Gmsh 代码深度解析与应用实例

在科学计算与工程仿真领域，Gmsh 是一款广受欢迎的开源有限元网格生成器，它不仅支持复杂的几何建模，还能高效生成高质量的网格，并具备强大的后处理功能。本文将深入解析几段具有代表性的 Gmsh 代码，从基础几何创建到高级数据可视化，梳理其逻辑架构与应用场景，为读者提供全面的 Gmsh 实践指南。

一、基础几何与网格构建

#include <gmsh.h>

int main(int argc, char** argv)
{
    gmsh::initialize(argc, argv); // 初始化 Gmsh 环境
    gmsh::model::add("test");     // 创建名为 "test" 的模型

    // 添加二维离散几何实体，标签为 1
    gmsh::model::addDiscreteEntity(2, 1);

    // 定义四个节点，标签 1-4，坐标依次为四个角点
    gmsh::model::mesh::addNodes(2, 1, {1, 2, 3, 4},
        {0., 0., 0., 1., 0., 0., 1., 1., 0., 0., 1., 0.});

    // 添加两个三角形元素，类型为 3 节点三角形
    gmsh::model::mesh::addElements(2, 1, {2}, {{1, 2}},
        {{1, 2, 3, 1, 3, 4}});

    gmsh::fltk::run(); // 启动图形界面
    gmsh::finalize();  // 释放资源
    return 0;
}

这段代码实现了最基础的几何与网格操作。首先通过 gmsh::initialize 启动 Gmsh 环境，这是使用 Gmsh API 的必备步骤。随后创建模型并添加离散几何实体。节点定义部分明确了四个顶点坐标，构成一个单位正方形的四个角。三角形元素添加操作中，元素类型指定为 3 节点三角形（类型 2），两个三角形分别连接节点 1-2-3 和 1-3-4，完成了正方形的简单三角剖分。此示例清晰展示了 Gmsh 中几何与网格的基本操作流程，为后续复杂模型构建奠定基础。

二、后处理数据添加与可视化

#include <gmsh.h>
#include <set>

int main(int argc, char** argv)
{
    gmsh::initialize();

    gmsh::model::add("test");
    gmsh::model::addDiscreteEntity(2, 1);
    gmsh::model::mesh::addNodes(2, 1, {1, 2, 3, 4},
        {0., 0., 0., 1., 0., 0., 1., 1., 0., 0., 1., 0.});
    gmsh::model::mesh::addElements(2, 1, {2}, {{1, 2}}, {{1, 2, 3, 1, 3, 4}});

    // 创建后处理视图并添加多步数据
    int t = gmsh::view::add("some data");
    for (int step = 0; step < 10; step++)
        gmsh::view::addModelData(t, step, "test", "NodeData", {1, 2, 3, 4},
            {{10.}, {10.}, {12. + step}, {13. + step}});

    gmsh::fltk::run();
    gmsh::finalize();
}

在工程仿真中，后处理数据可视化至关重要。此代码段在基础网格模型上扩展了后处理功能。通过 gmsh::view::add 创建名为 “some data” 的视图，随后利用循环为每个时间步（共 10 步）添加节点数据。这些数据在节点 3 和 4 处随时间步线性增长，模拟了某种物理量（如温度、位移等）的动态变化过程。Gmsh 的后处理模块能够将这些数据以色彩、矢量图等形式直观展现，便于分析仿真结果的时空演化特性。

三、复杂后处理数据组织与展示

#include <gmsh.h>

int main(int argc, char** argv)
{
    gmsh::initialize();

    // 定义两个三角形的坐标及多步数据
    std::vector<double> tri1 = {0., 1., 1., 0., 0., 1., 0., 0., 0.};
    std::vector<double> tri2 = {0., 1., 0., 0., 1., 1., 0., 0., 0.};
    for (int step = 0; step < 10; step++) {
        tri1.push_back(10.);
        tri1.push_back(10.);
        tri1.push_back(12. + step);
        tri2.push_back(10.);
        tri2.push_back(12. + step);
        tri2.push_back(13. + step);
    }

    // 合并数据并添加到视图
    int t = gmsh::view::add("some data");
    std::vector<double> data;
    data.insert(data.end(), tri1.begin(), tri1.end());
    data.insert(data.end(), tri2.begin(), tri2.end());
    gmsh::view::addListData(t, "ST", 2, data);

    gmsh::fltk::run();
    gmsh::finalize();
}

当处理复杂仿真数据时，高效的数据组织方式必不可少。此示例中，两个三角形的坐标数据与多步仿真数据被分别存储在 tri1 和 tri2 向量中。通过循环追加数据，模拟了每个时间步三角形顶点处物理量的变化。随后将两组数据合并并通过 gmsh::view::addListData 以列表形式添加到视图，指定数据类型为 “ST”（表示时空数据）。这种数据组织方式适合处理大量、多源的仿真数据，提高了数据管理与可视化的效率，使用户能够清晰观察不同区域物理量的协同变化规律。

四、外部几何文件读取与网格控制

#include <gmsh.h>
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <sstream>

int main() {
    gmsh::initialize(); // 初始化 Gmsh
    int isok = gmsh::isInitialized();
    std::cout << isok << std::endl;

    // 打开外部 STEP 文件并设置几何与网格选项
    gmsh::open("D:\\Documents\\df.step");
    gmsh::option::setColor("Geometry.Color.Points", 255, 165, 0);
    int r, g, b, a;
    gmsh::option::getColor("Geometry.Points", r, g, b, a);
    std::cout << "r=" << r << "  g=" << g << "  b=" << b << "  a=" << a << std::endl;

    // 设置网格尺寸并生成二维网格
    r = 255; g = 0; b = 0;
    gmsh::option::setNumber("Mesh.MeshSizeMin", 0.18);
    gmsh::option::setNumber("Mesh.MeshSizeMax", 0.25);
    gmsh::model::mesh::generate(2);

    gmsh::fltk::run();
    gmsh::finalize();

    return 0;
}

在实际工程应用中，几何模型往往来源于专业 CAD 软件。这段代码展示了如何在 Gmsh 中读取外部 STEP 格式几何文件并进行网格控制。首先通过 gmsh::open 加载几何模型，然后利用 gmsh::option::setColor 等函数调整几何显示属性，如点的颜色。通过获取并打印颜色值验证了选项设置的有效性。关键的网格控制部分通过设置最小与最大网格尺寸限制了网格疏密程度，最后调用 gmsh::model::mesh::generate(2) 生成二维网格。此过程体现了 Gmsh 与外部几何设计软件的无缝衔接能力，以及对网格质量的精细控制手段，满足了不同精度要求的仿真需求。

综上所述，通过这四段代码及其深入解析，我们全面涵盖了 Gmsh 在几何建模、网格生成、后处理数据管理与可视化等方面的核心功能。从简单几何体的直接定义到复杂外部模型的导入处理，从静态网格展示到动态仿真数据的精细呈现，Gmsh 为科研人员与工程师提供了一站式的解决方案。掌握这些功能与实现逻辑，能够帮助用户高效构建仿真模型，深入分析复杂物理现象，推动科学计算与工程设计的创新发展。在实际应用中，用户可以根据具体需求灵活组合这些功能模块，充分发挥 Gmsh 的强大能力，解决从学术研究到工业生产的各类问题。