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1、科学计算工具软件,1,天津大学机械工程学院,第一讲 科学计算结果的可视化 Tecplot,2,科学计算的三个步骤,合理的控制方程和边界条件 合理的数值解法 计算结果的可视化,3,科学计算可视化概念,ViSCVisualization in Scientific Computations，是指运用计算机图形学和图象处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图象在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。 可视化是一种计算方法。它将符号变为几何形体，使研究者可以观察他们的仿真或计算结果。可视化提供了一种观察不可见事物的方法。,1987年2月美国NSF “科学计算可视化“会议
2、,4,可视化技术分类,科学计算可视化-空间数据场的可视化 它显示的对象涉及标量、矢量及张量等不同类别的空间数据，研究的重点放在如何真实、快速地显示二维/三维数据场。 信息可视化-非空间数据的可视化 它显示的对象主要是多维的标量数据（经济、管理、Web数据），目前的研究重点在于，设计和选择什么样的显示方式才能便于用户了解庞大的多维数据及它们相互之间的关系。,5,可视化流程,预处理,映射,绘制,6,数据,数据源 实验和观测 风洞,场观测, 望远镜, 空间探测器，水质量 计算和仿真 计算化学, 流体力学，有限元 数据库 蛋白质数据库，基因组研究 数据类型 标量 温度, 压力, 速度大小 矢量 磁场,
3、 速度（方向） 张量 应力，应变 多元变量 天气特征, 影响水质量的因素,7,标量场可视化,一维标量场 构造插值函数F(x)，根据F(x)生成采样点之间的线段。 常见的插值函数有线性插值、Hermite插值、三次及高次样条插值。 然后采用如最小二乘法等进行逼近。 二维标量场 等值线绘制 颜色映射 三维标量场 构造等值面技术Marching Cubes算法 直接体绘制Ray tracing,Cell Project算法等,8,矢量可视化,问题 “我们不能在二维屏幕上直接显示矢量数据，比如只能显示一组小箭头，不能象标量图象那样很容易地解释结果。我们的视觉系统不适合于以此方式解释大批量矢量，但我们有
4、极好的能力可以理解和解释图象或有深度提示的表面图形”Helman J. 困难（1）大小和方向（2）需要更多的显示空间 基本流程 矢量数据的预处理 矢量数据的映射 矢量数据的绘制和显示,9,应用,10,应用,高分子材料的微观结构,流动的涡旋结构,11,应用,12,科学计算可视化在力学中的应用,1、流体力学方柱绕流,13,2、固体力学海洋平台的晃动,14,1、海洋潮流,15,MESH AND CONTOUR PLOT网格图和等值线图,16,XYplot,17,SURFACE,Results from a simulation code which models the interaction of
5、 ocean waves with large offshore platforms. The image show three different Tecplot plot styles highlighting the various ways that data can be visualized.,18,CONTOUR AND VECTOR PLOT等值线和矢量线,19,流线,Large Eddy Simulation streakline visualization of the flow past a circular cylinder at Reynolds number Re
6、= 3900. Michael Breuer - Institute of Fluid Mechanics - University of Erlangen-Nuremberg,20,Tecplot 简介,http:/www.T 适用于一维、二维、三维空间上离散点和网格点上的可视化，适用于非结构网格上数据的可视化 精度高、使用灵活 可以制作多时刻的连续图形动画，并能形成流媒体.avi文件,21,作图的类型,22,添加数据之前的界面,Zone名,时间,Frame名,Border,Grid点,背景（Background,标尺,菜单,工具,Paper,文字和几何图形,23,读取数据文件,1,2,3,
7、24,添加数据之后的界面,Plot Types,Zone Layers,Zone Styles,Tools,25,去掉Border,或双击Border区域,26,图形输出或拷贝至剪切板,27,TECPLOT所需的数据结构,28,Frame1,Frame2,29,每个Zone的数据结构,结构化的（ORDERED DATA）：一组结点上的数据按照逻辑关系组织起来的数组。 有限元或非结构化（FINITEELEMENT）： 一组结点上的数据及其结点之间的连接关系（单元）,30,结构化网格,31,非结构化网格,32,完整而简单的数据文件例,X,Y,文件头,Zone段,Text或Geometry段,33,
8、数据文件的文件头（File Header）,TITLE“？”（可选）。双引号内的内容将显示在Border区域（？） Variables“X” “Y” “？” “T”。变量名称，决定了后续Zone数据体的个数，以及作图时的引用变量名。,34,Zone段,ZONE T=ZONE 1 I=12, J=1, K=1, ZONETYPE=Ordered DATAPACKING=POINT DT=(SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE ) 1.000000000E+000 4.300000191E+000 4.000000000E+000 4.00000000
9、0E+000 2.000000030E-001 4.000000060E-001 2.000000000E+000 4.500000000E+000 4.000000000E+000 4.099999905E+000 2.199999988E-001 4.399999976E-001 3.000000000E+000 4.000000000E+000 3.500000000E+000 4.500000000E+000 2.399999946E-001 4.799999893E-001 4.000000000E+000 4.199999809E+000 3.400000095E+000 4.19
10、9999809E+000 2.399999946E-001 4.799999893E-001 5.000000000E+000 3.500000000E+000 3.000000000E+000 3.599999905E+000 2.000000030E-001 4.000000060E-001 6.073231697E+000 2.099999905E+000 2.599999905E+000 2.799999952E+000 1.599999964E-001 4.030438066E-001 7.000000000E+000 2.000000000E+000 1.500000000E+00
11、0 2.500000000E+000 2.311804295E-001 3.199999928E-001 8.109848022E+000 1.500000000E+000 1.000000000E+000 2.400000095E+000 1.599999964E-001 4.346795678E-001 9.000000000E+000 2.099999905E+000 1.100000024E+000 2.599999905E+000 1.000000015E-001 2.000000030E-001 1.000000000E+001 2.500000000E+000 1.6000000
12、24E+000 3.099999905E+000 2.199999988E-001 4.399999976E-001 1.100000000E+001 3.299999952E+000 2.500000000E+000 3.000000000E+000 2.199999988E-001 4.399999976E-001 1.200000000E+001 3.599999905E+000 3.500000000E+000 3.500000000E+000 2.399999946E-001 4.799999893E-001,名称,TITLE = Rainfall VARIABLES = Month
13、“ Seattle Rainfall“ Dallas Rainfall Miami Rainfall“ Error 1“ Error 2,File Header,数据文件2,35,Zone段（ZoneType）,ZONETYPE=Ordered,FElineseg,FEtriangle, FEquadrilateral, FEtetrahedron,FEbrick,结构化数据 ，可省略,有限元数据，不可省略,四面体,六面体,36,Zone段（DATAPACKING）,DATAPACKING=POINT，BLOCK,37,Zone段（DT）,DT=(SINGLE,DOUBLE,LONGINT,S
14、HORTINT,BYTE,BIT),DT 为DATA TYPE的缩写,38,Zone段（VARSHARELIST）,VARSHARELIST=(1,2,3=1,1,2),在某些情况下，多个zone段（不同时刻同一网格点上的某些量的数据，网格坐标及其连接关系相同，为节约硬盘空间，可以在某些zone内省略这些网格坐标，用VARSHARELIST共享其它zone的网格坐标及其连接关系数据）,本zone的前三个量用zone1的前三个量共享。多用于结构网格三维x、y、z坐标量共享,本zone的前二个量用上一个zone的前二个量共享。多用于结构网格二维x、y坐标量共享,39,结构化数据（ORDERED D
15、ATA）,一维单Zone,Fortran段,Fortran段,X变量写完后，再写Y变量,把某点的所有变量写完后，再写下一个点的所有变量,40,结构化数据（ORDERED DATA）,一维多Zone,共享zone1的Position变量,41,结构化数据（ORDERED DATA）,二维,VARIABLES = X, Y, Temperature, Pressure ZONE I=2, J=3, DATAPACKING=POINT 3 0 0 50 7 2 0 43 2 4 1 42 6 6 0 37 1 8 1 30 5 9 1 21,WRITE (*,*) VARIABLES = X, Y,
16、 Temperature, Pressure WRITE (*,*) ZONE I=, IMAX, , J=, JMAX, , DATAPACKING=POINT DO 1 J=1,JMAX DO 1 I=1, IMAX 1 WRITE (*,*) X(I,J), Y(I,J), T(I,J), P(I,J),备注：先（内）循环I，再（外）循环J 也即：行优先,42,结构化数据（ORDERED DATA）,VARIABLES = X, Y, Temperature, Pressure“ ZONE I=2, J=3, DATAPACKING=BLOCK, VARLOCATION=(3=CELLC
17、ENTERED, 4=CELLCENTERED) 3 7 11 2 6 10 1 5 9 0 2 3 4 6 8 8 9 10 0 2 1 3 45 60 35 70,变量3（Temperature）、4（Pressure）在网格中心,X,Y,Temperature,Pressure,43,结构化数据（ORDERED DATA）,三维POINT,备注：先X方向循环、再Y方向循环、最后Z方向循环,44,结构化数据（ORDERED DATA）,三维（BLOCK）,X,Y,Z,Temp,45,有限元数据（Finite-Element Data）,ZONETYPE （FELINESEG, FETRIA
18、NGLE, FEQUADRILATERAL, FETETRAHEDRON, or FEBRICK） DATAPACKING （ POINT or BLOCK）,46,有限元数据（Finite-Element Data）,5个节点数据,3个单元,5个节点、三个单元,47,有限元数据（Finite-Element Data）,POINT格式的FORTRAN段,BLOCK格式的FORTRAN段,48,有限元数据（Finite-Element Data）,X Y P1 P2 P3 -1.0 0.0 100 110 120 0.0 0.0 125 135 145 1.0 0.0 150 160 180
19、-0.5 0.8 150 165 175 0.5 0.8 175 185 195 0.0 1.6 200 200 200,已知：X、Y为三角形网格节点坐标， P1、P2、P3为三个不同时刻节点上的压强,网格节点及其三个不同时刻节点上的压强,49,有限元数据（Finite-Element Data）,6个节点坐标及P1时刻的压强,4个单元的节点连接关系,50,用TECPLOT作图方法,第一步：读取数据 第二步：根据数据类型绘制各类型图形（一维、二维、三维） 第三步：拷贝至WORD等字处理软件或输出图形、图像、动画 文件,51,第一步：读取数据文件,1,2,3,52,第二步：绘制图形（一维网格上的
20、数据：XY图）,西雅图、达拉斯、迈阿密三地不同年份12个月的降水量,12个月,三地降雨量,可用共享省略月份,53,双击,单击,备注：见前页的数据,年份1的数据,54,55,图例,56,双击,单击,57,坐标轴属性更改,双击,单击,58,第三步：拷贝至剪切板,59,第三步：或输出图形文件,60,多Zone图形添加,默认,年份2的数据,61,单击修改,62,二维数据,63,读入数据后显示的网格,64,等值线,65,66,More,67,二维等值面的三维显示,68,流速图,第一次,69,修改箭头线的颜色,修改间隔个数,双击,70,让箭头的颜色与某一变量相关,71,改变线条的相对长度,72,添加流线,
21、流线添加,73,从图中取出某一条线上的数据,74,VARIABLES = X Y Z U/RFC V/RFC R/RFR Dist du/dy dv/dx Vorticity ZONE 2.86414588618 2.98725678203 ,contourto1D.dat文件内容及其图形,75,动画输出,TITLE = 0 VARIABLES = X,Y,U vel,V vel, PRESSURE , VOL OF FLUID ZONE T= AT TIME = 0.110000000000000 SECOND ,I= 102,J=102, F = POINT -0.500000000000
22、000 -7.500000000000018E-002 2.597132809875048E-003 0.000000000000000E+000 97233.9365414788 1.00000000000000 TITLE = 0 VARIABLES = X,Y,U vel,V vel, PRESSURE , VOL OF FLUID ZONE T= AT TIME = 1.05040197633594 SECOND ,I= 102,J= 102, F = POINT -0.500000000000000 -7.500000000000018E-002 0.191583555611533
23、0.000000000000000E+000 99564.9930553578 1.00000000000000 共有20个zone区域，其中X，Y为网格坐标，U vel和V vel为X、Y方向的流速分量，VOL OF FLUID为水气分界面（为0至1，0为气体，1为液体；作图时最好画等值线LEVEL0.5,TECHPLOT_UVS.DAT文件：,76,去掉其它LEVEL,77,选中所有Zone，将线色改为黑色，Contour类型改为Lines，将Boundary线也改为黑色。最后只显示最后一个zone（即zone Num20）,78,双击,79,80,1,2,3,81,82,三维数据可视化,
24、TITLE = LCHG VARIABLES = X“ Y” Z” AC ZONE T=SubZone I=132, J=30, K=19, ZONETYPE=Ordered DATAPACKING=POINT DT=(SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE ) 1.746986985E+000 1.500000000E+000 6.562500000E-001 1.000000000E+000.,83,84,设置透明度（默认50）,双击,透明显示,85,新生成的切片Slice,切片过程,86,仅显示切片上的内容,87,88,仅显示等值面（ISOsurface）,89,新切出的
25、zone,90,与仅显示SLICE不同，此处多出了Zone,91,将绘图工具栏改为2D，选择X为水平轴，Z为垂直轴，并仅显示Slice片内容，则显示如下（随后可以用2D绘图方法绘制图形，流速也一样）,92,三维多Zone情况基本相同,TITLE = LCHG VARIABLES = X“ Y” Z” U vel” V vel” W vel“ VOL OF FLUID ZONE T=1 I=67, J=25, K=20, ZONETYPE=Ordered DATAPACKING=POINT DT=(SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE SINGLE ) 1.124369025E+000 5.750005841E-001 6.421443820E-001 -3.291069865E-001 -1.041804135E-004 8.660291880E-002 . ZONE T=“2“ .,93,三维多Zone情况基本相同,94,95,简单散点数据可视化,当没有文件头时，Tecplot可以视为散乱点,x y， u ， v,96,1,2,3,4,新生成zone,原始zone不显示,三角化后生成的网格,97,流速显示,98,导出三角化后的数据,V1、V2、V3、V4分别为X、Y坐标和U、V分量,99,100,Tecplot导入数据（数据接口）,