一种面向流体仿真方向的并行多层自适应局部加密方法

技术领域

本发明涉及CAE加密领域，更具体地说涉及一种面向流体仿真方向的并行多层自适应局部加密方法。

背景技术

工业领域CAE通常采用均匀网格或采用局部加密的变尺寸网格对计算域进行离散，并基于离散网格进行流动场变量的模拟计算。均匀网格在计算过程中处理简单，但对于计算域复杂、庞大的计算问题在保持同等计算精度的条件下会造成庞大的计算量。局部加密的变尺寸网格对拓扑结构复杂多变的计算域进行网格局部加密，对结构简单计算域采用粗大的网格近似处理；局部加密的变尺寸网格可在保持一定计算精度的条件下，降低计算网格规模，提高计算效率，但在网格剖分时会提高复杂度，同时在流动计算过程，无法高效采用并行计算架构，因此计算效率提升受限较大。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种面向流体仿真方向的并行多层自适应局部加密方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种面向流体仿真方向的并行多层自适应局部加密方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据空间域实际物理尺度和初始条件构建初始多层块结构布局，所述初始多层块结构布局包括：基础层块结构和其他层块结构；

步骤S2，对所述步骤S1中的所述初始多层块结构布局，逐层进行网格划分；

步骤S3，对所述步骤S2逐层网格划分后的空间域施加物理边界条件；

步骤S4，每隔指定时间步以场变量梯度为准重新构建多层块结构布局，使得较细层的块结构能及时覆盖场变量变化剧烈区域；

步骤S5，隔指定时间步输出该时刻的图片结果。

进一步，在所述步骤S1中，根据不同的场变量变化分别对所述基础层块结构和场变量变化剧烈区进行标记得到多层块结构布局。

进一步，在所述步骤S1中，当应用于流场计算时，所述基础层块结构覆盖完整的计算域。

进一步，在所述步骤S2中，所述逐层进行网格划分，包括：针对每层块结构采用逐层划分方式，由基础层开始至其他层块结构的逐层顺序，针对每层块结构以固定的网格尺寸对当前层内块结构进行网格划分。

进一步，在所述步骤S3中，所述施加物理边界条件包括：

第一类为所描述物理问题的物理边界条件；

第二类为较细一层的块结构和下方相交的粗网格交接处的细网格对应的边界条件。

进一步，施加第一类边界条件，包括如下步骤：

首先，根据应用领域，获取基础层块结构的不同网格上的边界条件类型；

然后，将相应类型的边界条件施加到所述基础层块结构的对应网格上。

进一步，施加第二类边界条件，包括如下步骤：

针对较细一层的块结构的边界网格所对应的边界条件，采用该较细一层的块结构下方相交的粗网格的场变量值的插值获取。

进一步，所述步骤S3中求解场变量的具体计算方程如下所示：

式中，ρ表示密度，c代表比热容，T代表温度，λ热导率t时间，x,y,z为空间坐标，Q为内热源；

上述方程在空间离散过程如下所示，以一维为例：

式中，

时间微分采用欧拉方法即向前显式差分格式，如下所示：

上式中，

离散后的温度场变量方程如下所示：

上式中变量含义如上所述。

进一步，所述步骤S3中求解场变量的具体步骤如下：

步骤S31，对基础层块结构求解第n+1时刻，第i节点的离散的场变量

步骤S32，在基础层块结构求解结束，将第一层和基础层块结构相交的网格赋值为基础层块结构对应网格场变量值；

步骤S33，依次类推求解第一层至最顶层的场变量，同时将细层计算获得场变量插值后直接赋给相邻的粗层。

本发明的有益效果为：

不同于传统局部加密方法，本专利方法采用并行多层、块结构、自适应局部加密方法对工业CAE领域的流场变量的计算过程进行重新架构，在保持相同计算精度的同时，使得计算效率提升近两个数量级；

本专利方法旨在通过采用多层块结构局部加密技术解决降低计算网格量规模的同时保持计算精度不会降低的问题，同时在计算过程采用MPI并行机制，使得计算效率相较传统方法提高两个量级。

附图说明

图1是本发明加密方法的结构示意图；

图2是初始多层块结构布局的示意图；

图3是内部边界插值过程的示意图；

图4是多层块结构架构下场变量控制方程求解过程图；

图5是多层块结构与MPI计算线程的从属关系示意图；

图6是多层块结构布局动态重构的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示一种面向流体仿真方向的并行多层自适应局部加密方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据空间域实际物理尺度和初始条件构建初始多层块结构布局，所述初始多层块结构布局包括：基础层块结构和其他层块结构；

在所述步骤S1中，根据不同的场变量变化分别对所述基础层块结构和场变量变化剧烈区进行标记得到多层块结构布局；

在所述步骤S1中，当应用于流场计算时，所述基础层块结构覆盖完整的计算域；

步骤S2，对所述步骤S1中的所述初始多层块结构布局，逐层进行网格划分；在所述步骤S2中，所述逐层进行网格划分，包括：针对每层块结构采用逐层划分方式，由基础层开始至其他层块结构的逐层顺序，针对每层块结构以固定的网格尺寸对当前层内块结构进行网格划分；

步骤S3，对所述步骤S2逐层网格划分后的空间域施加物理边界条件；在所述步骤S3中，所述施加物理边界条件包括：

第一类为所描述物理问题的物理边界条件；

第二类为较细一层的块结构和下方相交的粗网格交接处的细网格对应的边界条件。

进一步，施加第一类边界条件，包括如下步骤：

首先，根据应用领域，获取基础层块结构的不同网格上的边界条件类型；

然后，将相应类型的边界条件施加到所述基础层块结构的对应网格上。

进一步，施加第二类边界条件，包括如下步骤：

针对较细一层的块结构的边界网格所对应的边界条件，采用该较细一层的块结构下方相交的粗网格的场变量值的插值获取。

进一步，所述步骤S3中求解场变量的具体计算方程如下所示：

式中，ρ表示密度，c代表比热容，T代表温度，λ热导率t时间，x,y,z为空间坐标，Q为内热源；

上述方程在空间离散过程如下所示，以一维为例：

式中，

时间微分采用欧拉方法即向前显式差分格式，如下所示：

上式中，

离散后的温度场变量方程如下所示：

上式中变量含义如上所述。

步骤S4，每隔指定时间步以场变量梯度为准重新构建多层块结构布局，使得较细层的块结构能及时覆盖场变量变化剧烈区域；

所述步骤S3中求解场变量的具体步骤如下：

步骤S31，对基础层块结构求解第n+1时刻，第i节点的离散的场变量

步骤S32，在基础层块结构求解结束，将第一层和基础层块结构相交的网格赋值为基础层块结构对应网格场变量值；

步骤S33，依次类推求解第一层至最顶层的场变量，同时将细层计算获得场变量插值后直接赋给相邻的粗层。

步骤S5，隔指定时间步输出该时刻的图片结果。

实施例1

以流场为例说明此专利方法实现步骤。

步骤S1，构建初始多层、块结构布局

初始多层、块结构布局根据初始条件确定，如图2所示圆管绕流算例所示，在圆管周围流态变化一般比较剧烈，因此需在计算之前根据圆管外轮廓进行标记，并构建多层块结构布局。具体构建结果如图1所示，基础层块结构覆盖完整的计算域，第一层块结构覆盖圆管周围一定范围，第二层则紧紧围绕圆管外轮廓。

步骤S2，对所述步骤S1中的所述初始多层块结构布局，逐层进行网格划分；

从基础层开始，每层以固定的网格尺寸对当前层内块结构进行网格划分。

步骤S3，对所述步骤S2逐层网格划分后的空间域施加物理边界条件；

多层块结构布局存在两类边界条件，一类为所描述物理问题的物理边界条件，另一类是较细一层和下方教粗一层网格交接处的细网格对应的边界条件。

对于第一类边界条件，需将其添加到基础层边界网格上，入口为速度边界条件，出口为压力，则在对应基础层边界网格入口处施加速度边界条件，在出口处施加压力边界条件。

对于第二类边界条件，即较细一层的块结构对应的边界网格对应的边界条件，采用其下方相交的粗网格的场变量值的插值，具体插值过程如图3所示。

求解场变量的具体计算方程如下所示：

式中，ρ表示密度，c代表比热容，T代表温度，λ热导率t时间，x,y,z为空间坐标，Q为内热源；

上述方程在空间离散过程如下所示，以一维为例：

式中，

时间微分采用欧拉方法即向前显式差分格式，如下所示：

上式中，

离散后的温度场变量方程如下所示：

上式中变量含义如上所述。

求解具体步骤如下，具体流程如图4所示：

步骤S31基础层求解第n+1时刻，第i节点的离散的场变量；

步骤S32在基础层求解结束，将第一层和基础层相交的网格赋值为基础层对应网格场变量值；

步骤S33依次类推求解第一层至最顶层的场变量，同时将细层计算获得场变量插值后直接赋给相邻的粗层；

整个求解过程基于消息传递机制(MPI)的并行方法，每层、每个块结构根据一定算法分配给特定的计算线程，每个计算块之间的数据通讯由MPI完成。

多层块结构与MPI计算线程的从属关系如图5所示，图中，相同颜色的长方体表示被同一个计算线程拥有，反之则由不同的计算线程拥有。

步骤S4，每隔指定时间步以场变量梯度为准重新构建多层块结构布局，使得较细层的块结构能及时覆盖场变量变化剧烈区域；

如图6所示，图中场变量为速度，即多层块结构布局根据速度梯度进行标记重构。图中布局重构的时间间隔为4000个时间步长。

在求解场变量控制方程的过程中，为及时对场变量变化剧烈区域进行局部网格加密，需每隔若干时间段，对多层块结构布局进行重新架构，使得较细层的块结构能及时覆盖场变量变化剧烈区域。整个块结构布局重构的过程是自适应的，即根据场变量的梯度值进行标记，梯度值变化较大则进行标记，标记后的区域在布局重构的时候将用较细层块结构进行覆盖。

步骤S5，隔指定时间步输出该时刻的图片结果。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。