基于CAD二次开发的流场可视化研究

水动力流场计算是水利工程及航道整治工程研究中涉及的重要内容。为实现流场可视化自主研发和便于编辑,提出一种基于CAD二次开发的流场生成及可视化方法。采用Fortran和C#的混合编程技术,基于动态链接库,通过C#与Fortran参数的传递,对AutoCAD进行二次开发。该方法可以在AutoCAD平台上快速绘制流场矢量图和流场云图,也可用不同颜色表示数值的大小,从而实现流场的可视化编辑。以三峡库区长寿河段为例,对该方法进行演示和应用,结果表明其具有较好的可视化效果和实用价值。

非结构化网格下海洋流场的特征提取与种子点选取算法

对于非结构化网格流场数据,现有研究存在不能定位流场中临界点的具体位置、无法对临界点精细分类以及缺乏适用于非结构化网格的种子点选取算法等问题。针对上述问题,基于非结构化网格流场数据,分别在临界点提取和种子点选取方法上进行改进创新。提出非结构化网格中临界点的定位及分类方法,通过庞加莱指数法判断存在临界点的三角网格。构造质心迭代法定位临界点在网格中的准确位置,并设计三角网格内雅克比矩阵的构造方法,将临界点精细分类。基于非结构化网格提出基于最大得分和网格密度的种子点选取算法,先比较相邻格点的标量值大小来计算每个格点的得分,形成“最大得分”标量场,再按照网格密度动态设置阈值,将得分大于阈值的格点选为种子点,接着以种子点为起始点生成流线,生成的流线可以表达出流场的关键特征与全局信息。基于多个海域流场数据的实验结果表明,临界点分类的准确率可达99%以上,证明了临界点提取算法的准确性以及种子点选取算法对提升流场可视化效果的有效性。

流场动态可视化平台关键技术与应用

流场模拟是计算机仿真模拟的热点和难点,是展现水流动态变化过程、辅助寻求水流运动变化规律的重要手段。流场可视化技术的应用可以有效提高水流信息表达的直观性与综合性。本文以北江航道水流可视化为例,开发了浏览器/服务器结构的航道水流可视化平台,重点研究了平台中基于图像的流场可视化技术,采用渲染到纹理技术和通用图形处理器计算中的乒乓技术实现了流场可视化的融合,采用基于视点动态渲染的方式有效解决了水流细节层次的表现问题。在北江航道水流可视化应用中流场动态显示效果流畅,运行帧率达60帧左右。该流场可视化实现方法可以为网页端流场可视化实现与应用提供参考。

面向沉浸式流场可视化的多视图数据管理方法

由于沉浸式环境下的三维交互方式对二维界面操作不够友好,使得依赖于二维列表界面的流场数据管理任务变得复杂且低效。为了实现沉浸式虚拟环境下对流场数据高效的组织和管理,增强用户对流场空间信息的理解,提出一种基于多视图结合交互的沉浸式流场可视化数据块管理方法。该方法构建了一个三维小视图用于提供场景概览,并通过“主视图交互+小视图辅助”“小视图交互+主视图反馈”等多种多视图组合交互方式完成对多块流场数据的管理交互操作。最后构建了一个基于手势的沉浸式流场可视化系统,定义多项交互任务,从学习时长、完成时间和用户反馈几个方面对比了多视图方法和传统交互方法差异。实验结果表明,相比于传统交互方法,多视图方法可以显著提高数据管理任务的效率。

厌氧消化流场可视化技术研究进展

厌氧消化是一种可持续的有机废弃物处理处置技术,在降解有机废弃物的同时可以产生可再生能源沼气,是一种环境友好型处理技术。然而,厌氧消化系统内基质具有复杂的流变特性,其黏度高、流动性差,阻碍了反应的顺利进行。因此,研究厌氧消化的流场特性有助于了解厌氧消化系统内部流态,强化运行效果与过程稳定性。本文分析了厌氧消化基质的特性与适用的流变模型,总结了计算流体力学(CFD)数值模拟过程中的模型选取以及粒子图像测速法(PIV)和正电子发射粒子跟踪(PEPT)技术的应用现状。获得可靠的流场可视化结果,需要在考量厌氧消化基质剪切稀化特性的同时关注黏弹性、触变性等其他流变特性。在今后的研究中,应综合运用多种流场可视化技术对厌氧消化水力学特性进行优化。

基于聚类融合的三维流线可视化方法

为解决使用聚类方法实现三维流线可视化时,存在特征提取不全面、可视结果破坏流场连续性、聚类簇划分不稳定导致流线代表性差等问题,提出了基于聚类融合的三维流线可视化方法。该方法由特征间距离度量方法和聚类融合方法两部分组成,将特征间距离和空间距离分别作为流线间的相似度进行聚类,对得到的聚类结果进行加权合并后再划分。将该方法在具有多个不同特征的数据集上进行了实验,并与现有方法进行了定性、定量比较。结果表明,与现有方法相比,该方法能够较好地平衡特征提取和流线分布之间的关系,聚类簇划分的稳定性提高了2%~5%,矢量场重构的精度提高了3%~5%。

基于非结构化三角网格的流场可视化研究

FVCOM是一种被广泛应用的非结构化三角网格海洋数值模型,基于非结构化三角网格的海洋流场数据可视化对于分析海流的动态变化规律和研究海洋环境具有重要意义。论文通过分析FVCOM模拟产生的海洋流场数据,根据网格的面积和临界点进行粒子均匀随机化。在AMFCA算法的基础上添加视角像素参数,同时提出根据网格的面积大小采用局部步长进行轨迹计算。论文针对非结构化三角网格提出通过边列表进行点定位方法。在Cesium引擎下,采用基于动态粒子的流场可视化方法,使用WebGL对粒子运动轨迹进行渲染,实现了基于非结构化三角网格的流场可视化应用。现已实现对FVCOM数据进行流畅且准确的流场可视化,可基于本地服务器运行。

基于半规则纹理合成的流场可视化技术

直接利用半规则纹理本身蕴涵的方向信息对流场进行可视化,结果直观有效,而且适用的纹理范围广泛,丰富了流场可视化的手段.首先应用基于块的二维方向纹理合成方法生成第一帧图像,随着流体的流动,每一小块的4个顶点移动到新的位置.然后将原有的纹理映射到新的四边形上,同时计算出每个点的变形程度.如果某点变形过大,那么把该点标为无效点,重新合成.最后,一帧帧连续合成的纹理组成一个流场可视化的动画.

基于纹理的多分辨率流场可视化算法

当流场分辨率与屏幕分辨率不一致时,传统的多分辨率纹理绘制算法容易产生纹理走样与细节缺乏问题,为此提出一种基于纹理的自适应多分辨率流场可视化算法.通过定义平流体作为流场的中介表示,准确地跟踪粒子路径.考虑到纹理特征的稳定性,利用纹理空间到平流体空间的映射来执行纹理卷积计算.最后,基于mip-mapping技术自适应地选择合适分辨率的平流体,并对噪声纹理频率进行缩放控制.算法的精确度根据粒子平流位置的累积误差进行客观评价,结合人的视觉感知来测试主观选择与客观评价的一致性.实验结果表明,所提出的算法既能保持较高的精确性,又能完成更高质量的绘制.

流场可视化中的运动矢量估计方法

本文提出一种新的运动矢量估计的方法．其基本思想是先对流体图像进行予处理，再采用序贯相似性检测算法（ＳＳＤＡ）快速得到像素精度的位移量，最后再在像素范围内使用相位拟合算法（ＰＥＡ）快速且方便地估计出亚像素的位移精度．虽然本方法是基于流体运动分析的数字粒子图像测速（ＤＰＩＶ），但其基本原理可广泛地用于一般的运动矢量估计．

基于HSV颜色模型的二维流场可视化

为解决流场图像流速大小和流动方向的显示问题,在线积分卷积(LIC)算法的基础上,结合HSV颜色模型,提出一种新的二维流场可视化方法.该方法将流场速度方向映射为色度,将流速大小映射为饱和度,将LIC值与亮度关联起来,从而合成新的流场可视化图像.新的流场图像不仅保留了LIC图像高分辨率的流线纹理特征,而且还展现了流速大小和流动方向.目前该方法已经成功应用于二维爆炸流场的可视化.实验结果表明,该方法可以有效改善流场的可视化效果.

视点相关的多层次流场快速可视化方法

为解决大规模线形流场可视化效率较低的问题,提出一种视点相关的多分辨率流场快速可视化算法.将四叉树结构引入到种子点的选取过程,根据视点位置实时对四叉树进行调节,以实现种子点和流线的分布层次多样化;将几何着色器用于流线的生成过程,利用GPU强大的并行处理能力实时进行流线积分计算;为解决传统颜色线性映射时产生的分布不均问题,引入一种积分颜色映射方式,提高了颜色分布的均匀性,使流场强度的表现更加具有层次感.实验结果表明,基于几何着色器的多层次流场快速可视化方法能有效降低流线生成过程中的数据传输量,减少带宽占用.同时,基于四叉树的种子点分布策略能够使流线的分布密度随视点实时变化,优化了可视化效果的同时进一步提高了渲染效率.

流线增强型线性积分卷积流场可视化

为全面清晰地展示出流场信息,减小线性积分卷积的计算量,提出一种流线增强型线性积分卷积方法。改进算法中流线生成部分:检测临界点位置并绘制渐变临界点区域,根据积分点所在区域结合不同的积分方法,并自适应更新积分步长。利用GPU的并行能力及使用GLSL(Open GL Shading Language),进一步增加输出图像的清晰度。仿真结果表明,该算法能够提高渲染速度同时保持可视化结果的清晰度,并利用改进的线性积分卷积方法对河流以及旋风流场进行可视化,以图像形式直观形象地展示流场分布信息。

基于非结构化三角网格的海洋流场可视化

针对二维流场可视化均是基于结构化网格流场数据的情况,提出一种基于非结构化三角网格的海洋流场可视化策略:使用流线表达流场,流线可视化的主要挑战是种子点放置问题,即流线的初始点,制定了非结构化三角网格下基于特征引导的种子点放置策略,合理放置流线初始点以利于表达流场特征;设计了基于网格密度的层次聚类算法,引入网格密度属性对流线进行聚类并基于聚类质心进行流线放置,在保留了FVCOM模式数据的多密度性前提下提高了流线可视化效果。实验表明,该方法可以有效地保留流场特征,并且借助FVCOM模式的边界拟合性能在海湾、河道等地区取得良好的可视化效果;在此基础上,基于Cesium引擎开发了基于流线聚类数据的动态流场可视化应用,其是FVCOM模式数据首次应用于动态粒子流场的一次尝试,并且具有较好的可视化效果。

泄爆外流场的可视化

通过实验和数值方法,对泄爆外流场进行了可视化研究。实验中采用YA 16 高速阴影系统,拍摄了泄爆外流场的时序阴影照片。基于K ε湍流模型和漩涡破碎(eddy dissipation)燃烧模型,利用同位网格SIMPLE算法,对泄爆过程进行了数值模拟。根据计算结果,由计算光学获得泄爆外流场的时序计算阴影图。实验阴影图与计算阴影图较一致,都形象地揭示了泄爆后湍流火焰的发展及二次爆炸的产生和变化过程。

基于纹理的高质量的曲面流场可视化

提出一种流线增强的纹理算法,可实时生成高质量的纹理表征曲面矢量场.通过对卷积纹理在垂直矢量方向上进行一维高通滤波,增加流线间的强度对比,提高了图像质量,使得曲面矢量场易于观察.该算法基于图像空间,并且具有很好的时间空间相关性,利用当前图形卡的可编程性和并行运算能力,可以在微机上达到实时绘制的性能.

近喷嘴区域燃烧流场可视化研究

为进一步深入研究气-气掺混燃烧机理,在带可视化窗口的透明燃烧室中,采用高速摄影仪和数码相机获得了同轴剪切喷嘴、同轴双剪切喷嘴和旋流喷嘴近喷嘴区域的气氢/气氧燃烧火焰结构。结果表明:剪切式喷嘴火焰始于氧喷嘴出口端面,燃烧主要发生在气-气掺混剪切层当中,同轴双剪切喷嘴在出口形成两个剪切燃烧面;与剪切式喷嘴相比,旋流式喷嘴近喷嘴区域燃烧更加剧烈,当旋流数足够大时,将在中心形成稳定的燃烧回流区。

基于两级采样的非结构化网格流场多激波特征可视化方法

激波特征可视化是流场可视化的重要内容.目前主流的激波特征提取方法是先采用正则马赫数检测激波,再设计过滤算法去除噪声.已有方法在计算正则马赫数时,并未区分压力梯度和密度梯度;在过滤噪声时,有效性依赖于数据集本身,适应性和准确性差.当流场中存在强度不同的多激波特征时,往往在过滤噪声的同时也滤掉了"弱激波",且即便对于单激波特征,也常出现激波面不连通甚至断裂现象.论述了基于压力梯度计算正则马赫数的必要性;利用激波物理特性,结合光线投射算法优势,提出了一种基于两级采样的多激波特征可视化方法;并针对拓扑复杂的3D非结构化网格数据,在GPU上设计实现了算法.实验表明,该方法能自动识别并过滤噪声,即便对包含多激波特征的复杂流场,也具有很好的适应性和准确性,过滤效果明显优于已有方法,且对较大规模非结构化网格数据,绘制性能可满足实时交互.

基于PIV的电除尘器流场可视化实验研究进展

电除尘器内部流场形态对颗粒物的捕集有很大的影响,尤其是亚微米颗粒的捕集与其在电除尘器内运动轨迹息息相关。粒子成像测速技术(particle image velocimetry,PIV)从测量精度和测量方法以及实验条件三方面都符合电除尘器流场可视化实验的要求,是电除尘器流场可视化实验的主要研究手段。文章首先介绍了电除尘器流场可视化实验的研究方法和研究现状,然后分析了实验选取的不同示踪粒子及其特性,详细总结了有关圆线-板式、针-板式、锯齿线-板式和管式电除尘器流场可视化实验及其研究成果,最后列举和分析了基于PIV可视化技术的除尘器结构改造实验,并且指出目前实验研究中存在的问题并对未来研究方向进行了展望:1)电除尘器流场三维特性定量研究有待探索;2)实验与实际除尘过程的差异的问题有待解决;3)电除尘器内离子风自身特性研究需要进一步研究。

实时的2D不稳定流场可视化算法

为了提高不稳定流场可视化结果的绘制质量和绘制速度,提出一种基于平流技术与纹理混合的不稳定流场可视化改进算法。算法分别通过图像平流来获得流场动画的时间一致性,通过质点平流来获得流场动画单帧图像的空间一致性,最后通过纹理混合使流场动画的时间、空间一致性统一起来。通过这种方式获得的流场动画纹理细节清晰、帧间过渡平滑,绘制速度较快,具有较高的时间、空间一致性,可以准确地反映不稳定流场的动态变化。