VC 環(huán)境下網(wǎng)格文件解析技術研究與應用

鄭朝亮，楊余旺

(南京理工大學計算機科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

網(wǎng)格劃分是計算機圖形學研究的重要內(nèi)容，目前，有多種網(wǎng)格劃分算法，如拓撲分解法、節(jié)點連接法、映射單元法、基于柵格法等。建立計算模型是流體力學(CFD)的重要環(huán)節(jié)，通常來說CFD 的計算模型都是簡單的規(guī)則體或者是規(guī)則體的疊加［1］。目前多款商業(yè)構(gòu)型軟件都能生成網(wǎng)格文件，但是在網(wǎng)格文件的結(jié)構(gòu)上存在差異。

本文對導入Fluent 的網(wǎng)格文件以OpenGL 圖形處理軟件進行物理模型的顯示，主要針對以Gambit軟件生成的網(wǎng)格文件，由于鮮有文獻對網(wǎng)格文件的結(jié)構(gòu)進行說明以及解釋，所以對網(wǎng)格文件的解析是通過對大量網(wǎng)格文件的分析與總結(jié)得出的。最終通過程序解讀，在VC 平臺用C 語言編程，逐步實現(xiàn)點、線、面、體的模型構(gòu)建，使網(wǎng)格文件在開發(fā)的環(huán)境中正確顯示。

本文采用Visual C ++6.0 Enterprise 作為開發(fā)工具，利用MFC 基礎類庫作為整體軟件程序界面的開發(fā)基礎，利用OpenGL 圖形庫作為整體軟件程序圖形顯示處理的開發(fā)基礎。通過對網(wǎng)格文件的解讀后，自行繪制出相應的圖形，最終形成較為方便、快捷、全面的模擬計算程序。

1 網(wǎng)格文件物理解讀

網(wǎng)格文件大小不一，但是總體結(jié)構(gòu)遵循一定的生成規(guī)律。在程序中對網(wǎng)格文件解讀并且生成對應的圖形，必須先對其進行正確的物理解讀［2］。下面以Gambit 軟件生成的網(wǎng)格文件為例，對其基本構(gòu)成進行解讀:

以上為網(wǎng)格文件的基本構(gòu)成，一般的網(wǎng)格文件大小從幾十kB 到上百MB 不等，但是基本組成類似，本文將核心部分挑出進行解讀。

1)前2 行解釋生成此文件所用的軟件，如此例中表示的為Gambit 軟件生成的網(wǎng)格文件。(2ND)解釋此網(wǎng)格模型的維度，ND 為2 時則為二維網(wǎng)格，ND 為3 時則為三維網(wǎng)格。

2)(10(zone-id first-index last-index type ND)):

其中索引10 表示此類為網(wǎng)格點(node)信息。zone-id表示分配給該區(qū)域的編號。first-index last-index 分別為所有點的起始以及結(jié)束索引，表示方式為16 進制數(shù)字。type 表示點在網(wǎng)格中的類型，type 等于0 時為“虛”點，等于2 時為邊界點，等于1 時為無類型。在一般網(wǎng)格文件中，點的類型都為無類型，即type 都為1。ND 為表示網(wǎng)格維度:2 表示二維，3 表示三維。x，y，z 表示點的坐標信息，如無特殊情況，此類即表示構(gòu)成網(wǎng)格所有的點的坐標信息［3］。

3)(13(zone-id first-index last-index type elementtype)):其中索引13 表示此類為網(wǎng)格面(Face)信息。zone-id 與點信息一樣，表示該面所分配到的編號。first-index last-index 分別表示構(gòu)成該面的起始點以及結(jié)束點的索引，用16 進制表示。type 表示此面作為邊界的類型，目前總結(jié)出的所有類型，可參考表1。element-type 一般有3 種表示，并且決定n_type 表達方式，具體見表2。在具體信息里，n0，n1，n2 分別表示構(gòu)成網(wǎng)格單元的點(n_type 為3 有3 個點，n_type為4 有4 個點)的索引，具體點的坐標信息可根據(jù)點的索引于網(wǎng)格點信息(10)中進行檢索。cr，c1 分別為此表面與右側(cè)區(qū)域以及左側(cè)區(qū)域的關系，可根據(jù)這2 個值確定此面是否為耦合面。

表1 type 類型

表2 Face 類中element-type 的類型

4)(12(zone-id first-index last-index type elementtype)):索引12 表示此類為單元Cell 信息，zone-id，first-index，last-index 與之前的解釋類似。type 的值一般為1，表示正常區(qū)域。element-type 表示該部分Cell的類型，具體如表3。

表3 Cell 類中element-type 的類型

5)(45(zone-id zone-type zone-name)()):索引45 表示此類為命名信息，zone-id 為對應區(qū)域的編號，zone-type 為對應區(qū)域的類型:若區(qū)域為Cell，則zonetype 的類型有fluid 和solid［4］;若區(qū)域為Face，zonetype 的類型可參考表1。

2 網(wǎng)格文件顯示設計

通過對網(wǎng)格文件的結(jié)構(gòu)解析，為軟件程序讀取網(wǎng)格文件，并且通過OpenGL 顯示功能的實現(xiàn)提供了非常重要的參考和幫助。軟件程序基于網(wǎng)格文件的結(jié)構(gòu)，編制了網(wǎng)格文件的分析程序，分析程序主要包含openMsh()，readPoint()，readFace()，readZone()共4類函數(shù)功能。其中，openMsh()為打開網(wǎng)格文件;其它3 個函數(shù)依次對應網(wǎng)格文件的3 個基本要素:點、面、區(qū)。具體流程見圖1。

圖1 流程圖

各函數(shù)模塊功能為:

1)openMsh()函數(shù):讀入整個網(wǎng)格文件內(nèi)容，并檢索網(wǎng)格文件是否由Gambit 軟件生成，判斷網(wǎng)格文件為二維還是三維。

2)readPoint()函數(shù):提取網(wǎng)格文件中所有點的信息，包括點的坐標以及每個點的編號。

3)readFace()函數(shù):提取網(wǎng)格文件中所有面的信息，包括構(gòu)成該面的所有點的信息。

4)readZone()函數(shù):提取網(wǎng)格文件中所有區(qū)域(Cell)的信息，包括構(gòu)成該區(qū)域內(nèi)所有點的信息。

在完成對整個網(wǎng)格文件的分類提取儲存后，判斷當前的繪圖模式，繪圖模式包括整體顯示模式DrawMSHScene()、部分顯示模式DrawZoneScene()、突出顯示模式DrawZoneHightScene()，提取所需繪制部分的點、面、區(qū)的信息，通過RenderScene()函數(shù)對網(wǎng)格圖形進行顯示。

3 網(wǎng)格文件程序解讀

以裝甲車輛網(wǎng)格文件為例，通過Fluent 對裝甲車輛進行數(shù)值模擬，建立裝甲車輛及地面背景的物理模型。本文以已經(jīng)公布的坦克圖片、部件尺寸參數(shù)為參考，在保留外部幾何形狀，保留溫度分布特征明顯的部件，盡量簡化、舍棄內(nèi)部復雜細小部件，減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算速度的前提下，建立簡化的坦克裝甲車輛的物理模型。

在物理模型的基礎上使用Gambit 軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分遵從由內(nèi)到外，優(yōu)先六面體網(wǎng)格，其次四面體網(wǎng)格，熱交互強烈處密，其次疏的準則［5］。得到坦克裝甲車輛具體的混合型網(wǎng)格，見圖2。

3.1 結(jié)構(gòu)設計

一個網(wǎng)格文件大小從幾百kB 到幾百MB 不等，對于其中的點、面、體信息記錄的量很龐大，程序設計之前，首先定義相關的結(jié)構(gòu)體，以記錄存儲信息［6］。

1)定義點的結(jié)構(gòu)體，命名為vertex，內(nèi)部定義int型編號number，及float 型x、y、z 存儲點的位置。

2)定義面的結(jié)構(gòu)體，命名為face，內(nèi)部主要是int型編號number。

3)定義區(qū)域的結(jié)構(gòu)體，命名為zone，內(nèi)部需要有string 型變量記錄名字，對應區(qū)域類型，判斷是否是耦合面，如果是還得添加相關信息［7］。

3.2 信息讀取

讀入1 個網(wǎng)格文件(msh 文件)后，依次遍歷，分別執(zhí)行readPoint()、readFace()、readZone()這3 個函數(shù)。

1)readPoint()函數(shù)執(zhí)行相對簡單，遍歷網(wǎng)格文件中所有的點信息，通過壓棧將信息存儲。

2)readFace()函數(shù)執(zhí)行相對復雜，最大的難點是判斷是否有陰影面。本文規(guī)定若有陰影面，則添加1個面為shadow 面，名稱為原來的面加后綴“-shadow”。如wall 面為陰影面，則由wall 面產(chǎn)生1 個陰影面”wall-shadow”。

3)readZone()函數(shù)將網(wǎng)格文件最后的Zones 信息讀入。依然通過壓棧方式存儲［8］。

3.3 圖形繪制

在View 類里，添加1 個名為DrawMSHScene()的函數(shù)，以完成網(wǎng)格文件的繪制工作。在此函數(shù)中，將之前壓入堆棧的信息出棧，通過OpenGL 簡單的畫點和線的方式將這些信息連接起來即可［9］。為了用戶觀察方便，程序中添加DrawZoneHightScene()函數(shù)，當指定具體的邊界時，該邊界區(qū)域以紅色線條顯示。圖形顯示區(qū)可包括一般的圖形操作功能，如對圖形的拖拽、旋轉(zhuǎn)、放大縮小等功能。

構(gòu)件名稱選擇“fushequ”，邊界名稱選擇“facetouming”，得到的效果圖見圖3。

圖3 網(wǎng)格文件讀取顯示

3.4 信息選擇

一個完整的網(wǎng)格文件信息眾多，其邊界從幾個至幾十上百個不等，在信息讀取功能中已經(jīng)記錄了所有的邊界，在程序中用戶可以自主選擇［10］。每當做不同的選擇時，圖形顯示區(qū)域可將對應的邊界區(qū)域用紅色顯示，使網(wǎng)格讀取程序更加智能［11］。操作界面見圖4。

圖4 操作界面

3.5 與Fluent 交互

Fluent 采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術，因而Fluent 能達到最佳的收斂速度和求解精度。本軟件為了更加精準和直觀，加入了與Fluent 交互的功能。

本軟件與Fluent 之間的交互功能主要是通過程序向Fluent 發(fā)送命令來實現(xiàn)，而實現(xiàn)這項功能主要是依靠void do_command(CString＆str)以及void do_commands(CStringArray＆str)兩功能函數(shù)，前者能向Fluent 發(fā)送一條命令，后者則能一次發(fā)送多條命令。其中CString＆str 以及CStringArray＆str 分別為所需發(fā)送給Fluent 的一條或者多條命令?？紤]到用戶使用軟件程序的方便性，軟件程序內(nèi)大多采用后者，即一次向Fluent 發(fā)送多條指令，以減少用戶工作量。比如需要對導入的網(wǎng)格文件進行檢查，軟件程序向Fluent發(fā)送相應命令的程序為do _command(“/mesh/check”)。

Fluent 初始化時與本軟件程序交互的結(jié)果見圖5。

圖5 與Fluent 同步交互

4 結(jié)束語

本文的主要意義在于結(jié)合實際應用中的需要，研究快速顯示網(wǎng)格文件的方法。通過對網(wǎng)格文件進行正確解讀，在VC 平臺上以OpenGL 圖形處理軟件繪制并建立了一套網(wǎng)格文件解讀軟件，證明了其可行性，為其他二次開發(fā)軟件提供經(jīng)驗，具有一定的實用價值。

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