FVM和FEM中的网格生成方法能否完全基于计算机图形学中的网格生成理论知识?

计算科学 计算几何 网格生成
2021-12-02 14:05:17

我发现的计算机图形学(CG)中网格生成方法的主要参考文献是离散微分几何[1]和一本名著《多边形网格处理》[2],而《网格生成手册》[3]是主要参考科学计算网格生成书。我发现很少有人做力学研究网格。在科学计算中,很少有关于网格生成的参考资料(尤其是在编程方面)。

我自己对网格生成感兴趣。我从计算机图形学的角度开始。我花了一些时间学习一些计算几何 [4]、数字几何处理和离散微分几何课程。但是,我知道用于科学计算的网格分布不仅应与几何曲率有关,还应与物理场的梯度有关。图形主要关注渲染,CG中的物理模拟对精度要求不高。因此,对于 CG 中的网格生成,几何曲率可能比物理场的梯度分布更被考虑。我认为有一些差异。以流体边界层为例。在图形中,我猜想在计算流体动力学中不需要许多薄矩形边界层网格。

除了上面的参考资料,我还找到了另外 3 门关于网格生成和几何处理的课程,都是由计算机科学系的 CG 教授讲授的 [5-7]。

参考书目

  1. 基南克兰。CS 15-458/858:离散微分几何,卡内基梅隆大学,2020。

  2. Botsch、Mario、Leif Kobbelt、Mark Pauly、Pierre Alliez 和 Bruno Lévy。多边形网格处理。CRC 出版社,2010 年。

  3. Thompson、Joe F.、Bharat K. Soni 和 Nigel P. Weatherill,编辑。网格生成手册。CRC 出版社,1998 年。

  4. 奥罗克,约瑟夫。C. 剑桥大学出版社的计算几何,1998 年。

  5. 乔纳森·休丘克。CS 294-74 图形、工程和建模中的网格生成和几何处理,加州大学伯克利分校,2012 年。

  6. 阿尔珀·翁格尔。CPS296.2:计算机科学网格生成高级主题,杜克大学,2002 年。

  7. 傅晓明。数字几何处理,中国科学技术大学,2019。

4个回答

这是一个有趣的问题,但也非常依赖于问题。

对于许多科学问题,您喜欢具有良好的角度(通常更喜欢 Delaunay 网格)和特征对齐的三角剖分等属性,例如,将域中的边网格化为三角剖分中的边。此外,对元件尺寸也有不同的要求。有些问题可能需要一个基本统一的元素大小,而其他问题则需要一个高度自适应的,这取决于域特征。

这是一个不典型的计算机图形网格示例(您不需要很多三角形来表示形状),但对于科学计算而言是典型的:

自适应网格https://www.comsol.com/blogs/how-identify-resolve-singularities-model-meshing/

对于某些算法,还存在诸如良好居中元素(参见离散外演算)之类的要求,即包含其外心的三角形。有一些特殊的算法可以优化网格以使其具有此类属性,例如 Hodge 优化三角剖分 (Mullen et al. Siggraph 2011),它针对渲染不重要但某些数值算法所需的属性进行优化。

作为研究网格的计算机图形学人员,我们关心两件事。元素质量和边界保真度。正如您提到的用于渲染目的的边界保真度,但在模拟中准确的碰撞检测也需要它。元素质量是必需的,因为您可以根据网格元素的“好”程度来限制椭圆 PDE 数值解的误差。我想说我们和其他人一样关心从我们的网格中得出的 PDE 解决方案的准确性。

据我所知,很少有图形论文尝试对网格进行自适应细化。这是主要的区别。除此之外,用于科学计算的网格与 CG 网格基本相同。他们关心边界和元素质量。

如果要创建一个用于科学计算的网格,完全从计算机图形学的角度出发是否可行?

-- 稍微改编自 OP


这要看情况。我主要从事计算流体动力学(CFD)领域的工作。根据我在 CFD 方面的经验以及我在使用有限元方法 (FEM) 的固体力学方面的有限经验,我的感觉是,CFD 有时对网格质量非常敏感,远远超过 FEM。

我遇到了使用四面体网格崩溃的多相问题,不知何故使用棱柱网格(挤压三角形)运行,使用六角网格运行得很好。


所以我猜科学计算对网格的要求比计算机图形学的要求更广泛。计算机图形人:如果我错了或过于简单化,请正确。

计算机图形最关心边界的准确表示;而在科学计算中,网格的内部属性可能会出现很多问题。

非常感谢您的评论、编​​辑和回答。我学到了很多东西。作为提问者,我试图总结我的回答。

在我看来,CG 和科学计算的网格生成算法非常相似。我们可以从 CG 的角度学习网格生成算法。

但是CG和科学计算是有区别的。这就是使用网格的目的。不同的目的需要不同的网格。没有针对所有问题的最佳网格。

对于科学计算而言,最优网格实际上与具体的初始条件、边界条件和控制方程的离散化方案密切相关。如何将这些因素引入到最优网格的测量中是一个非常重要的课题。如果从科学计算的角度来看,如果没有良好的网格,数值方案就不能很好地执行。我认为好的网格不仅是 3D 几何空间的高离散化质量,也是由数值方案引起的高维计算空间的高离散化质量。