精美科研圖的代價:如何從非結構化網格中隨意提取流線數據?

在流體動力學模擬結果或者從某種非結構化網格的速度場中提取流線并很好的展示出來,會對你的研究結論的理解有重要作用。提到流線提取和繪制,估計你會想到tecplot,paraview,matlab甚至python等,你說的對,這幾種軟件都可以做這件事兒。但是,各有優缺點!
(1) Tecplot的流線提取我認為是最棒的,因為他可以用鼠標點擊確定流線的位置,而且提取的質量非常棒,還可以導出動態的stream tracer流動的動畫。一個小缺點就是繪圖,其實tecplot繪圖也挺好看的,就是導出為矢量圖的時候,網格單元之間存在一個幽靈般的白線,至今我還沒找到解決辦法(如果誰有解決辦法,記得在底下給我留言哦,感謝!),所以用tecplot繪圖就放棄了!
(2) paraview是可以畫流線,但是功能相比tecplot有點渣渣,還不人性化,放棄!而且paraview作圖也是沒法忍,只是當做現場演示或者快速瀏覽和播放數據還可以。
(3) matlab和python差不多,在提取流線的算法上不太好,而且手動交互不方便。成圖方面,本人偏愛python!!!繪圖質量高,繪圖靈活!
所以本文的重點來了:利用tecplot提取流線并保存數據;然后用python讀取數據并繪圖。本文只講方法和流程,不講編程細節,如果想獲取程序請到九天學者-學術資源庫中留言獲取!

Tecplot提取流線

加載數據

假設你已經有了某個速度場的數據,數據格式可以被tecplot識別,比如netcdf,hdf5或者vtu格式。鼠標點擊tecplot的File->Load Data然后選擇你的數據并選擇相應的格式即可。我這里演示的是加載vtu格式文件(關于vtu格式請參考 File Format for VTK.pdf網頁 ),如下圖所示(需注意的地方已用紅色框標注)

Tecplot讀取非結構化vtk數據格式:vtu后綴名的文件

點擊[Open]按鈕加載數據之后,可以顯示數據中的物理場分布,如下圖所示


Pressure

計算流線

計算流線的第一步是選中左側欄的Streamtracers復選框,并在彈出的小對話框中選擇X軸方向的速度U和Y軸方向V(在你的速度場數據中是有的,我這里是vx和vz),如下圖所示


計算流線第一步

然后第二步就是[OK]按鈕之后,鼠標點擊左側欄Streamtrances和Details按鈕中間的這個帶箭頭圖標的按鈕,然后你的鼠標指針就會變成一個小十字。用鼠標在右邊的數據可視化區域中隨便點擊你想提取流線的地方,就會生成過此點的流線,如下圖所示:


計算流線第二步

Tecplot保存流線數據

上面的步驟計算生成的流線只是在tecplot的繪圖區顯示了,但是如果不想用tecplot繪圖,我想把這些流線數據保存為文件,然后用python畫圖。可以按照以下步驟操作。

提取流線

點擊tecplot頂部的菜單欄:Data -> Extract -> Extract Streamtraces Over Time點擊完這個操作之后并沒有什么對話框顯示,表面上看沒有任何反應不要慌!!!這個操作已經在軟件內部完成了并且記錄了。接下來看看如何保存。

保存流線數據

鼠標點擊菜單操作:File -> Write Data,會彈出如下圖所示的對話框,選擇你喜歡的文件名和文件格式,我這里選擇的是ASCII碼(明碼)文件,如果你是tecplot高級用戶或數據量巨大則可以選擇二進制文件。

保存數據對話框

點擊Save之后又會彈出一個對話框,如下圖所示。這里Zone(s)就會看到多了一個Streamtraces,這就是上一步點擊extract data時生成的(表面上看,軟件沒有反應),次對話框彈出后,Zone(s)下面的數據是全選中的,如果你不需要RestartFile1可以用鼠標點擊你想要保存的數據,多選可以結合shift鍵實現!選中之后點OK就保存了。

保存數據對話框2

保存的這個StreamLines.dat文件大致長這樣:

Tecplot導出的數據文件(ASCII格式的)

這個而文件里面就記錄了這些流線的坐標值和坐標點上對應的物理場值,變量總共有:X,Y,Z,T,Vx,Vz,P,Perm,Perm_log。共有7221個點,7217個element,這里的element是一個線段,其連接順序見數據后面一段。

Tecplot導出的數據文件內容

前面是按順序列出的所有變量的值,后面部分是鏈接順序。所以文件結構很簡單,一看就能猜到他的組織結構。

Python讀取流線數據

讀取流線數據很簡單,找規律用python讀取,然后想怎么繪圖就怎么繪圖了。
如果你不想費勁自己寫程序,想獲取讀取文件的程序請到 九天學者-學術資源庫中留言獲取!

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