OpenFOAM^[1]數據后處理通常使用ParaView^[2]、Ensight和Tecplot360等可視化繪圖工具，以上工具依賴手動操作的方式生成數據場的分布云圖，因此在處理多組計算數據時存在效率低下的問題，且難以添加其他自定義功能。為解決以上問題，有必要開發程序自動完成數據場的3D圖形化渲染輸出，同時滿足可添加自定義功能的需求。

為實現以上功能，首先需要尋找支持讀取OpenFOAM數據文件的工具，同時該工具要支持3D圖形化渲染功能。

VTK（visualization toolkit）為免費開源的軟件系統^[3]，可實現三維模型的計算機圖形可視化，被廣泛應用于計算流體數據分析、醫學建模成像等多個領域（圖1）。

VTK的閱讀器可直接讀取OpenFOAM的數據文件，并通過數據流的方式實現數據場的3D圖形化渲染，因此成為開發OpenFOAM后處理程序的理想選擇。

VTK實質上是一個C++的標準庫，采用面向對象的方式構建，包含600多個類，支持Java、Python等高級語言的調用。KitwarePublic^[4]及PENGUINITIS^[5]網站上提供了諸多關于Python程序如何調用VTK函數庫繪圖的示例。在調研了現有基于VTK的OpenFOAM數據后處理方法基礎上，重點介紹如何利用Python語言調用VTK函數庫直接讀取OpenFOAM數據，自動執行數據場的3D圖形化渲染。通過該方法可實現多組計算數據的批處理繪圖，大大提高數據后處理效率，并可在此基礎上開發可自定義的新型后處理程序。

VTK系統采用數據流的方法，實現數據信息與圖形信息之間的轉變。圖2為基于VTK的3D圖形繪制流程^[6]。

圖2 VTK的主要模塊及3D繪圖流程

VTK庫中支持讀取的數據類型包括vtkStructuredPoints、vtkRectilinearGrid、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid和vtkPolyData幾大類，OpenFOAM的數據格式對應VTK中的vtkCompositePolyData數據類型，為vtkPolyData數據類型的一種，可通過vtk庫中的vtkOpenFOAMReader函數讀取。

以OpenFOAM6中的頂蓋驅動流算例（cavity）為例，詳細介紹基于VTK的OpenFOAM后處理程序開發思路。cavity算例為OpenFOAM的經典算例之一，采用不可壓縮層流流動求解器icoFoam求解。計算完成后，輸入以下命令依據速度向量場"U"計算得到速度模的分布場"mag(U)"。

這里將介紹的ofvtk_reader.py程序，可實現cavity算例計算結果的3D圖形化渲染。該程序可運行于Python3.6+VTK8.2.0環境，VTK庫可采用Python的pip工具通過以下命令安裝：

基于VTK的3D圖形化渲染過程需要遵循圖2所示的工作流程，下面就圖2中各個VTK模塊在ofvtk_reader.py程序中的實現過程進行了詳細介紹。

• Reader

該模塊通過VTK庫中的vtkOpenFOAMReader函數實現OpenFOAM格式數據的讀取。

其中filename參數為算例中controlDict文件的路徑，latest_time表示當前算例運行的最新時間步。運行以上代碼，可以將當前最新時間步的數據讀入程序中。我們要繪制的標量場存儲在網格節點上，通過以下代碼實現網格上標量場"mag(U)"的讀取。

data_type參數設置為"cell"，表示程序讀取的是網格體中心上的數據。至此，網格幾何信息存儲在block變量中，標量場"mag(U)"儲存在矩陣變量array中，其名稱則儲存在字符串變量array_name里。

• Filter

采用vtkGeometryFilter轉換讀入的網格數據信息，并將其存儲在geom_filter變量中。

• Mapper

基于vtkCompositePolyDataMapper以及SetInputConnection函數，建立網格信息與圖形元素之間的映射關系。通過SelectColorArray指定網格在圖形中的顯示顏色由array_name變量對應的參數場決定。

• Actor

通過vtkActor函數建立圖形化對象actor，采用SetMapper函數選擇之前建立的映射器mapper將網格數據信息映射到對象actor上。

• Renderer

采用渲染器vtkRenderer建立場景ren，運行AddActor函數將對象actor添加至ren場景中。

• RenderWindow

通過窗口渲染器vtkRenderWindow建立窗口對象ren_win，將場景ren添加至ren_win中。

• Interactor

通過vtkRenderWindowInteractor窗口交互控件可實現通過鼠標旋轉圖形方向等交互功能。

除此之外，程序中還包括了定義顏色條scalar_bar和輸出文本信息等模塊，詳情參見附件中的程序代碼。

將此程序拷貝至cavity算例文件夾所在的目錄中，運行后即可生成速度模"mag(U)"的3D分布云圖，可通過鼠標拖拽調整網格顯示的方向（圖3）。

本文以ofvtk_render.py程序為例，介紹了如何利用Python語言調用VTK函數庫讀取OpenFOAM數據并實現數據場的3D圖形化渲染。基于該方法可實現多組計算數據的批處理繪圖，提高數據的后處理效率。同時可在此基礎上結合PyQT5模塊，開發新型的OpenFOAM圖形化后處理工具，實現任意自定義的后處理功能。