三维可视化后处理系统HydroPlot3d

伴随着数学模型的不断发展, 对水流模拟的越来越细致, 计算结果的数据量也越来越大, 随之而来的是计算结果分析难度的增加。因此, 迫切需要新的技术手段将计算的数据结果转化为其它易于理解分析的形式。计算机多媒体技术的不断发展为这一方面的工作提供了有力的技术支持, 数学模型计算数据转换成直观图形图像的可视化后处理技术正在逐步发展。

计算结果的图像化动态显示已经成为流体计算结果后处理的一个新的组成部分。

 

传统的处理方法主要是以数据报表或图表的方式予以体现,这使得决策者和一般的工程技术人员较难深刻把握成果的合理性和准确性。因此,直观、准确地表现流场的流态情况是当前数值计算后处理的主要研究方向。

 

计算流场的动态可视化

HydroPlot3d是一个功能强大的科学绘图软件。它提供了丰富的流场3-D绘图方式。而且软件易学易用,界面友好。它是流场数值模拟后处理的重要软件,对于流场数据绘图和数据分析是理想的工具。HydroPlot3d作为功能强大的数据显示工具,通过绘制边界,网格,地形,表面,速度场,剖面,迹线等3-D数据图以显示流场数据。

该系统直观地反映了整个流场流态随时间变化的过程,比较准确地模拟了流场的局部细节,为分析潮流和泥沙运动提供了依据,有利于计算者及时发现计算中出现的问题,便于做出合理的调整,也为决策者和一般的工程技术人员提供了决策和设计的依据。

1 数据流模型

 

它主要有以下功能  
1
、可直接读入hydroinfo软件生成的网格,计算结果,通过创建3D曲面或者3D线来描述标量场或者矢量场。
2
、能将三维场景保存为BMPJPEG、等常用图片格式,可以直接打印图形,并在MICROSOFT OFFICE上复制和粘贴。
3
、利用鼠标直接点击即可知道流场中任一点的数值,能随意增加和删除指定的剖面,能根据迹线的设置重新计算迹线。

经典算例展示

 

Hydroinfo 采用以下二种方式进行三维展示:

1.     直接耦合在Hydroinfo运行界面。

点击菜单-动画-三维动画-三维显示或快捷键0,可实现三维动画显示

2.      独立运行HydroPlot3d

点击菜单-窗口- HydroPlot3d,可独立运行HydroPlot3d进行三维动画显示

 

HydroPlot3d软件作为hydroInfo软件数值计算前处理(网格显示)和后处理(结果分析可视化)的重要辅助工具。

 

 运动圆柱的三维动画

  多维耦合问题的三维展示

以下是一些用HydroPlot3d软件作分析得到结果。HydroPlot3d十分友好,用户打开后会看到如下的界面:


  网格显示                          

 

矩形标注: 状态栏矩形标注: 工具栏矩形标注: 工作区

界面与工具栏显示

 

HydroPlot3d的开始界面。界面共可以分成四个区,菜单条,工具栏,工作区和状态栏。

菜单栏

文件: 进行文件的读写,退出。
设置变量:  设置变量,设置矢量,设置迹线,设置剖面等功能。
工具:各个时间步的计算结果以3维曲面的方式展示出来,并且可以连续播放以达到动画模拟的效果。
设置:包括 坐标尺度,三维场景的光线设置,图例设置
图片管理: 保存图片,回放图片

   工具栏
通过Tecplot的工具栏,可以进行经常用到的画图控制。


            
 


2)区域/图形层
该选项决定了显示数据的格式。完全的绘图内容包括所有的图层,文字,几何形状,以及
添加于图形基本数据其它因素。共有6种区域的3D图形。
8
3D区域图形:
1)    •
边界: 对于指定区域绘制边界。
1)    •
网格:网格区域层用线连接数据点。
2) •
地形: 绘制颜色分布作为纹理映射的三维曲面。
3) •
矢量: 绘制流速的方向与大小。
4) •
侧面: 绘制计算域的边界面使整个域是个三维的体结果。
5) •
剖面: 绘制制定剖面的物理量的分布。
7) •
迹线: 绘制迹线和示踪球。

 


3.3
工作区

 工作区是进行绘图工作的区域。绘图区类似一个窗口,是用wpf技术创建的一个三维场景。包括视口(包含3D内容的包容器),照亮部分或者整个3D场景的光源,提供在3D场景中进行观察的视点的摄像机。

 

HydroPlot3d菜单与界面

1、 点击文件菜单,选择打开。

2、 选择hydroinfo软件的计算目录,选择*.xyz文件。

3、 点击打开后,HydroPlot3d软件将读入网格信息和计算的物理量的信息。默认显示的是边界的信息和地形的信息,工作区中边界用红色的粗线描述,地形用颜色的分布描述,颜色带中蓝色表示小值,红色表示大值,过渡色表示中间值,对应值的大小可以查看图例。右上角表示的是坐标系,红色代表X轴,绿色代表Y轴,蓝色代表Z轴。

同时三维模拟子窗口显示了计算的时间步数和计算时垂向的分层数。可以点击“单步模拟”显示对应时间步的结果。点击“动画模拟”按时间顺序依次显示对应物理量的计算结果。

 

在工作区内,可以通过鼠标动作改变三维场景。左键旋转,右键平移,中轮缩放(按住向前为缩小动作,按住向后为放大动作)

 

4、 在界面左侧工具按钮栏中,选择“显示网格”。

5、 在界面左侧工具按钮栏中,选择“显示矢量”。

流场的动态显示是对流场的连续图像表述与流体力学的欧拉方法和拉格朗日方法相对应,流场的动态显示也分为对欧拉场和拉格朗日场的显示。两种方法都用有方向的箭头来表示对应点的流速, 箭头的长度与流速的大小成比例, 箭头的方向指向流速的方向。不同之处在于欧拉方法采用追踪固定点( 一般为计算节点) 处的流速过程, 拉格朗日方法则跟踪流体质点的运动轨迹。由于当前数学模型一般采用欧拉方法进行计算, 因此对欧拉场的动态显示一般无需对计算结果进行插值计算拉格朗日场的显示以流体质点的运动轨迹为对象, 更接近人的直观感受, 易于理解, 但需要进行复杂的插值计算, 工作量巨大。

 

3.矢量场可视化

目前的矢量场可视化映射技术主要有基于几何形状的矢量场映射方法、基于纹理生成的矢量场映射方法和基于光学特性的矢量场映射方法。用得相对较多的是基于几何形状的矢量场映射方法,下面的两种方法均为基于几何形状的矢量场映射方法。

1)点图标方法

基于几何形状的矢量场可视化方法直观方便,易于实现,而且OpenGL 库可以直接利用硬件加速的功能,因而可以基于种子点构造点、线、面、体中间图元,通过绘制图元显示矢量场。为了使可视化效果不至于杂乱无章,应该寻找一种既能反映矢量特征又不易引起混乱的映射图标。点图标是最简单的显示矢量数据的方法。对于每一采样点,用具有大小和方向的图标映射采样点处矢量的大小和方向,常见的有箭头、锥体、有向线段等,这类图标有时被统称为刺状体(Hedgehog)图标,用箭头对矢量场进行映射,用箭头的长短来表示矢量的大小,用

 

 

6、 显示剖面

7、 显示迹线

 

8、 透明度,设置三维曲面的透明度。如上图的透明度为75%

9、 保存图形,将模拟的计算结果以图片的形式保存到计算目录下的pic文件夹下,文件名的命名规则为ImageStep + 时间步+_+迹线计算的时间步+.+图片格式。

10、            地形冲淤