基于VTK的冶金流动过程仿真研究

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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。
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