2. Особенности в построении сетки.

[СГ 4-2002]: В CFD-системах предшествующего поколения (в т. ч. Star-CD, Fluent, CFX-4) построение блочно-структурированной сетки из шестигранных элементов, более удобной для расчета, требовало длительной ручной работы из-за необходимости избежать создания ячеек с большим отношением площадей граней.

Структурированная и неструктурированная сетки

Построение же неструктурированной сетки из тетраэдральных элементов в достаточной степени автоматизировано, однако скорость решения уравнений гидродинамики на ней гораздо ниже, чем на структурированной 6-гранной сетке. /см. данные для Star-CD - 2-f_cd_adapco. pdf /

STAR-CD: сравнение затрат времени на расчет по сетке ячеек различной формы (водяная рубашка охлаждения поршневого двигателя) /2-f_cd_adapco. pdf/

Это потребовало разработки специальных методов автоматической генерации сеток.

3. Динамическое перестроение сетки в процессе решения,

Эта необходимость вызвана большими взаимными перемещениями границ объектов (например, в поршневых машинах). По измененному взаимному положению границ вначале производится изменение формы и размеров ячеек, а затем изменение их количества, т. е. внедрение или удаление групп ячеек.

Пример: Моделирование дроссельного клапана в системе ANSYS/CFX. Перестроение сетки при повороте заслонки.

Пример: Обтекание крыла самолета при сбросе бомбы (система Fluent). Перестроение сетки выполняется по мере изменения взаимного расположения объектов.

В различных CFD-системах используются различные методы адаптации сетки, например [из доклада В. Шмелева, семинар FlowVision, 2011 г. ].

4. Использование «скользящих сеток» при моделировании турбомашин. Требуется учитывать постоянное изменение взаимного положения ротора и статора. Поэтому ротор рассчитывается во вращающейся системе координат, статор – в неподвижной, а на границе стыковки областей ротора и статора выполняется специальная процедура «сшивки» полей параметров.

***

Пример: Расчет шахтного вентилятора в системе FlowVision [СГ 9-2007]
Геометрическая модель вентилятора	Геометрическая модель расчетной области

Расчетная область состоит из двух подобластей: РОТОР и СТАТОР. Подобласть РОТОР вращается с постоянной скоростью 3000 об. /мин. Подобласть СТАТОР является неподвижной. Обе подобласти сопряжены между собой через граничное условие «Скользящая сетка».

Задача решается в декартовой системе координат. Используется ортогональная сетка с локальной динамической адаптацией по граничным условиям и объему. Сетка начального уровня состоит из 101 240 ячеек. Окончательный объем адаптированной сетки - 212 642 ячеек.

Распределение модуля скорости в плоскости симметрии

«ANSYS Solutions», 2005, № 1: …В ANSYS CFX имеется несколько типов интерфейса для связи неподвижной области с вращающейся: «замороженный» ротор (Frozen Rotor), нестационарный ротор-статор (Transient Rotor-Stator) и осреднение по окружности для стационарного режима (Stage).

Пример: Расчет компрессора ГТД в системе ANSYS CFX [СГ 5-2005]
Расчетная модель компрессора	Схема проточной части

Характер течения в лопаточных венцах	Распределение давлений

Следствием перечисленных особенностей задач являются особенности систем CFD, которые проявляются в применяемых методах решения задач и специфических возможностях препостпроцессоров и решателей.

● Возможности препостпроцессоров

1. Построение смешанных сеток из разнотипных элементов (гексагональные hex-элементы, тетраэдрические tet-элементы и элементы специальных форм).

2. Автоматизированное адаптивное сгущение сетки в зависимости от погрешности расчета.

3. Динамическое искажение (подстройка) сетки, включая внедрение и удаление элементов, для задач с подвижными границами (например, для поршневых машин).

4. Использование скользящих сеток и множественных вращающихся систем координат (например, для лопаточных машин), а также средства учета циклической симметрии или других видов периодичности для уменьшения размерности задачи.

5. Автоматическая «сшивка» полей параметров в смежных областях с несовпадающей разбивкой.

6. Сегментация сетки для последующей параллельной обработки в многопроцессорных комплексах (см. особенности решателей), в том числе параллельная генерация сетки на разных компьютерах.

● Возможности решателей

Решатели CFD-систем могут использовать как конечно-объемный, так и конечно-элементный подходы к способам интегрирования уравнений течения жидкостей и к стратегиям решения уравнений [из материалов компании «Делкам-Урал»]. Примером первого подхода (МКО) может служить CFX, примером второго (МКЭ) – FLUENT. Оба решателя сейчас интегрированы в комплекс ANSYS CFD.

Сравнения, выполненные в ряде проектных организаций, показывает близость результатов, получаемых при разных подходах – см. результаты расчетов для МВЗ им. Миля.

Моделирование течения воздуха вокруг плохообтекаемого тела. Сопоставление полей скоростей, полученных в модулях ANSYS CFX и FLUENT. Задача решена для Московского вертолетного завода им. Миля.

В то же время эксперты отмечают, что применение МКЭ в задачах вычислительной аэрогидродинамики не всегда корректно. Конечные же объемы дают корректное представление граничных условий. Кроме того, производительность при МКО выше, чем при МКЭ: так, при расчета гребного винта для достижения одинаковой точности требуется 2 млн. ячеек в Fluent и всего 400 тыс. в FlowVision /Шмелев В. В., ТЕСИС/.

Основная особенность решателей CFD-систем, независимо от принятого метода (МКО или МКЭ) – использование алгоритмов параллельных вычислений.

[СГ 12-2006]: Естественным способом распараллеливания алгоритмов вычислительной аэродинамики является декомпозиция расчетной области (domain decomposition). Если исходная расчетная область (domain) представляет собой топологический параллелепипед, то декомпозиция области решения заключается в разбиении ее на перекрывающиеся параллелепипеды (subdomain), так что на каждый процессор приходится равное число расчетных узлов. Каждый процессор хранит только свои ячейки и дубликаты ячеек с других процессоров, которые являются соседними по грани/узлу. Перекрытие подобластей на одну-две ячейки в каждом направлении для каждой грани необходимо для более удобной организации межпроцессорной передачи данных и выполнения однородных вычислений на каждом процессоре. Такое разбиение приводит к равномерной загрузке процессоров.

Декомпозиция расчетной области на восемь подобластей для задачи обтекания автомобиля

См. А. Щеляев. SIMULIA – открытая платформа для проведения инженерных расчетов ( SIMULIA_2008_Tesis_Schelyaev. pdf )

Анализ обтекания автомобиля Формула-1. Система FlowVision HPC. Кластер: 8 узлов, 4 ядра на узел, 2Гб памяти на узел, 1. 4Ггц, Myrinet.
Модель
Генерация сетки
Адаптация сетки (подсеточное разрешение геометрии)
Декомпозиция области: каждому процессору соответствует отдельный цвет
Результат
См. примеры на сайте ТЕСИС – декомпозиция на 16 и 64 процессора…

Одной из основных характеристик параллельного алгоритма является ускорение S(Speedup), которое определяется как отношение общего времени прохождения программы для последовательного алгоритма ко времени работы параллельного алгоритма с использованием p процессоров. Другой важной характеристикой алгоритма является параллельная эффективность E, которая определяется как отношение ускорения к числу процессоров, то есть E = S/p.

Распараллеливание вычислений делает возможным:

1. Использование многопроцессорных платформ с почти линейным ускорением счета (линейно-масштабируемых): так, 60-процессорная система обеспечивает 57-кратное повышение производительности для Star-CD [CD-234], 16-процессорный кластер MBC-1000/16 дает 12-кратное ускорение для ANSYS CFX-5 [СГ 4-2005], 4-процессорная система HP Integrity rx4640 дает для этой же системы почти 4-кратное ускорение [СГ 10-2004: Тестирование технологии параллельных вычислений ANSYS CFX 5. 7]. Аналогичные результаты для FlowVision [СГ 12-2006] приведены на графике.

Рост производительности системы FlowVision при увеличении числа процессоров [СГ 12-2006]
Коэффициент использования ресурсов процессоров в SolidWorks Flow Simulation [СГ 12-2008]

2. Решение сверхбольших задач – например, моделирование обтекания автомобиля Mersedes Benz потребовало 10 млн. ячеек и 6 Гбайт памяти; решение выполнено в системе StarCD на 128-процессорном компьютере IBM SP2. Моделирование термогазодинамических процессов в ядерном реакторе (2000 г. ) потребовало 58 млн. ячеек; задача решена в StarCD на кластере из 64 рабочих станций IBM SP2; время счета 55 часов.

Одним из лидеров в вычислительных технологиях признан пакет CFX (AEA Technology Engineering Software, Англия), в частности, версия CFX 5. x часто рассматривается как представитель нового поколения CFD-систем [СГ 1-2004, 7-2004 и др. ].

Основные особенности CFX 5. x:

Новая технология автоматизированной генерации сетки из разнотипных элементов – тетраэдральных, 5-гранных (клиновидных), 6-гранных и пирамидальных; возможен импорт сетки и объединение ее с сеткой, созданной в CFX, что обеспечивается обобщенным сеточным интерфейсом GGI; возможна сегментация общей области расчета в соответствии с возможностями объединенных в кластер компьютеров и параллельная генерация сетки на разных компьютерах (процесс генерации распараллелен впервые).

Новые методы решения задач:

а) повышение точности: возможен более точный выбор физической модели - 16 моделей турбулентности, 8 моделей горения, кипения, конденсации и кавитации и др.; если большинство CFD-систем используют 4 интеграционные точки для тетраэдрального элемента и 6 точек для 6-гранного, то CFX-5 использует соответственно 24 и 60 точек; автоматическое сгущение сетки по результатам предварительных расчетов.

б) повышение надежности: надежная сходимость обеспечивается использованием метода смыкающихся вычислительных модулей (Coupled Multigrid - решатель с линейной, а не экспоненциальной, зависимостью времени счета от размеров модели).

в) повышение производительности: параллельные вычисления реализованы для любой комбинации однопроцессорных и многопроцессорных компьютеров; CFX автоматически делит сетку на несколько частей так, что каждая часть обрабатывается на отдельном компьютере за одинаковое время; важное качество – последовательные и параллельные вычисления выполняются с одинаковой сходимостью.

Возможности адаптации (повышение гибкости) и автоматизации процесса моделирования: возможно использование специализированного языка CEL и языка PERL на всех этапах работы (препроцессор, решатель, постпроцессор), скриптов, Fortran-программ, например, для задания граничных условий.

См. также методику и результаты тестирования технологии параллельных вычислений [СГ 10-2004], описание новых модулей CFX-Mesh, CFX-TurboGrid, CFX-ICEM [СГ 2-2005] и примеры применения системы – расчет ступени осевого компрессора [СГ 4-2005], газодинамический расчет авиационного ГТД с одновременным анализом шума с помощью системы акустического анализа LMS Virtual Lab Acoustics [СГ 5-2005].

ü Взаимодействие CFD-систем с другими системами анализа

Одной из наиболее актуальных областей применения численного анализа считаются задачи моделирования взаимодействия потока жидкости или газа с деформируемой конструкцией. Совместное применение программ CFD и FEA осложняется различиями в подходах к дискретизации уравнений: аэрогидродинамические пакеты обычно используют конечно-объемный подход, в то время как прочностные пакеты — конечно-элементный. Один из известных способов объединения заключается в организации обмена данными через промежуточные структуры, которые интерполируют и передают данные с одной сетки на другую.

ANSYS CFX, начиная с 10-й версии, реализует совместное решение таких задач – технологию FSI (Fluid-Structure Interaction) [СГ 7-2006]. Взаимодействие между решателями ANSYS CFX и ANSYS Mechanical (или ANSYS Multiphysics) может быть организовано в различных вариантах в зависимости от типа задачи.

Одностороннее взаимодействие характерно для задач с малыми деформациями конструкций, мало влияющими на характер обтекающего их потока (например, ветровые нагрузки на высотные здания). Используется однократная передача данных из одного решателя в другой.

Двустороннее взаимодействие более полно учитывает физику в задачах с существенными деформациями, заметно изменяющими поток вблизи границ тела (например, флаттер или вибрации лопаток турбомашин). Используется поочередная работа двух решателей. По сути это решение реализует цели, объявленные в проекте CISPAR: взаимодействие CFD-системы с прочностным пакетом в одном цикле.

Характер обтекания крыла		Деформация крыла
	à (ß )

Перед запуском необходимо определить все параметры задачи: отдельно в ANSYS CFX и в ANSYS Mechanical. Далее оба решателя работают поочередно. При работе в данном режиме доступна функция распараллеливания. Расчетные пакеты могут также работать на разных вычислительных системах в целях ускорения счета.

Аналогичное по целям решение реализовано посредством взаимодействия систем FlowVision и ABAQUS [СГ 9, 10-2006]. Особенность его в том, что взаимодействие аэродинамического и прочностного решателей организовано без использования интерфейса MpCCI (Mesh-based parallel Code Coupling Interface). Взаимодействие реализуется модулем обмена и управления передачей данных Multi Physics Manager, который входит в состав FlowVision. Связь с ABAQUS обеспечивается через пользовательские подпрограммы, которые передают силовые нагрузки на конструкцию со стороны потока.

Взаимодействие FSI представляет собой последовательность следующих шагов:

1. Создание проекта во FlowVision при использовании файла типа INP с объемной сеткой из ABAQUS.

2. В проекте ABAQUS определяется вызов пользовательских подпрограмм для обработки внешней поверхности деформируемой сетки.

3. Определение временного шага для обмена данными между ABAQUS и FlowVision.

4. Запуск MPM.

5. Модуль MPM автоматически запускает один за другим ABAQUS и FlowVision. Результаты работы программ сохраняются в базах данных ABAQUS и FlowVision.

6. Пользователь может визуализировать результаты расчета взаимодействия FSI, используя постпроцессор и модуль анимации FlowVision.

ü Интегрируемые и встроенные системы аэрогидродинаического анализа

Традиционные средства компьютерного анализа потоков создавались в помощь высококвалифицированным, но при этом узкопрофилированным специалистам, поэтому они малопригодны для использования инженерами-проектировщиками. Известно [СГ 10-2008], что только каждый 15-й из инженеров-механиков готов тратить значительные усилия на «ручное» создание сложных расчетных моделей для анализа потоков. С ориентацией именно на этих специалистов создаются встроенные версии систем CFD.

При этом, как и для пакетов прочностного анализа, существуют значительные различия в возможностях версий CFD-систем, встраиваемых (интегрируемых) в системы высокой мощности и в системы среднего уровня.

Системы высокой мощности комплектуются CFD-модулями, почти не уступающими полнофункциональным системам. Так, в 2006 г. выпущена версия автономной системы FLUENT for CATIA V5 для использования в качестве встроенного решения, которая поддерживает большинство функций автономной системы, но лучше приспособлена для использования инженерами-проектировщиками.

[Contact mag. The V5 PLM Magazine. 2006, 07]: … Благодаря разработке приложения, сочетающего технологии Fluent и CATIA V5 и встроенного в инфраструктуру анализа V5, метод Rapid Flow Modeling доступен в среде V5. FLUENT for CATIA V5 обеспечивает двунаправленную ассоциативность модели анализа и CAD-модели и гарантирует полную совместимость с V5-методами управления знаниями, параметрическим моделированием, междисциплинарным анализом и инструментами для оптимизации проектирования.

При помощи FLUENT for CATIA V5 инженеры-проектировщики могут анализировать расчетные характеристики по таким параметрам, как однородность потоков, температура и гидравлические потери, а также искать возможности для улучшения этих характеристик путем внесения изменений в проект. Приложение полностью совместимо с CFD-технологиями Fluent, предназначенными для аналитиков, что обеспечивает согласованность и позволяет развивать «оптимальные методы» (bestpractices) в рамках всего предприятия.

Имеются также встроенные версии системы STAR-CD для ряда CAD-систем.

Встроенные версии STAR-CD: STAR-CAT5, STAR-NX, STAR-PRO/E, STAR-WORKS, STAR-DESIGN

Системы среднего уровня оснащаются облегченными CFD-системами, которые выполняют сокращенный перечень функций, но отличаются более высоким уровнем автоматизации препроцессирования и расчета. Некоторые специалисты считают эти системы самостоятельным подклассом, так наз. EFD – Engineering Fluid Dynamics [Алямовский А. А. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике]. Характерным примером может служить COSMOS FloWorks.

COSMOS FloWorks (разработка Московского отделения компании NIKA GmbH) [СГ 4-2005 и др. ]

Состав задач:

· внутреннее течение и внешнее обтекание;

· теплопроводность и теплопередача;

· учет сжимаемости среды;

· ламинарные и турбулентные потоки;

· неньютоновские жидкости;

· пористые среды;

· учет шероховатости стенки и др.

Работа в системе осуществляется под управлением Мастера (Wizard), элементы задачи представляются деревом проекта (Analysis Tree) следующего вида (см. рис. ).

Дерево элементов расчета системы COSMOS FloWorks:

Генерация сетки автоматическая, но возможно управление параметрами сетки (минимальный размер элемента и др. ).

Настройки решателя: возможно задание условий дополнительного разбиения сетки, условий «замораживания» некоторых параметров, критерия приостановки счета (счет всегда можно продолжить с точки останова).

Постпроцессирование выполняется средствами COSMOS Works, куда по окончании расчета передаются результаты. Возможны следующие режимы визуализации (см. рис. ): секущие плоскости; распределение параметров по поверхности; изоповерхности; линии тока. Предусмотрен экспорт результатов в Excel для построения графиков и формирование отчета в Word.

Дополнительные возможности: газодинамический калькулятор для расчетов стандартных формул газодинамики, например, чисел Рейнольдса или Струхаля.

Визуализация результатов расчета в COSMOS FloWorks

ü Аэрогидродинамические модули универсальных систем анализа

Модули анализа аэрогидродинамических процессов входят в состав ряда универсальных КЭ пакетов – это ANSYS/Flotran, MSC/CFDesign, MSC/Dytran и др. Однако большинство из них используют методы автоматической генерации неструктурированных тетраэдральных сеток, обладающих, как отмечено выше, меньшей вычислительной эффективностью (низкой скоростью счета) применительно к задачам гидродинамики по сравнению с блочно-структурированными шестигранными сетками [СГ 4-2002].

По этой причине такие модули удобны для оценочных расчетов, но часто не в состоянии решить наиболее важные задачи, например, задачи с большой разницей пространственных и временных масштабов и широким набором физико-химических процессов.

Эти ограничения, видимо, послужили стимулом к приобретению и интеграции в среду ANSYS таких систем, как CFX и Fluent.

⇐ Предыдущая 12