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基于物理特征的二维流场的并行拓扑结构分析

作　者: 裴保梅
导　师: 秦勃
学　校: 中国海洋大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 科学计算可视化流场可视化特征区域提取拓扑简化并行计算
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着科学技术的迅猛发展,科学计算可视化所涉及的领域越来越宽,对象越来越复杂,待处理的数据量越来越大,实时性要求越来越高。矢量场可视化作为科学计算可视化最具挑战性的重要组成部分之一,传统的平面矢量场可视化方法已经满足不了可视化的要求。在此情况下,特征可视化作为一种新的可视化技术被提出,并得到了迅速的发展。这种“有选择的”可视化,可以滤除无关数据,极大的降低信息处理量,同时保证了量的准确性。流场拓扑结构分析是一种重要的特征可视化方法。并行化的成本优势及应用对性能上实时性要求的满足促进了并行计算的发展,并行处理技术的出现为实时海量数据的可视化提供了重要平台。本文利用被广泛接受的基于消息的MPI技术及区域分解算法,将大的复杂的问题分解为可以并行计算的小块问题,利用机群采用主从式编程技术进行并行计算,提高了运算速度满足了实时性要求。拓扑结构分析与并行技术的结合为解决大规模流场数据的实时可视化提供了新的途径。本算法由五部分组成：采样数据插值加密、临界点的定位与分类、特征计算、根据用户设定阈值获取临界点特征区域、根据用户选择画特征拓扑图及流线图。算法中采样数据的加密、临界点位置的计算及分类、旋度、散度特征值的计算及流线的生成均采用并行计算。传统的流场拓扑结构分析,都是基于几何的,存在提取特征区域困难,难以满足远程可视化的实时性要求。本文利用旋度和散度滤波器的概念,用积分的方法来计算流场物理特征,在插值加密后的数据上查找临界点,并利用雅克比行列式对临界点进行分类并存储。根据用户选择的显示图形类型及设定的阈值在求得的特征图像数据之上,寻求临界点的特征区域。其中流线采用四阶龙格-库塔法进行拟合。流线的疏密控制是根据生产流线特征区域的临界点类型进行控制的,不同的临界点种子点的选取不同。根据选取的种子点数目及位置不同来控制流线的疏密。本文在论证了临界点理论与物理特征值关系的基础之上,利用并行算法将临界点理论与基于物理特征的二维流场可视化方法结合起来,摒弃了基于几何计算复杂、基于物理特征马鞍特征数据难以提取的缺点,提出了一种能快速清晰表现流场特征的可视化方法。利用本算法提取的特征拓扑流线图结构清晰、特征完整。算法在完全保持场的物理特征不变的情况下,能有效地对平面离散流场的物理特征进行有选择性地可视化,从物理和宏观的角度出发能准确快速地描述平面流场的整体拓扑结构,达到流场的拓扑简化与压缩描述的目的。试验结果表明,本方法能准确快速找到临界点作用区域,是一种新的提取流场拓扑结构的方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
0 引言  12-14
  0.1 课题的提出  12
  0.2 论文的结构  12-13
  0.3 论文的创新点  13-14
1 平面矢量场可视化概述  14-22
  1.1 流场可视化简介  14-15
  1.2 流场可视化的几种方法  15-19
  1.3 并行计算的发展现状  19-21
  1.4 本文方法的提出  21-22
2 流场可视化相关概念和理论  22-36
  2.1 临界点理论  22-24
    2.1.1 临界点(Critical Point)的定义  22
    2.1.2 临界点的分类  22-23
    2.1.3 临界点位置定位  23-24
  2.2 矢量场散度  24-26
    2.2.1 通量  24-25
    2.2.2 矢量场散度  25-26
  2.3 矢量场旋度  26-28
    2.3.1 环量  26-27
    2.3.2 矢量场旋度  27-28
  2.4 散度与旋度的近似计算计算  28-31
    2.4.1 闭合曲线与闭合曲面  28-29
    2.4.2 散度计算  29-30
    2.4.3 旋度计算  30-31
  2.5 物理特征与临界点的关系  31
  2.6 流线的构造技术  31-36
    2.6.1 流线的定义  31-32
    2.6.2 龙格-库塔算法  32-33
    2.6.3 流线的疏密控制  33-36
3 基于物理特征的二维流场的拓扑结构分析  36-44
  3.1 流场数据的预处理  36-37
  3.2 基于物理特征临界点区域定位  37-40
    3.2.1 旋度临界点区域定位  38-39
    3.2.2 散度临界点区域定位  39
    3.2.3 马鞍点的临界点区域定位  39-40
  3.3 流线绘制  40-44
    3.3.1 流线种子点布置  40-41
    3.3.2 流线绘制  41-44
4 并行处理  44-58
  4.1 并行计算  44-47
    4.1.1 并行计算体系结构  44-45
    4.1.2 并行编程模式  45
    4.1.3 并行算法  45-46
    4.1.4 并行程序的开发模式  46-47
  4.2 算法流程  47-48
  4.3 并行处理机制  48-51
  4.4 区域分解算法  51-54
  4.5 临界点位置的计算及分类  54-58
5 实验结果分析  58-62
  5.1 并行结果分析  58-59
  5.2 流场拓扑简化效果分析  59-62
6 总结与展望  62-63
参考文献  63-65
致谢  65-66
个人简历  66-67
发表的学术论文  67

基于物理特征的二维流场的并行拓扑结构分析

内容摘要

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