VC 环境下网格文件解析技术研究与应用

郑朝亮，杨余旺

(南京理工大学计算机科学与工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

网格划分是计算机图形学研究的重要内容，目前，有多种网格划分算法，如拓扑分解法、节点连接法、映射单元法、基于栅格法等。建立计算模型是流体力学(CFD)的重要环节，通常来说CFD 的计算模型都是简单的规则体或者是规则体的叠加［1］。目前多款商业构型软件都能生成网格文件，但是在网格文件的结构上存在差异。

本文对导入Fluent 的网格文件以OpenGL 图形处理软件进行物理模型的显示，主要针对以Gambit软件生成的网格文件，由于鲜有文献对网格文件的结构进行说明以及解释，所以对网格文件的解析是通过对大量网格文件的分析与总结得出的。最终通过程序解读，在VC 平台用C 语言编程，逐步实现点、线、面、体的模型构建，使网格文件在开发的环境中正确显示。

本文采用Visual C ++6.0 Enterprise 作为开发工具，利用MFC 基础类库作为整体软件程序界面的开发基础，利用OpenGL 图形库作为整体软件程序图形显示处理的开发基础。通过对网格文件的解读后，自行绘制出相应的图形，最终形成较为方便、快捷、全面的模拟计算程序。

1 网格文件物理解读

网格文件大小不一，但是总体结构遵循一定的生成规律。在程序中对网格文件解读并且生成对应的图形，必须先对其进行正确的物理解读［2］。下面以Gambit 软件生成的网格文件为例，对其基本构成进行解读:

以上为网格文件的基本构成，一般的网格文件大小从几十kB 到上百MB 不等，但是基本组成类似，本文将核心部分挑出进行解读。

1)前2 行解释生成此文件所用的软件，如此例中表示的为Gambit 软件生成的网格文件。(2ND)解释此网格模型的维度，ND 为2 时则为二维网格，ND 为3 时则为三维网格。

2)(10(zone-id first-index last-index type ND)):

其中索引10 表示此类为网格点(node)信息。zone-id表示分配给该区域的编号。first-index last-index 分别为所有点的起始以及结束索引，表示方式为16 进制数字。type 表示点在网格中的类型，type 等于0 时为“虚”点，等于2 时为边界点，等于1 时为无类型。在一般网格文件中，点的类型都为无类型，即type 都为1。ND 为表示网格维度:2 表示二维，3 表示三维。x，y，z 表示点的坐标信息，如无特殊情况，此类即表示构成网格所有的点的坐标信息［3］。

3)(13(zone-id first-index last-index type elementtype)):其中索引13 表示此类为网格面(Face)信息。zone-id 与点信息一样，表示该面所分配到的编号。first-index last-index 分别表示构成该面的起始点以及结束点的索引，用16 进制表示。type 表示此面作为边界的类型，目前总结出的所有类型，可参考表1。element-type 一般有3 种表示，并且决定n_type 表达方式，具体见表2。在具体信息里，n0，n1，n2 分别表示构成网格单元的点(n_type 为3 有3 个点，n_type为4 有4 个点)的索引，具体点的坐标信息可根据点的索引于网格点信息(10)中进行检索。cr，c1 分别为此表面与右侧区域以及左侧区域的关系，可根据这2 个值确定此面是否为耦合面。

表1 type 类型

表2 Face 类中element-type 的类型

4)(12(zone-id first-index last-index type elementtype)):索引12 表示此类为单元Cell 信息，zone-id，first-index，last-index 与之前的解释类似。type 的值一般为1，表示正常区域。element-type 表示该部分Cell的类型，具体如表3。

表3 Cell 类中element-type 的类型

5)(45(zone-id zone-type zone-name)()):索引45 表示此类为命名信息，zone-id 为对应区域的编号，zone-type 为对应区域的类型:若区域为Cell，则zonetype 的类型有fluid 和solid［4］;若区域为Face，zonetype 的类型可参考表1。

2 网格文件显示设计

通过对网格文件的结构解析，为软件程序读取网格文件，并且通过OpenGL 显示功能的实现提供了非常重要的参考和帮助。软件程序基于网格文件的结构，编制了网格文件的分析程序，分析程序主要包含openMsh()，readPoint()，readFace()，readZone()共4类函数功能。其中，openMsh()为打开网格文件;其它3 个函数依次对应网格文件的3 个基本要素:点、面、区。具体流程见图1。

图1 流程图

各函数模块功能为:

1)openMsh()函数:读入整个网格文件内容，并检索网格文件是否由Gambit 软件生成，判断网格文件为二维还是三维。

2)readPoint()函数:提取网格文件中所有点的信息，包括点的坐标以及每个点的编号。

3)readFace()函数:提取网格文件中所有面的信息，包括构成该面的所有点的信息。

4)readZone()函数:提取网格文件中所有区域(Cell)的信息，包括构成该区域内所有点的信息。

在完成对整个网格文件的分类提取储存后，判断当前的绘图模式，绘图模式包括整体显示模式DrawMSHScene()、部分显示模式DrawZoneScene()、突出显示模式DrawZoneHightScene()，提取所需绘制部分的点、面、区的信息，通过RenderScene()函数对网格图形进行显示。

3 网格文件程序解读

以装甲车辆网格文件为例，通过Fluent 对装甲车辆进行数值模拟，建立装甲车辆及地面背景的物理模型。本文以已经公布的坦克图片、部件尺寸参数为参考，在保留外部几何形状，保留温度分布特征明显的部件，尽量简化、舍弃内部复杂细小部件，减少网格数量，提高计算速度的前提下，建立简化的坦克装甲车辆的物理模型。

在物理模型的基础上使用Gambit 软件进行网格划分，网格划分遵从由内到外，优先六面体网格，其次四面体网格，热交互强烈处密，其次疏的准则［5］。得到坦克装甲车辆具体的混合型网格，见图2。

3.1 结构设计

一个网格文件大小从几百kB 到几百MB 不等，对于其中的点、面、体信息记录的量很庞大，程序设计之前，首先定义相关的结构体，以记录存储信息［6］。

1)定义点的结构体，命名为vertex，内部定义int型编号number，及float 型x、y、z 存储点的位置。

2)定义面的结构体，命名为face，内部主要是int型编号number。

3)定义区域的结构体，命名为zone，内部需要有string 型变量记录名字，对应区域类型，判断是否是耦合面，如果是还得添加相关信息［7］。

3.2 信息读取

读入1 个网格文件(msh 文件)后，依次遍历，分别执行readPoint()、readFace()、readZone()这3 个函数。

1)readPoint()函数执行相对简单，遍历网格文件中所有的点信息，通过压栈将信息存储。

2)readFace()函数执行相对复杂，最大的难点是判断是否有阴影面。本文规定若有阴影面，则添加1个面为shadow 面，名称为原来的面加后缀“-shadow”。如wall 面为阴影面，则由wall 面产生1 个阴影面”wall-shadow”。

3)readZone()函数将网格文件最后的Zones 信息读入。依然通过压栈方式存储［8］。

3.3 图形绘制

在View 类里，添加1 个名为DrawMSHScene()的函数，以完成网格文件的绘制工作。在此函数中，将之前压入堆栈的信息出栈，通过OpenGL 简单的画点和线的方式将这些信息连接起来即可［9］。为了用户观察方便，程序中添加DrawZoneHightScene()函数，当指定具体的边界时，该边界区域以红色线条显示。图形显示区可包括一般的图形操作功能，如对图形的拖拽、旋转、放大缩小等功能。

构件名称选择“fushequ”，边界名称选择“facetouming”，得到的效果图见图3。

图3 网格文件读取显示

3.4 信息选择

一个完整的网格文件信息众多，其边界从几个至几十上百个不等，在信息读取功能中已经记录了所有的边界，在程序中用户可以自主选择［10］。每当做不同的选择时，图形显示区域可将对应的边界区域用红色显示，使网格读取程序更加智能［11］。操作界面见图4。

图4 操作界面

3.5 与Fluent 交互

Fluent 采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而Fluent 能达到最佳的收敛速度和求解精度。本软件为了更加精准和直观，加入了与Fluent 交互的功能。

本软件与Fluent 之间的交互功能主要是通过程序向Fluent 发送命令来实现，而实现这项功能主要是依靠void do_command(CString＆str)以及void do_commands(CStringArray＆str)两功能函数，前者能向Fluent 发送一条命令，后者则能一次发送多条命令。其中CString＆str 以及CStringArray＆str 分别为所需发送给Fluent 的一条或者多条命令。考虑到用户使用软件程序的方便性，软件程序内大多采用后者，即一次向Fluent 发送多条指令，以减少用户工作量。比如需要对导入的网格文件进行检查，软件程序向Fluent发送相应命令的程序为do _command(“/mesh/check”)。

Fluent 初始化时与本软件程序交互的结果见图5。

图5 与Fluent 同步交互

4 结束语

本文的主要意义在于结合实际应用中的需要，研究快速显示网格文件的方法。通过对网格文件进行正确解读，在VC 平台上以OpenGL 图形处理软件绘制并建立了一套网格文件解读软件，证明了其可行性，为其他二次开发软件提供经验，具有一定的实用价值。

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