节点代表一个时间步中的一个涡结构，节点属性是涡结构的各种度量特征，这样涡的状态变化图将复杂的时序三维场数据映射为了二维有向无环图；

（5）对该状态图进行频繁子图挖掘，能够将状态图中经常出现的模式抽取出来，以分析对应流场中涡的运动规律。

（6）通过步骤（2）-（5）所获得的流场涡结构的各种信息，作为CFD软件后处理部分可视化的输入或者后处理部分数据挖掘的输入用来分析流场涡结构的变化规律。

本发明的有益效果在于：

1.为不定常三维流场涡结构的分析提供了一种智能化的解决方案，可以从数据中快速高效的寻找有价值的信息。能够辅助工程师更好地进行产品设计和性能分析。

2.采用基于涡核匹配的涡结构跟踪算法，匹配精确高、速度快。

3.应用图挖掘技术分析涡结构状态变化图，能够自动寻找涡结构的变化规律。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为面向非定常流场涡结构分析框架图；

图2为涡结构的特征图；

图3 为涡结构状态变化图；

图4列车隧道三维模型全景图；

图5数据挖掘频繁子图，其中，（a）为涡结构跟踪图中所有顶点标号为v的 频繁子图；（b）为顶点按照z大小标号为z1-z10的频繁子图；（c）为顶点按照长度length大小标号为length1-length10的频繁子图。

具体实施方式

1.获取流体计算数据；

计算流体力学的数据的获得要几何建模、划分网格、求解器求解几个步骤。几何建模需要通过实际工程测绘获得精确的几何模型的尺寸，包括实际几何模型的长、宽、高、半径等几何信息，利用几何建模软件建立几何模型；根据实际计算的需要，将几何模型划分成许多网格单元；计算求解阶段根据流体运动的基本方程质量守恒、动量守恒、能量守恒定律进行求解，获得流场数据的计算结果。

2.利用涡检测算法检测流场中涡结构的位置；