泵站流道断面流场的可视化

第25卷第6期2007年11月排 灌 机 械D ra i nag e and Irri g ati on M ach i neryV o.l 25N o .6N ov .2007泵站流道断面流场的可视化王 业 明(扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225009)摘 要:讨论了断面流场三维可视化的内容,以及实现网格图形的显示方式和实现的过程;讨论了流道出口断面的等速线表达及色彩表达问题。

流道出口断面主要为轴向流速,可简化为二维标量场的问题。

二维标量场的可视化实现常用等速线来处理,即用等值线的抽取算法来实现;编制了流道出口断面等速线图的处理程序。

在AutoC AD 环境下,利用Ob j e ct A RX 开发平台较好地实现了流道三断面流场分布的三维显示;同时用等速线及OpenGL 色彩处理功能展示了流道出口断面流场的特性。

关键词:泵站;流道;流场;断面;可视化中图分类号:TV675 文献标志码:A 文章编号:1005-6254(2007)06-0013-04V isualization of fl ow fields for secti on of passage waysfor pumpi ng stati onWANG Ye -m i n g(College ofC i vil S ci ence and Eng i neeri ng ,Y angzhou Un i versity ,Yangz hou ,Jiangs u 225009,Ch i na)Abst ract :The v isua lizati o n of flo w fie l d s for three sections of pum ping station can verify the property o f passage w ays and g ive usef u l infor m ati o n to i m prove the design .I n this paper ,the three-d i m ensional v-i sualization is rea lized by m aking full use of AutoC AD resource and Ob ject A RX develop i n g f u ncti o n,andthe property of flo w field for outlet secti o n o f passage w ays is presented w ith equal velocity li n es and Open -GL co lor functions .K ey w ords :pu m p i n g station ;passage w ays ;flo w fie l d s ;section ;visua lizati o n 收稿日期:2007-07-03基金项目:江苏省水利重点推广项目(2002091);江苏高校省级重点实验室开放课题(K J S01062)作者简介:王业明(1956-),男,江苏扬州人,教授,主要从事流场可视化及CAD 的研究。

泵站流道进出口及喉部三断面流场的可视化,可检测流道设计性能,是泵站流道数值计算流场可视化的重要组成部分。

其内容既有断面矢量场的表达,也有断面二维标量场显示问题。

泵站流道设计是整个泵站设计的关键部分。

泵站流道优化水力设计,即基于三维计算流场的设计,使流道设计更科学、更合理[1,2]。

方法日趋成熟后将会大大减少模型试验的开支及流场实测的代价[3],但会给计算流场的可视化提出很高的要求。

例如流道进出口及喉部处断面流速分布的显示、流道内部流速及流场的整体可视化等。

作者研究的内容,即泵站流道进出口及喉部断面流速可视化,是流道流场可视化的重要内容,它可检验流道设计性能,具有明显的工程意义。

其可视化的主要内容涉及到矢量场的表达,例如三断面流速的三维显示;又由于流道出口关心的是轴向流速,故可简化为二维标量场。

因此,也同时研究了泵站出口断面二维标量场的显示问题。

1 断面流场的三维可视化流道流场数值模拟的计算结果主要有:网格剖分的坐标数据、单元网格中心流速分布,以及流道几何模型和重要设计参数水力优化设计结果的描述等。

数据预处理的内容通常为:周边网格节点坐标数据文件,周边网格连接方式信息数据文件,单元网格中坐标MAX 及M I N 数据文件,单元网格中心速度数据文件,所有网格节点的坐标数据文件等。

流道断面流场三维可视化的主要内容为:根据流道CFD(Co m putati o na l Fluid Dyna m ics)计算结果及可视化环境的要求,处理及组织其网格节点坐标数据,例如分离出流道周边网格节点坐标数据及流道进口、中间喉部及出口断面的网格中心流速数据等。

对剖分结果的计算网格,用户经常需要以各种显示方式再现,例如视点变换、各种三维操作等,尤其要对三维计算网格再处理,例如显示周边网格,在周边网格的基础上再抽去顶面或前面,以便能清楚地显示流道内部水流流动情况等。

三维计算网格的图形显示,用户虽然可以利用比较成熟的消隐算法,编制程序加以解决,但在Auto CAD 环境下无需用户编制复杂的消隐程序,只要利用AutoC AD 已有的消隐命令H ide 显示即可。

其显示方法是在Ob jec-tARX 应用程序中直接调用3DMESH,3DFACE 或PFACE 命令绘制。

一般使用3DMESH 命令较多,因为它能保证四节点单元无论是否共面都能进行消隐。

以斜式进水流道为例,如果要实现周边网格图形显示的可视化功能,其主要过程如下。

1)重新组织计算网格坐标数据文件,增加每个节点的编号,并使之形成以每个节点坐标,而不是以坐标分量形式的数据文件。

2)根据实现周边网格图形显示可视化功能,从总的坐标数据文件中分离及组织新的数据文件。

图1所示的周边网格的图形显示,要求沿水流方向将邻近单元数据进行组织。

数据文件中共有2928个节点(61个断面,每个断面中有48个节点),而且还要形成一个反映3DMESH 四节点连接规则(例如逆时针)的数据文件,本例文件中共有2880个(48@60)四节点单元。

图1 斜式流道周边网格显示3)编制ARX 应用程序读取两个数据文件中数据,绘制出周边网格图形。

要清楚地显示流道进口、中间喉部及出口断面的网格中心三维流场分布,一方面还要对周边网格进行再处理,例如掀掉其顶部及右侧网格图形;另一方面要用空间直线表示其流速的大小与方向,例如图2所示的肘形进水流道三断面的流场表达。

图2 流道进出口及喉部三断面的流场显示2 流道出口断面流场的等速线表达流道三维计算流场中,流速可分解为轴向流速、径向流速和圆周流速,而泵站流道出口断面主要为轴向流速,故可简化为二维标量场的问题。

二维标量场的可视化实现经常用等速线来处理,即用等值线的抽取算法来实现。

对于二维标量场,其数据往往是定义于某一网格面上的。

计算网格大体可分成两类:正规化网格(regular gri d )和非正规化网格(irregu lar g ri d )两类。

前者几何连通性是隐含的,例如常见的正交网格;而后者显式定义了网格单元的几何属性,例如常见的三角片网格,结点位置、边、单元都要显式定义。

泵站流道计算流场目前采用较多的是正规化网格。

根据网格类型的不同、等值线分布及精度要求的不同,等值线的抽取方法也不一样,大体可分为两大类:网格无关法和网格序列法。

网格无关法适用于某一个值的等值线穿过整个网格单元中较少单元的情况,以已知的若干等值线点为前提,利用它们的局部几何性质,求取等值线点的几何位置。

主要有3种方法:步进法、适应法和递归法。

步进法算法的关键是下一个等值点方向的确定和起始点的求取;适应法用一种对等值线初步估计逐步精化的方法来求取等值线;递归法则是利用Bezier 函数或B 样条函数的一种特定的方法。

分析14 排 灌 机 械 第25卷流道出口断面等速线,它具有的特性为:等速线不封闭,某一值的等速线其起始点不知,且需遍历整个网格寻找。

因此,网格无关法算法不适合处理流道出口断面的等速线,而网格序列法能满足流道出口断面等速线处理的要求。

选择网格序列法作为等速线图的抽取算法,出现二义性时用文献[4]提出的判别方法加以判断。

在此基础上编制了流道出口断面等速线图处理的程序。

程序主要包括下列几个模块。

1)从三维计算流场中分离出口断面单元中的速度值并保存在数组中。

2)每个计算单元中是否存在等速线的判别。

设某一等速线的值为v t ,通过与4个角点速度值v 1,v 2,v 3和v 4比较,可确定该单元中是否存在等速线。

如果v t 皆大于或皆小于4个角点的值,则该单元中无等速线通过;否则说明该单元中存在等速线。

3)单元中等速线插值模块。

如果判断出某单元中存在等速线,则进一步判断单元的哪条边上存在等速点。

等速点的数值可通过线性插值的方法近似求得。

4)二义性连线判别模块。

如果等速线插值模块中4条边上都存在等速点,见图3所示,可通过二义性连线判别模块确定该单元中等速线的走向。

图3 等值线连线二义性5)等速线绘制模块。

等速线的绘制有两种方式:一种方式将各单元中符合某一v t 的所有等速点用线段连接;另一种方式生成光滑等速线,数学模型可用插值或用逼近方法,例如AutoC AD 中提供的圆弧样条插值模型或B 样条逼近模型[5]。

但泵站流道出口断面等速线图一般采用基于断面平均流速的相对流速表示方式,其表现出来的等速线之间的间隔较小;若采用光滑等速线,有时反而会出现等速线相交现象,故等速线以第1种方式输出为宜。

基于网格序列法等速线抽取算法和等值线二义性连线判别方法及上述程序各模块绘制的工程实例图见图4。

其进水流道的各断面均匀剖分成12@12个四节点单元。

从输出的等速线图上可了解流道出口断面流速分布及变化趋势,不合理时要调整设计参数重新设计,直至满意为止。

图4 流道出口断面等速线图绘制实例3 流道出口断面流场的色彩表达利用色彩表达标量场是一种直观性很强的可视化方法,尤其适合于描述按一定规律渐变且均匀分布的标量场,而泵站出口断面的流场就属于这样一种流场。

在色彩表达及处理功能较强的几个软件中,作者选择了OpenGL,利用其较强的色彩处理功能绘制流道出口断面流速分布图,现简述如下。

实现W i n do w s 下OpenGL 的应用程序是通过调用OpenGL 函数、W indo w s 的二维图形的绘图接口(GD I)函数及其他一系列函数来实现的。

OpenGL 的绘图方式与W indo w s 的一般绘图方式是不同的。

W i n dow s 是用GD I 绘图,即在W i n dow s 的设备描述表(DC )中进行,而DC 存储了各种图形操作状态变量;OpenGL 是一种状态机制,是通过绘制描述表(RC )绘图的,RC 中存储了OpenGL 的一系列状态命令。