三维有限差分计算中大规模网格生成及显示技术 小中大规模的命名

　　摘要： 针对爆炸与冲击问题并行仿真计算软件PMMIC3D(Parallel MultiMaterial in Cell 3D)的计算网格为正交六面体网格的特点，开发与PMMIC3D接口统一的可对任意复杂三维实体模型进行大规模有限差分网格生成的三维前处理软件MESH3D.MESH3D采用CSG和STL模型两种建模方式进行复杂实体建模，并采用基于边的整体切片算法，借鉴计算机图形学中的扫描线填充算法完成三维有限差分网格划分.在绘制网格时，删除网格单元的公共面，大大缩短计算时间和减少存储空间，实现对网格的快速消隐显示.MESH3D可实现百亿量级网格单元的生成和显示.三维前处理软件MESH3D的开发有力地支持爆炸与冲击问题的仿真计算.
　　关键词： 前处理； MESH3D； PMMIC3D； 有限差分； 网格生成； 网格显示
　　中图分类号： TB115.7；O38；TP317.4 文献标志码： A
　　Largescale grid generation and display technology in
　　3D finite difference computation
　　LIN Genghao, MA Tianbao, NING Jianguo
　　（ State Key Laboratory of Explosive Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China）
　　Abstract： As to the characteristic that the computation meshes of 3D parallel simulation software Parallel MultiMaterial in Cell 3D(PMMIC3D) which is employed in the simulation fields of explosion and impact are orthogonal hexahedral, a 3D preprocessing software MESH3D is developed, which has unified interface with PMMIC3D and can generate largescale finite difference grids especially for any complex 3D solid model. Two methods of CSG and STL models in MESH3D are used to build the arbitrary complex solid model, and the 3D finite difference grids are implemented using edgebased integral slice algorithm referred to the scanning line filling algorithm in computer graphics. To implement quick blanking display of meshes, the public surfaces of grid elements are removed in the drawing process to reduce the computation time and storage space. Ten billion scale grids generation and display can be realized using MESH3D. The development of 3D preprocessing software MESH3D can support the explosion and impact simulation effectively.
　　Key words： preprocessing; MESH3D; PMMIC3D; finite difference; grid generation; mesh display
　　有限差分法作为求解数学物理问题的一种数值方法已经广泛应用于流体和爆炸等领域.有限差分数值模拟系统一般包括前处理系统、数值模拟计算求解器以及后处理系统等三个部分.［1］用户利用前处理系统建模，将输出保存在数据文件中，提供给计算求解器使用.计算求解器根据前处理保存的数据文件进行完全自动的过程计算，将需要的物理量输出到数据文件，供后处理系统进行可视化分析.其中，前处理是进行数值分析的前提和基础，其质量直接影响数值模拟的质量和可靠性.良好的前处理是有限差分分析的前提和关键.
　　爆炸与冲击问题大多属于三维问题;将实际问题简化为二维问题，其计算结果与实际情况会有一定差距,因此，开展三维计算爆炸力学的研究十分必要.爆炸与冲击问题中模型尺寸尺度往往跨度很大，如射流侵彻靶板问题中的药型罩壁厚和靶板厚度，如果没有足够的网格数，模型清晰度和计算精度就无法得到保证.即使采用局部加密网格方法，三维问题的计算规模依然巨大，网格数多达上亿个.为增大计算规模并加快计算速度，开发并行仿真计算软件势在必行.
　　三维爆炸与冲击问题并行仿真计算软件PMMIC3D（Parallel MultiMaterial In Cell 3D）是北京理工大学爆炸与冲击动力学学科组自行研发的具有自主版权的适用于爆炸、射流和侵彻等领域的欧拉型有限差分计算求解器.［2-4］本文从PMMIC3D对前处理的输出文件要求入手，进行系统的分析与设计，开发与PMMIC3D接口统一的可进行大规模有限差分网格生成的三维前处理系统MESH3D.