基于VTK的OpenFOAM数据后处理方法

OpenFOAM^[1]数据后处理通常使用ParaView^[2]、Ensight和Tecplot360等可视化绘图工具，以上工具依赖手动操作的方式生成数据场的分布云图，因此在处理多组计算数据时存在效率低下的问题，且难以添加其他自定义功能。为解决以上问题，有必要开发程序自动完成数据场的3D图形化渲染输出，同时满足可添加自定义功能的需求。

为实现以上功能，首先需要寻找支持读取OpenFOAM数据文件的工具，同时该工具要支持3D图形化渲染功能。

VTK（visualization toolkit）为免费开源的软件系统^[3]，可实现三维模型的计算机图形可视化，被广泛应用于计算流体数据分析、医学建模成像等多个领域（图1）。

VTK的阅读器可直接读取OpenFOAM的数据文件，并通过数据流的方式实现数据场的3D图形化渲染，因此成为开发OpenFOAM后处理程序的理想选择。

VTK实质上是一个C++的标准库，采用面向对象的方式构建，包含600多个类，支持Java、Python等高级语言的调用。KitwarePublic^[4]及PENGUINITIS^[5]网站上提供了诸多关于Python程序如何调用VTK函数库绘图的示例。在调研了现有基于VTK的OpenFOAM数据后处理方法基础上，重点介绍如何利用Python语言调用VTK函数库直接读取OpenFOAM数据，自动执行数据场的3D图形化渲染。通过该方法可实现多组计算数据的批处理绘图，大大提高数据后处理效率，并可在此基础上开发可自定义的新型后处理程序。

VTK系统采用数据流的方法，实现数据信息与图形信息之间的转变。图2为基于VTK的3D图形绘制流程^[6]。

图2 VTK的主要模块及3D绘图流程

VTK库中支持读取的数据类型包括vtkStructuredPoints、vtkRectilinearGrid、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid和vtkPolyData几大类，OpenFOAM的数据格式对应VTK中的vtkCompositePolyData数据类型，为vtkPolyData数据类型的一种，可通过vtk库中的vtkOpenFOAMReader函数读取。

以OpenFOAM6中的顶盖驱动流算例（cavity）为例，详细介绍基于VTK的OpenFOAM后处理程序开发思路。cavity算例为OpenFOAM的经典算例之一，采用不可压缩层流流动求解器icoFoam求解。计算完成后，输入以下命令依据速度向量场"U"计算得到速度模的分布场"mag(U)"。

这里将介绍的ofvtk_reader.py程序，可实现cavity算例计算结果的3D图形化渲染。该程序可运行于Python3.6+VTK8.2.0环境，VTK库可采用Python的pip工具通过以下命令安装：

基于VTK的3D图形化渲染过程需要遵循图2所示的工作流程，下面就图2中各个VTK模块在ofvtk_reader.py程序中的实现过程进行了详细介绍。

• Reader

该模块通过VTK库中的vtkOpenFOAMReader函数实现OpenFOAM格式数据的读取。

其中filename参数为算例中controlDict文件的路径，latest_time表示当前算例运行的最新时间步。运行以上代码，可以将当前最新时间步的数据读入程序中。我们要绘制的标量场存储在网格节点上，通过以下代码实现网格上标量场"mag(U)"的读取。

data_type参数设置为"cell"，表示程序读取的是网格体中心上的数据。至此，网格几何信息存储在block变量中，标量场"mag(U)"储存在矩阵变量array中，其名称则储存在字符串变量array_name里。

• Filter

采用vtkGeometryFilter转换读入的网格数据信息，并将其存储在geom_filter变量中。

• Mapper

基于vtkCompositePolyDataMapper以及SetInputConnection函数，建立网格信息与图形元素之间的映射关系。通过SelectColorArray指定网格在图形中的显示颜色由array_name变量对应的参数场决定。

• Actor

通过vtkActor函数建立图形化对象actor，采用SetMapper函数选择之前建立的映射器mapper将网格数据信息映射到对象actor上。

• Renderer

采用渲染器vtkRenderer建立场景ren，运行AddActor函数将对象actor添加至ren场景中。

• RenderWindow

通过窗口渲染器vtkRenderWindow建立窗口对象ren_win，将场景ren添加至ren_win中。

• Interactor

通过vtkRenderWindowInteractor窗口交互控件可实现通过鼠标旋转图形方向等交互功能。

除此之外，程序中还包括了定义颜色条scalar_bar和输出文本信息等模块，详情参见附件中的程序代码。

将此程序拷贝至cavity算例文件夹所在的目录中，运行后即可生成速度模"mag(U)"的3D分布云图，可通过鼠标拖拽调整网格显示的方向（图3）。

本文以ofvtk_render.py程序为例，介绍了如何利用Python语言调用VTK函数库读取OpenFOAM数据并实现数据场的3D图形化渲染。基于该方法可实现多组计算数据的批处理绘图，提高数据的后处理效率。同时可在此基础上结合PyQT5模块，开发新型的OpenFOAM图形化后处理工具，实现任意自定义的后处理功能。