本發明屬于仿真，具體地涉及在工業仿真領域中一種基于特征區域拓撲構造的旋轉機械網格生成方法。

背景技術：

1、隨著現代航空工業的發展和國防工業日益復雜的需求，cfd仿真在航空發動機的工業設計中發揮了越來越重要的作用，同時也是國防航空領域技術階躍和數字化研發的關鍵技術支撐。面對航空發動機的壓氣機、風扇、渦輪等復雜旋轉部件的工業仿真，高效率高質量的網格生成技術就更是仿真計算領域的技術核心。

2、旋轉機械仿真通常需要面對復雜且形狀多變的幾何模型，同時傳統的手工繪制網格和記錄人工腳本生成的結構網格質量較低，并且無法滿足日益復雜的幾何模型特征表達，更重要的是其網格繪制與生成效率較低，無法應對如今追求高效率的工業設計新模式。因此，為了縮短網格生成周期降低人工繪制網格的成本，本技術建立一種動態構建旋轉機械m-theta參數平面拓撲并堆疊生成網格的方法，利用一套初始模板加特征區域進行網格自動生成，在面對其他復雜幾何模型時能進行模板動態變換快速匹配幾何模型構建拓撲，同時保證拓撲參數平面與其三維網格的網格質量，為旋轉機械仿真網格自動生成領域提供一個低成本、高效率的網格自動生成技術路徑，進一步拓展旋轉機械網格自動生成拓撲技術的應用前景。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題在于提供一種基于特征區域拓撲構造的旋轉機械網格生成方法，該方法解決了現有技術中存在的問題，拓展了旋轉機械網格自動生成拓撲的前景。

2、為了解決上述技術問題，本發明通過以下方式來實現：

3、一種基于特征區域拓撲構造的旋轉機械網格生成方法，包括以下步驟：

4、s1、導入geomturbo幾何文件；

5、s2、基于特征區域o4h模板拓撲構造；

6、s3、通過b2b面展向拉伸堆疊生成3d網格；

7、s4、完成旋轉機械面網格生成。

8、進一步的，所述步驟s2的具體步驟如下：

9、基于特征區域o4h模板拓撲構造指生成葉片拓撲主體部分的o網格通用模板和根據拓撲類型自適應生成流道區域的特征模板，通過主體葉片o網格區和流道特征區組合，自適應的形成當前激活層位置的m-theta特征拓撲，基于特征區域o4h模板拓撲構造包括o4h主體部分網格關鍵節點信息計算與分布點數計算和feature區域網格基于葉片o網格區主體部分延展生成的網格；

10、s21、o4h主體部分網格關鍵節點信息計算與分布點數計算，采用基于自適應的葉片拓撲主體部分o網格拓撲特征進行關鍵節點計算，在主體部分網格拓撲生成時采用預先計算出關鍵節點相對位置，根據拓撲網格面關鍵節點的位置信息，再計算網格實體線，完成葉片區o網格拓撲搭建構造；

11、s22、feature區域網格基于葉片拓撲主體部分o網格延展生成的網格，其結構主要由constant部分和ohgap間隙層兩部分構成，共同構成了b2b面(m-theta參數平面)流道的特征區域，準確表達出m-theta面拓撲類型與在翼展方向上流道變化規律。

12、進一步的，所述步驟s21的具體步驟如下：

13、s211、網格前后緣點位置計算

14、為了保證m-theta平面整體進出口網格與外o網格布局在物理空間上更為規范，需要構建合適的前后緣點位置，并計算葉片前后緣點位置處的葉片寬度；前后緣點的葉片寬度可看作為前后緣點處葉片的內接圓直徑，取前后緣點附近的多組采樣點計算圓心，最小圓作為最終內接圓，同時計算最大葉片寬度作為內接圓直徑的最大限制，進而根據相對控制距離與葉片壓力面吸力面的長度之比得到網格前后緣點位置；

15、s212、葉片在流道中位置計算

16、葉片在流道中存在4個位置，該位置具體包括葉片到上周期區域area2、葉片到下周期區域area3、葉片前緣到入口區域area1、葉片后緣到出口區域area4：

17、葉片到上/下周期的距離，根據上/下周期邊界幾何離散點和葉片吸力面/壓力面離散點，得到它們之間距離最近的兩個離散點，再通過坐標離散點求得距離計算得到葉片上/下周期距離，同時確定了上/下周期邊界距離葉片入口位置的端點最近的點；

18、葉片到入口的距離，根據獲取入口處的中點，計算中點到葉片前緣點端點的距離，并依據中點與前緣點端點長度得到入口到葉片前緣點的水平方向距離，得到葉片上節點位置和節點分布大小；

19、s213、周期邊界節點位置計算

20、在生成網格時，采用預先計算出周期邊界節點位置，后續使用該位置計算周期邊界網格線實體，o4h主體部分網格中，每一條周期邊界中有4個周期邊界點位置需計算，匹配周期性時位置可能相互關聯，所述4個周期邊界點位置包括位置0為入口端面、位置1為葉片前緣位置到上下周期邊界對應的邊界面、位置2為葉片后緣位置到上下周期邊界對應的邊界面和位置3為出口端面；

21、1)對于位置0和位置3，需考慮有無constant部分：

22、若入口無constant時，位置0為0.0，若入口有constant時，位置0為入口最后方的constant線與周期邊界線的交點位置；

23、若出口無constant時，位置3為1.0，若出口有constant時，位置1為出口最前方的constant線與周期邊界線的交點位置；

24、2)對于位置1和位置2，直接使用計算中線端點到周期邊界最近點的方法，取最近點作為位置1和位置2的位置，若獲得的位置1和位置2與位置0和位置3存在相交或距離太近，則需要對位置1和位置2做如下優化處理：

25、1、交叉判斷：判斷位置2是否大于位置3；

26、2、距離判斷：計算后緣到位置3的水平距離，判斷位置2到位置3距離與該水平距離之比是否小于給定閾值；

27、3、滿足上面兩條中任一條時，對位置2根據后緣點與位置3的m坐標中點，取到對應的上周期邊界線的位置，作為優化后的新位置；

28、s214、入口出口邊界中間節點位置計算

29、在生成網格時，預先計算入口出口邊界中間節點位置，使用該位置計算入口出口邊界網格線實體，入口出口邊界中間節點兩個位置確定方法如下：

30、1)整體入口出口均布：根據入口出口邊界三條線的點數之比計算位置；

31、2)整體入口出口呈中間密、中間到兩端逐漸稀疏的方式，根據前后緣兩個節點推進后的位置距離作為邊界層網格頂層厚度，將該厚度作為出入口被分割成3段的分割點位置的寬度，剩余兩端的寬度根據點數進行分配；

32、s215、o4h主體部分點數計算

33、對于o4h初始類型拓撲模板邊線分為7組，每組中邊線的點數和分布均相同，點數的確定分為給定點數和給定點數最小值再根據模型實際計算兩種方法；其中給定點數法主要用于o4h初始類型拓撲模板邊線中幾何形狀相對固定的horizonmiddle、verticalmiddle、outo，給定點數最小值再根據模型實際計算法主要用于o4h初始類型拓撲模板邊線中變化劇烈且需要根據流道在流向上的長度計算點數的horizonfront和horizonback，或者對應的幾何尺度會受到葉片周期性個數的影響的verticalup和verticaldown；

34、根據幾何模型設置一參考長度，若計算的某一部分幾何長度相對參考長度過長時，則增加點數，若過短時，則減少點數；同時計算拓撲點數采用一對數函數進行計算；

35、s216、拓撲構造方法

36、拓撲構造指計算線實體，線實體需要表達出理想網格線的形狀，映射到幾何邊的線通過在幾何邊上采樣少量點坐標作為網格線的實體，生成網格時使用投影功能投影到幾何邊；網格內部網格線通過邊界線計算出形狀，從而生成初始網格，具體步驟如下：

37、1)初始拓撲模板生成，主要有4個步驟：

38、1、創建初始拓撲狀態下的所有點；

39、2、創建初始拓撲狀態下的所有線；

40、3、根據具體拓撲類型，修改為對應的網格線；

41、4、根據具體的拓撲類型，創建所有面并不生成面上的內部點；

42、2)邊界層網格生成，需計算壁面4條線的分布，對葉片上的點進行外向高度的推進，邊界層網格生成通常采用法向量引導的推進方法，而推進方法中需要考慮的問題有網格的交叉處理和網格的正交性；邊界層網格生成選擇一種較為簡單的推進框架線的方法，過程如下：

43、1、計算推進總高度h；

44、2、將壁面的4條線上的所有節點沿其法向推進h高度，獲得一系列新點組成的線；

45、3、新線中可能存在相交，進行交叉處理；

46、4、將壁面的4條實體線的分布分別賦給推進后的線；

47、5、計算并設置支撐線分布；

48、6、生成每一塊網格內部點；

49、該方法的核心是交叉處理，可能存在的交叉有兩種情況：一是一條線內部自相交；二是線與線間相交，線內部自相交的情況如下，當待推進線上存在凹點時(渦輪葉片狀態下)，推進結果可能產生自相交；本發明去除自相交的方法是：從推進后的線的起點開始計算每個點處的轉角，當某個點處的轉角大于90°時，去掉這個點，循環直到沒有點被去除。

50、3)流道網格生成

51、1、入口出口網格線實體

52、根據入口出口中間節點位置，計算在入口出口上取出相應的離散點作為入口出口網格線實體；

53、2、周期邊界網格線實體

54、根據上下周期邊界線位置，計算、確定與入口出口相交的4個交點，該4個交點是上下周期邊界離散點的左右最大范圍區，在該范圍內的離散點為周期邊界網格線實體的離散點區；

55、3、入口出口水平中間網格線實體

56、通過上下周期實體線及兩個端點計算，給定采樣點數，計算兩點坐標周期邊界內一系列向量，將向量平移到相應的周期邊界節點位置處，向量的終點為網格線實體所需的采樣點；

57、4、內部垂直網格線實體

58、針對葉片傾斜角過大旋轉機械幾何模型，其生成的m-theta拓撲通向周期邊界的垂直網格線會指向附面層區域，再由附面層區域指向周期邊界，其垂直網格線實體分布與入口出口水平中間網格線分布一致。

59、進一步的，所述步驟s22的具體步驟如下：

60、s221、constant部分網格生成

61、constant部分中1個網格面的其中一條edge直接使用原o4h主體部分的邊，另外三條edge根據o4h出口和實際出口位置生成；而constant部分網格分布是：最右側出口邊的分布與o4h主體部分出口處的分布相同，上下網格線的分布以與o4h主體部分出口處水平網格尺寸均勻過渡進行分布計算；

62、s222、ohgap網格生成

63、ohgap網格分為貼近葉片壁面一圈的o網格和最內部的h網格，o網格使用拓撲構造方法中的邊界層網格生成方法直接推進生成，中間的h網格則需要區分葉片的壓力面和吸力面節點數是否相同，若相同時根據推進后的o網格頂層線生成一個網格面，若不相同時則需要在o網格上方的網格線實體處再生成一條connector，該條connector的點數與o網格下方網格線點數一致，因此才能組成一個網格面；

64、生成貼近葉片壁面一圈的o網格和最內部的h網格時，壓力面和吸力面節點數相同時，完成節點匹配，ohgap的網格直接推進生成feature區域，其對應的3d網格具有周期性，全周期復制后預網格邊界銜接較好，網格質量較高；反之，其3d網格周期性節點不匹配，全流道周期性復制后會影響網格質量和網格解算。

65、進一步的，所述步驟s3具體方法如下：

66、通過m-theta面展向拉伸堆疊構建3d網格時，需通過輪轂處的二維m-theta面拉伸一個三維模板，其m-theta面沿x方向拉伸高度與子午面寬度一致，3d網格高度受子午面寬度控制，接著按m-theta在子午面中對應激活層(子午面范圍比例為[0.0,1.0])具體位置(例如m-theta在子午面中段位置即為激活層0.5位置)，往這個3d模板中一層一層放入上述構造好的b2b(m-theta)面，再將模板中進行堆疊的m-theta面網格數據通過面映射到拉伸的3d網格模板上，形成最終的3d堆疊網格。

67、與現有技術相比，本發明具有的有益效果：

68、1)基于拓撲模板實現的m-theta網格拓撲動態構造技術，面對旋轉機械復雜幾何模型(如風扇、渦輪、分流器、冷卻孔等)通過初始化模板動態的生成m-theta面拓撲而不需要額外人工操作，即只需要一種初始型模板再進行動態模版變換就可以得到風扇、渦輪、分流器、冷卻孔等其他復雜類型的拓撲，該方法極大程度提升了原始網格模板的通用性和網格自動生成效率，減少了研發成本和用戶使用成本；

69、2)基于展向拉伸與堆疊技術的3d網格自動生成技術，能很好地從局部參數平面還原全局3d網格，其堆疊的3d網格很好地表達了m-theta面拓撲構造的局部細節，從技術上改善了參數平面網格很難準確表達其旋轉機械全局網格的難點。