基于paraview的非结构化网格可视化

ParaView 是一个开源的多平台数据分析与可视化应用，广泛应用于科学计算领域中的大规模数据集可视化。下面是paraview中一些模型的可视化效果，包括液体搅拌、波相关和医学扫描数据。

与此同时，ParaView 对有限元结果的可视化也有强大的支持，特别是在处理大型数据集和复杂的网格时。有限元分析通常生成包含节点、单元和物理场变量的数据，这些数据可以通过 ParaView 进行后处理和可视化。

在有限元结果可视化中，网格的可视化是重中之重，网格可大致分为结构化网格和非结构化网格，关于结构化网格的可视化，paraview的帮助文档有详细的说明，这里重点讲解非结构化网格的可视化，兼具标量数据和矢量数据的可视化。

非结构化网格在处理如汽车、飞机的气动设计、复杂地形的环境模拟、生物医学工程中的器官建模等领域中非常有用，因为这些应用往往涉及到复杂的几何形状和边界条件。尽管非结构化网格的计算成本可能相对较高，但其灵活性和适应性使其成为解决复杂问题的重要工具。

非结构化网格的主要特点包括：

灵活性：可以很好地适应复杂的几何形状，不需要对计算域进行过多的简化或近似。

节点和单元的多样性：网格中的单元可以是三角形、四边形（在二维情况下），或者四面体、六面体、金字塔和楔形等（在三维情况下）。这种多样性使得网格可以针对特定区域进行细化，以提高计算精度。

局部细化：在需要更高精度的区域，可以局部增加网格密度，而不必在整个计算域中均匀细化网格，这样可以有效控制计算成本。

生成和处理的复杂性：由于非结构化网格的灵活性，其生成和处理通常比结构化网格复杂。需要使用专门的算法来生成网格，并且在进行数值计算时，如有限元分析或流体流动模拟，需要处理不同形状和大小的单元。

数据结构：非结构化网格的数据结构通常比结构化网格复杂，需要额外的数据结构来存储单元与节点之间的连接关系。

VTK（Visualization Toolkit）文件格式是 ParaView 中使用的一种重要数据格式，该文件记录了数据集的网格信息、节点坐标信息、标量、矢量和张量等信息，vtk文件有两种格式，分别为二进制和字符型（ASCII 型），ASCII VTK文件是一种文本格式的文件，用于存储和描述数据集，以便于可视化和分析。这种格式对于人类可读和编辑，但通常比二进制格式的文件更大，且读写速度较慢。ASCII VTK文件的结构通常包括以下几个部分：

文件头部：以 # vtk DataFile Version 3.0 开头，指明文件是VTK格式，以及版本号。版本号之后通常会跟随一个描述性的字符串，用于说明数据集的内容或来源。

数据类型：接下来会指定数据集的类型，如 ASCII 或 BINARY。尽管文件是ASCII格式，但这里指明的是文件中数据的存储方式，对于ASCII文件，这一行会是 ASCII。

数据集描述：紧接着是数据集的描述，可以包含任意文本，用于描述数据集的特征或提供其他信息。

数据块（Data Blocks）：数据部分开始于 DATASET 关键字，后面跟随数据集的类型，如 STRUCTURED_POINTS、UNSTRUCTURED_GRID、POLYDATA 等。之后是具体的数据定义，包括点（Points）和单元（Cells）的定义，以及可能的关联数据（如标量、向量等）。

点（Points）：定义数据集中的几何点，通常以一系列的三元组（x, y, z坐标）表示。

单元（Cells）：定义网格的拓扑结构，例如，对于非结构化网格，会列出构成每个单元的点的索引。

数据字段（Data Arrays）：可以包含标量、向量或张量数据，这些数据与点或单元相关联。例如，对于一个标量数据，会列出每个点或单元的值。

结束标记：数据部分以 ENDDATA 结束。

下面是一个简单的ASCII VTK文件结构示例

在这个例子中，定义了一个包含3个点的非结构化网格，由一个三角形单元组成。同时，还定义了一个名为 cell_scalars 的标量数据字段，包含两个值，分别对应于网格中的两个单元。

ASCII VTK文件的可读性使得它们在需要手动编辑或调试时非常有用，但因为文件较大且读写速度较慢，对于大规模数据集，二进制格式通常是更好的选择。

下面采用手编的形式讲解非结构化网格在paraview中的显示，该例子包含两个多面体单元，如图所示

这两个正方体的边长均为2，边中间的点均为边中点，方便手编坐标。这一些点的坐标为

下面逐行讲解这两个非结构化单元的vtk文件（文末附有vtk全文）。首先是vtk文件头

第一行是涉及到paraview的版本。

第二行是注释信息，随便写，我这是手动生成的，因此写了：vtk from mananul，第三行的ASCII表示这是一个字符型的vtk文件，最后一行则代表着数据集的类型，这里表示的是多边形数据。

然后是非结构化网格的节点坐标信息。

points表示下面的数据集是点，19代表非结构化网格的节点总数，后面的float说明坐标的数据类型，后面的每一行依次是19个节点的xyz坐标。

下面是非结构化网格的面信息。

POLYGONS  代表下面的数据是非结构化网格的多边形表面信息，一共15个表面，后面的82是所有的表面节点数目总和加上多边形个数，即

后面每一行数据的第一个数字是该多边形的节点数目，后面是具体的节点编号，注意节点标号的索引是从零开始的。

为了方便理解，下面给出15个表面的示意图（手指头累断了），三个为一组，一共五组，大家可以跟上面的POLYGONS  数据集对比着看。

上面是非结构化网格的15个多边形表面，下面开始定义节点上的数据，可以是标量，如密度和泊松比等，可以是矢量，如位移、速度和加速度等，在正式开始给节点赋数据之前，要先声明节点数据，如

19是我这个例子的节点数目，是可变的。下面首先给节点赋予标量数据，如

第一行的name是数据量的名称，在paraview中会显示，float说明数据的类型是浮点数，后面的1表示我们这个例子中只有一组标量数据。后面的数据行要和节点数目对应。

下面是两组矢量数据

这个例子设置了两组矢量数据，分别是：U和S，代表位移和应力。第一行的数据2，即表示有两组数据。第二行和第五行中的3表示该矢量有三个分量，19表示节点数目，double是矢量分量的数据类型。每组矢量后面的数据行行数都是节点数目。

上面的非结构化网格示例在paraview中显示为

上面的示例中，设置了一组标量场，两组矢量场，对于矢量场，paraview会给出自己设计的分量，并且自动计算矢量对应的大小，如U数据，分别给出了xyz分量，和magnitude

对于标量场，paraview直接给出数值，如v数据

上面就是这个简单非结构化网格示例的可视化效果。

下面给出了上面手编的非结构化网格示例，里面的标量和矢量数据都是随意设置的，仅仅为了展示文件结构和各关键词的含义，搞清楚了这些，就可以手写程序。vtk文件为

paraview功能强大，上面只是非常简单的非结构化网格示例，仅仅涉及到paraview基本的功能，还有张量可视化等更加复杂的功能，大家可自行探索。