泵站流道出口断面轴向流速的可视化.docx

1、2001年工程图学学报2001第4期JOURNALOFENGINEERINGGRAPHICSNo.4泵站流道出口断面轴向流速的可视化王业明（扬州大学，扬州225009）谭建荣（淅江大学，杭州310027）摘要：泵站流道出口断面轴向流逢可视化，可检测流道设计性能，是泵站流道底场可视化的组成部分.其主要内容为轴向等速线图的处理.本文在分析标量场中等值线几种抽取算法的宾础上，根据等速线图的特点选择合适的算法，并在AutoCAD环境下用ARX编程加以实现.文中对向格序列法中的交点连线二义性判别方法加以深入探讨，提出解决这一问题的新方法.关键词：流道；流场；等值线；可*见化中图分类号：TV675文献标识

2、码；A文粢编号：1003-0158（2001）04-0053-06泵站流道设计是整个泵站设计的关谜部分。传统的设计方法是基于一维水力设计的方法.即以断面平均流速的变化规律确定流道截面尺寸。具体的设计方法与步骤m是几何作图及人工试算法。基于解析法并实现其CAD软件系统使流道设计摆脱了传统的设计方法，并能显著地提高其设计效益叫蒙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.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，但会给计算流场的可视化提出很高的要求。如流道出口及任意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。本文研究的内容，即泵站流道出口断面轴向

3、流速可视化，是流道流场可视化内容的一部分，它可检测流道设计性能，具有明显的工程意义。其可视化的主要内容为等速线的处理，即等值线的抽取算法与实现。由于关心的是轴向流速，故可简化为二维标量场等值线的抽取问题C至于整个流道内部三维计算流场可视化问题是属于三维矢量场的可视化研究内容，也是目前可视化研究中的难点问题之-同。1流道等速线抽取算法选取及等值点连线二义性问题的提出二维标最场可看成定义在某一面（如流道的出口断面）上的一维标量函数月=尸履夕），收日期：2001）1-16基金项目：江苏志费委自然H学搴金蜜助玫目（D9366，江苏省冰刊厅基金瓷助虫目2001132）作者简介：王业明1956-,男,江芥

4、扬州人.副教筋WF士生.主蔓破充枝域为工程图学、科学计鼻可视化、。2等所谓等值线是由所有点g"定义，其中A<xrV,)=F®为一给定值)，将这些点按定顺序连接组成为函数F(x.v)值为E皑的等值线、E在工程及实验中有具体的物理意义，如速度值，高度值、压力值、温度值等其数值来源于计算、实验、或实测等。目前，流道出口断面等值线数值主要来源于三维计算流场。txrM)为计算网格点坐标或为实测点的坐标。计算网格可分成正规化网格和外王规化网格(如三角片网格,两类，泵站流道计算流场目前采用较多的是正规化网格。根据等值线抽取时网格单元处理次序.等值线的抽取方法有两大类,网格无关法和网

5、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，以己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方法来求取等值线的：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。网格序列法是按网格单元的排列次序.

6、逐个处理每个单元，寻找每一单元内是否存在等值线上的点。设正规化网格4个角点坐标分别为对应函数值为F、Fi、F3、Fa，如图13)所示.根据F】.F>F3，Fa与氏的比较(大于人设为“+反之为，”)，结果有图】(bA图1(c)几种情况“从图1(c)中可知，如果不知等值线走向时显然有两种连接方式，即存在被称之为“二义性.连线的向题，如图23)所示。原因在于该单元内的函数值的变化不是以直线而是以双曲线方式，即F<x>y)J,jT).41,厂1>00日目(a)(a)b)(cj圈1等值线连线情况二义性连线要通过求双曲线两条渐进线交点处的函数值来判别定。文献5建议参照等值面中Mar

7、chingCube算法消除二义性的方法去解决，但判别与求解过程较为复杂。作者认为仅依据单个单元4个角点的值，双线性插值得到等值点的值，去求出双曲线渐进线交点处的值，并用此代表实验或实测所得的值或代表应按某种工程数学模型计算所得的值这一方法并不合理。原因在于求出的交点值没有物体在该点处固有的物理意义，也即与判别单个单元内的等值线的走向并无关系，且对类似图2(b)中的等值线情况无法判别中点处函数值的“+”与，_，同理，采用单元对角线交点.取中点值凡询代替物体在该点处固有值的方法也是不合理的。为合理解决单元内可能出现的连线二义性问题，一般采用StAndrew单元剖分法.即将所有矩形单元均剖分成4个三

8、角片单元中心点的函数值在无显式函数形式时-般用4个角点的平均值代替。虽然平均值不一定是该点处的固有值，但因为对每个单王业明等：泵站海道出n断面轴向流速的可视化元都作了同样的处理，因此求出的等值线与中心点固有值存在时的等值线变化规律时是-样的。显然，这样处理的单元数要增加4倍-nn(a)图2等值线两种可能连接方式2基于邻近单元等值点位置判别连线二义性的方法本文提出-种新方法，该方法通过考察具有连线二义性单元的近单元等值线的走向来判别二义性单元内的等值线的走向。如图3所示，设中间单元出现了连线二义性问题，首先考察与其相邻的左单元。该单一元内一定还存在一个等值线上的点，这个点可能出现在左单元的下边线

9、上，设Pl,也可能在左边线上，如P3，当然也可能出现在上边线上，如图4中的P1点。图3左单元下边线上如果存在P1点，则优先判别上单元，一般会存在P2U点或林点，如图3(a)或图3(b)所示。如果P2U点或P2/?点都不存在，等值线的走向只能通过下单元，如图3(c)所示。同理，左单元P1点出现在上边线匕如图4,则优先判别下单元，一般会存在林点或P2D点.如图4(a)或图4(b)，如果林点或PW点都不存在，等值线只能从上单元穿过.如图4(c)所示。如果左单元匕下边线都未找到等值线上的点PL则左边线一定存在等值线E点P3,同样通过判别上单元或下单元是否存在等值线上的点来需要说明的是，对于等值线非菖稀

10、疏旦分布随机、亳无规律的情况.可能会出现上下单元内都同时存在等值线的出口应用本方法无法判别单元内二义性等值线的走向。但这种情况在实际工程中-般不会出现.因为等值线不仅不会相交或自交，而且大多数相况卜其分布是有一定规律的，事实E出现图(3)、图4(C)中等值线走向的可能性已经很小e这种基于邻近单-元等值点位置判别交点连线二义性的方法是-种全局的方法，既避免了求解双曲线渐近线交点的复杂性，也克服了仅考虑单个单元二义性连线的局限性，且方法的程序实现较为方便这种方法和等值线着重于整体特性的思想是一致的。因为等值线的工程意义主要在于反映事物的分布和规律性.3流道出口断面等速线图的绘制选择网格序列法作为等

11、速线图的抽取算法，出现二义性时用本文提出的判别方法加以判断。在此基础上编制了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氏通过与4个侑志.速度值FI,F3,RI比较,参见图1(a).可确定该单元中是否存在等速线如果孔皆大于或皆小于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

12、模块中4条边上都存在等速点.则要通过本文提出的二义性连线判别模块，确定该单元中等速线的走向。(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咒的朔f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，如AutoCAD中提供的圆弧样条插值模型或B样条逼近模型。但泉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.表现出来的等速线之间隔较小，采用光滑等速线有时反而会出现等速线相交现象，故等速线以第种方式输出为宜。基于网格序列法等速线抽取算法和本文提出的二义性连线判别方法及上述程序各模块绘制的工程实例见图5。工程实例是一30。斜式进水流

13、道.各断面内均匀剖分成12X12个4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。王业明等：泵站流道出口斯面轴流注的可视化图5流道出口断面等速线图绘制实例4结论虽然有些软件，如Sufer(SurfaceModeler).系统内部具有等值线的绘制功能，但用户使用时一般存在两个问题:®等值线处理一般仅是用户所开发软件系统的一部分，用户平台如果不是基于Sufer软件,涉及到用户系统与Sufer软件系统的数据的交换：Sufer等软件系统提供的等值线抽取方法不一定是用户理想的方法。本文研究的内容是作者“泵站流道CAD软件系统&qu

14、ot;的部分.整个CAD系统还有流道三维曲面造型、流道受力分析及配筋图的生成、流道计算流场可视化系统等，它们都基于AutoCAD开发平台.用ARX技术加以实现。而AutoCAD系统内部到目前为止还未带等值线的处理功能。参考文献SD204-86,泵站技术规范设计分册S王业明，石斯聪，宇明大泵肘形流道机辅设计软件的研制外江苏农学院学报，1993,1/1):75-82.陆林广.张仁田泵站进水流道优化水力设计M北京：中国水利水电出版社，1997唐泽圣.三维数据场可视化Ml北京清华大学出版社,1999.石教英，蔡文立.科学计算可视化算法与系统(M-北京科学出版社，1996.Visualizationof

15、AxialVelocityofFlowforOutletSectionofPassagesofPumpStationWANGYe-ming(Yju码zhouUniversity.Yajngzhou225009.China)TANJian-rong(ZhqiangUnivcraity,Ihngzhcm310027,China)Abstract:Thevisualizationofaxialvdocityofflowforoutletsectionisonepartcontentofvisualizationforflowingfieldofpassagesofpumpstation.Itcanchockuppassageproperty.ItsmaincontentisaboutdealingwithaxialequalvelocityLines.Accordingtotheirproperties,thispaperhasselectedasuitablealgorithmbasedonanalyzingso