基于VTK的冶金流动过程仿真研究

论文摘要

近年来，随着计算机以及相关技术的迅速发展，特别是一些CFD(Computational Fluid Dynamics)商业软件的出现，CFD技术已不再是停留在“象牙塔”中的高深学问，它在工业领域中的应用范围越来越广，大到飞机、火箭、船舶、建筑物、汽车等的外部流场和化学反应器、发动机、锅炉等内部反应过程的仿真模拟，小到喷墨打印机喷墨、人体微血管内血液流动过程的仿真模拟。本文主要论述了一种针对冶金流动过程的CFD仿真系统的设计与实现，并且以六流中间包模型为例给出了具体应用的例子。本文通过分析冶金工业的需求，制定了系统的设计与实现原则。因为VTK类库具有结构性好、易扩展、开放源代码等特性，符合CFD软件的设计要求，本文采用VTK类库做为主要开发工具。本文的CFD仿真系统包括三个模块：前处理模块、求解模块以及后处理模块。前处理模块建立描述问题的几何模型，输入各种必需的参数，最后由软件自动生成网络。本文针对STL格式的模型数据设计了一种简单的网格划分算法，并且用点射线法判断网格节点是否在模型内部。求解模块是根据前处理过程所生成的模型的网格、所选的数值算法、边界条件等进行迭代求解，在计算的同时显示残差曲线图用于跟踪计算过程。后处理模块是对结果(如温度场、速度场、浓度场等)进行可视化处理以及动画处理，本文利用VTK(The Visualization Toolkits)类库实现了三维环境下云图、矢量图、等值线图以及动画等的可视化的算法。根据宝钢的生产实际证明，该CFD仿真系统在实际应用中显示了较强的功能，为企业节省了大量的人力物力，同时设计和开发理念对开发同类软件有很好的启发、参考作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1. 1 引言
• 1. 2 CFD技术在现代工业中的应用
• 1. 2. 1 用于产品原型设计
• 1. 2. 2 用于产品参数化设计与虚拟实验
• 1. 2. 3 用于产品设计优化
• 1. 3 目前国内外CFD软件的状况和特色
• 1. 4 研究背景分析和主要内容
• 1. 4. 1 研究背景
• 1. 4. 2 论文的主要研究内容
• 1. 5 论文的组织结构
• 第二章 VTK类库设计及其功能
• 2. 1 VTK类库产生及其功能
• 2. 1. 1 VTK类库的产生
• 2. 1. 2 VTK基本功能介绍
• 2. 2 VTK类库结构
• 2. 2. 1 VTK类库层次结构
• 2. 2. 2 VTK类库功能分类
• 2. 3 利用VTK类库进行绘制
• 2. 3. 1 利用VTK类库进行绘制过程
• 2. 3. 2 三维数据绘制实例
• 2. 4 VTK类库应用及其发展
• 第三章 实时仿真的冶金流动过程仿真过程
• 3. 1 为什么采用VTK类库
• 3. 2 VTK环境下可视化系统的体系结构
• 3. 3 系统功能模块
• 第四章 前处理模块的设计与实现
• 4. 1 实体模型的输入
• 4. 2 实体网格划分
• 4. 2. 1 网格划分需求及设计
• 4. 2. 2 网格划分算法及其实现
• 第五章 求解模块的设计与实现
• 5. 1 仿真参数设置
• 5. 2 程序求解运算
• 第六章 后处理模块的设计与实现
• 6. 1 仿真结果后续处理
• 6. 1. 1 速度场图
• 6. 1. 2 云图
• 6. 1. 3 等值线图
• 6. 1. 4 流线图
• 6. 1. 5 动画
• 6. 1. 6 其他辅助功能
• 6. 2 数据文件输出
• 第七章 结论
• 7. 1 结论
• 7. 2 工作展望
• 参考文献
• 攻读研究生期间发表的论文
• 致谢