Gmsh 是一个强大的三维有限元网格生成器，具有内置的 CAD 引擎和后处理功能。虽然 Gmsh 提供了丰富的图形用户界面（GUI）和
.geo脚本语言来创建几何模型和生成网格，但在某些复杂场景下，这些工具可能无法完全满足我们的建模需求。为了应对这些挑战，Gmsh 还提供了强大的 Python API，允许用户通过编写脚本进行更加灵活和高效的几何建模和网格生成。本文将通过一个简单的例子，介绍如何使用 Gmsh 的 Python API 创建几何模型、生成网格并保存结果。
安装和运行 Gmsh
作为独立应用程序使用
Gmsh 可以作为一个独立的应用程序使用，可以通过以下几种方式进行控制：
图形用户界面（GUI）：通过 Gmsh 的图形用户界面进行操作。
命令行接口：通过命令行参数控制 Gmsh。
.geo 脚本文件：编写
.geo脚本文件来定义几何模型和网格生成过程。ONELAB 接口：通过 Unix 或 TCP/IP 套接字与 Gmsh 应用程序进行交互。
二进制版本的 Gmsh 应用程序可以在Gmsh 官方网站(参考资料[1])下载，适用于 Windows、Linux 和 macOS 系统。此外，一些 Linux 发行版也提供了 Gmsh 应用程序。如需从源代码编译 Gmsh 应用程序，请参阅官方文档中的编译指南。
作为库使用
Gmsh 不仅可以作为独立应用程序使用，还可以作为库嵌入外部代码中。Gmsh 提供了 C++、C、Python、Julia 和 Fortran 的 API。二进制软件开发工具包（SDK）包含动态 Gmsh 库及其关联的头文件和模块文件，可以从Gmsh 官方网站(参考资料[1])下载，适用于 Windows、Linux 和 macOS 系统。
Python 用户可以使用以下命令安装 Gmsh：
pip install --upgrade gmsh
这将下载二进制 SDK 并将文件安装到适当的系统目录中。一些 Linux 发行版也提供了 Gmsh SDK。如需从源代码编译动态 Gmsh 库，请参阅官方文档中的编译指南。
示例代码
1.导入必要的模块
首先，导入 Gmsh 的 Python API 模块和系统模块：
import gmsh
import sys
2.初始化 Gmsh
在使用任何 Gmsh API 函数之前，必须先初始化 Gmsh：
gmsh.initialize()
3.添加模型
接下来，添加一个名为 "t1" 的新模型。如果未显式调用 gmsh.model.add()，Gmsh 会自动创建一个无名模型：
gmsh.model.add("t1")
4.创建几何实体
4.1 创建点
使用 gmsh.model.geo.addPoint() 函数创建四个点。前三个参数是点的坐标 (x, y, z)，第四个参数是目标网格大小 lc，最后一个参数是点的标签（唯一正整数）。如果没有提供标签，Gmsh 会自动分配一个标签并返回：
lc = 1e-2
gmsh.model.geo.addPoint(0, 0, 0, lc, 1)
gmsh.model.geo.addPoint(.1, 0, 0, lc, 2)
gmsh.model.geo.addPoint(.1, .3, 0, lc, 3)
p4 = gmsh.model.geo.addPoint(0, .3, 0, lc)
4.2 创建直线
使用 gmsh.model.geo.addLine() 函数创建四条直线。前两个参数是直线的起点和终点的标签，第三个参数是直线的标签（唯一正整数）：
gmsh.model.geo.addLine(1, 2, 1)
gmsh.model.geo.addLine(3, 2, 2)
gmsh.model.geo.addLine(3, p4, 3)
gmsh.model.geo.addLine(4, 1, p4)
4.3 创建曲线环
使用 gmsh.model.geo.addCurveLoop() 函数创建一个曲线环。参数是一个包含曲线标签的列表，负号表示曲线的方向相反：
gmsh.model.geo.addCurveLoop([4, 1, -2, 3], 1)
4.4 创建平面
使用 gmsh.model.geo.addPlaneSurface() 函数创建一个平面表面。参数是一个包含曲线环标签的列表：
gmsh.model.geo.addPlaneSurface([1], 1)
5. 同步几何数据
同步几何数据，使几何实体可用于网格生成和其他操作：
gmsh.model.geo.synchronize()
当使用 Gmsh 的 Python API 创建几何实体（如点、线、面等）时，这些操作实际上是构建了一个内部的数据结构。然而，这些数据结构在内存中并没有立即被 Gmsh 的核心引擎所识别和处理。gmsh.model.geo.synchronize() 函数的作用就是将这些内部数据结构同步到 Gmsh 的核心引擎中，使其能够被进一步使用。
6. 创建物理组
物理组用于将几何实体分组，以便在输出文件中更容易管理和识别。创建物理组的函数是 gmsh.model.addPhysicalGroup()：
gmsh.model.addPhysicalGroup(1, [1, 2, 4], 5)
gmsh.model.addPhysicalGroup(2, [1], name="My surface")
7. 生成网格
生成二维网格：
gmsh.model.mesh.generate(2)
8. 保存网格文件
将生成的网格保存到文件 t1.msh 中：
gmsh.write("t1.msh")
9. 可选：强制保存所有元素
如果希望保存所有网格元素（无论是否属于物理组），可以设置 Mesh.SaveAll 选项为 1：
# gmsh.option.setNumber("Mesh.SaveAll", 1)
10. 可选：保存不同格式的网格文件
可以保存不同格式的网格文件，例如 UNV 格式，或者指定 MSH 文件的版本：
# gmsh.write("t1.unv")
# gmsh.option.setNumber("Mesh.MshFileVersion", x)
11. 显示模型
如果命令行参数中没有 -nopopup，则运行 Gmsh 的图形用户界面显示模型：
if '-nopopup' not in sys.argv:
gmsh.fltk.run()
12. 结束 Gmsh
结束 Gmsh，释放资源：
gmsh.finalize()
上面的代码保存为一个文件，执行完该脚本后，出现gmsh的程序界面：
总结
通过上述步骤，我们成功使用 Gmsh 的 Python API 创建了一个简单的几何模型，生成了网格，并将其保存到文件中。Gmsh 的 Python API 提供了丰富的功能，使得几何建模和网格生成变得更加灵活和高效。更多详细信息请参考 Gmsh 的官方文档。
参考资料
[1]https://gmsh.info/#Download
[2]https://gmsh.info/dev/doc/texinfo/gmsh.html#t1
推荐阅读
