10 - 2005

Новые возможности проектирования и инженерного анализа в системе ANSYS CFX версии 10.0

Владимир Коньшин, Александр Щеляев

Обновление модулей ANSYS CFX 10.0

Новые возможности ANSYS CFX 10.0

Поддержка пользователей ANSYS CFX 10.0

В августе нынешнего года компания ANSYS, Inc. представила новую линейку программных продуктов для решения задач аэро- и гидродинамики. Разработчики завершили интеграцию всех программных продуктов CFX в состав единой многодисциплинарной рабочей среды ANSYS Workbench версии 10.0. Все модули ANSYS Workbench теперь имеют сквозную индексацию версии: CFX-10, TurboGrid-10, ICEM CFD-10 и т.д.

В новой версии реализованы расширенные возможности для решения задач турбомашиностроения. Завершился этап миграции таких программных продуктов, как CFX-TurboGrid и CFX-BladeGen, представленных в виде модулей ANSYS-TurboGrid и ANSYS-BladeModeler соответственно. Простоту и удобство работы пользователя обеспечивают специализированные модули Turbo-Pre и Turbo-Post.

Новая версия ANSYS-10 отличается тем, что в ней осуществлены наиболее значимые и весомые нововведения по сравнению со всеми предыдущими версиями. Во-первых, подверглись модификации старые модули, а во-вторых, добавились новые возможности проектирования и инженерного анализа. Компания «ТЕСИС», официальный дистрибьютор CFX на рынке России и стран СНГ, в течение последних 10 лет работы накопила большой опыт применения CFX в промышленности, включая расчет характеристик летательных аппаратов, турбомашин, течений в промышленных изделиях. Все нововведения CFX проходят апробацию в центре технической поддержки компании «ТЕСИС», после чего рекомендуются российским пользователям ANSYS-CFX.

Новая версия предоставляет пользователям возможность проводить связанный анализ гидродинамики и прочностного поведения конструкций (Fluid Structure Interaction), используемый во многих приложениях, включая автомобилестроение, двигателестроение, авиацию, космос, гражданское строительство и биотехнологии. Гидродинамика и структурный анализ проводятся одновременно на одном или нескольких компьютерах. Связь между модулями ANSYS CFX и ANSYS Structural осуществляется средствами ANSYS Workbench с использованием технологии межпроцессорных коммуникаций.

Улучшения технологии затронули различные аспекты вычислительной гидродинамики, включая моделирование следующих задач: производство энергии, химические процессы, турбомашины, двигатели внутреннего сгорания, внешние и внутренние течения, пожарная безопасность, кораблестроение.

В данной версии впервые появилась модель ламинарно-турбулентного перехода для анализа течений, где присутствуют области как ламинарного, так и турбулентного течения. Эта модель позволяет более аккуратно предсказывать пристеночные силы, отрыв потока, коэффициент теплопереноса и т.д. Переходные режимы определяют физику течения в таких явлениях, как впрыск жидкого топлива в камеру сгорания, индуцированная течением вибрация структуры, распыл воды в устройствах пожаротушения, оценка уровня шума, оценка поведения подвижных грунтов. Модель ламинарно-турбулентного перехода требует больших ресурсов машинного времени, поэтому такие вычисления, как правило, проводятся на многопроцессорных вычислительных платформах. ANSYS CFX 10.0 сейчас поддерживает 64-разрядные вычисления на процессорах Intel Itanium II, Intel EM64T и AMD Opteron, а также быстрые межпроцессорные обмены данных на базе сетей Myrinet, Infiniband и Quadrics.

В этой статье мы хотим поделиться своими первыми впечатлениями о новой версии программного обеспечения ANSYS CFX 10.0.

Обновление модулей ANSYS CFX 10.0

Год назад компания ANSYS представила на суд специалистов новую графическую оболочку Workbench, в которую начала интегрировать различные расчетные и служебные модули. Целью данной работы было создание единой электронно-цифровой среды, в которой бы реализовывалась сквозная технология инженерного расчета на стыке различных дисциплин: аэрогидродинамики, прочности, акустики, магнетизма, электродинамики, кинематики механизмов и пр. Интеграция затрагивала этапы создания параметрической геометрической модели, процесса постановки задачи, процесса решения задачи, обработки результатов расчета и параметрической оптимизации исходной геометрической модели по различным критериям.

Решение задачи вычислительной аэродинамики состоит из нескольких этапов: создание твердотельной геометрической модели, построение расчетной сетки, задание математической модели, постановка начальных и граничных условий, задание параметров численного метода, организация расчета задачи, обработка полученных данных и визуализация решения.

Рис. 1

Все разнообразие возможностей, доступных в ANSYS Workbench, унифицировано и сведено к нескольким разделам.

Раздел Geometry (рис. 1) предназначен для получения геометрической модели расчетной области. Для этой цели имеется программный модуль геометрического моделирования Design Modeler , который позволяет:

• создавать модели имеющимися инструментами поверхностного и твердотельного моделирования;

• импортировать геометрическую модель из CAD-систем посредством интерфейса прямого импорта, с сохранением ассоциативной связи с CAD-системой;

• импортировать геометрическую модель из файла нейтрального формата (ACIS, IGES, Parasolid, STEP).

ANSYS Design Modeler позволяет построить твердотельную модель, которая является параметрически заданной и согласованной со всеми остальными модулями многодисциплинарного анализа ANSYS. В отличие от традиционных CAD-систем, ANSYS Design Modeler не обладает дополнительными опциями (чертежи, допуски, посадки и т.п.), которые не требуются для инженерного анализа.

Раздел Simulation (рис. 2) предназначен для прочностного анализа и проведения расчета статического (Static), переменного (Sequenced) и циклического (Harmonic) случаев нагружения:

Рис. 2

• силовое (Structural);

• температурное (Thermal);

• электромагнитное (Electromagnetic).

Имеется возможность определения усталостной прочности (Fatigue), собственных частот (Frequency), потери устойчивости (Buckling) и проведения процесса параметрической оптимизации геометрической формы исследуемого изделия (Shape Optimization). После задания варианта данные передаются в блок решателя ANSYS.

Раздел Advanced Meshing (рис. 3) построен на основе программного комплекса ICEM CFD, являющегося универсальным генератором расчетной сетки. Основное назначение — построение и редактирование структурированных/неструктурированных расчетных сеток, применяемых в широком спектре приложений: аэрогидродинамике, прочности, акустике и пр.

Рис. 3

Раздел Finite Element Model (рис. 4) предназначен для сбора информации о расчетной сетке. Выводятся сведения об объеме сетки, ее качестве, типе элементов, контактных парах, деталях и пр. Имеется возможность осуществлять селекцию, навигацию и визуализацию различных объектов, вплоть до узла. Обеспечивается работа с форматом сетки, используемым в разделе Simulation и форматом NASTRAN Bulk Data.

Раздел CFX-Mesh (рис. 5) предназначен для построения расчетной сетки, используемой исключительно в разделе Advanced CFD. Поддерживается неструктурированная сетка на основе тетрагональных элементов. Для ее построения необходимо иметь геометрическую модель расчетной области, которая либо передается из модуля Design Modeler, либо открывается непосредственно из файла CAD-системы. Поддерживаются нейтральные форматы и форматы популярных CAD-систем.

Раздел Advanced CFD (рис. 6) предназначен для проведения аэрогидродинамического расчета, основан на программном комплексе вычислительной аэрогидродинамики ANSYS CFX и состоит из трех основных этапов: препроцессор CFX-Pre, блок решателя CFX-Solver и постпроцессор CFX-Post.

Назначением препроцессора является импорт расчетной сетки и постановка задачи: задание типа течения, начальных и граничных условий, критериев сходимости и шага интегрирования по времени.

Блок решателя осуществляет численное решение поставленной задачи и контроль счета. Возможность распараллеливания процесса решения задачи на несколько расчетных узлов с общей или распределенной памятью (многопроцессорная рабочая станция или кластер) позволяет, с одной стороны, уменьшить время решения задачи, а с другой — увеличить ее размерность.

Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8

Постпроцессор дает возможнось проводить качественную и количественную оценку результатов счета.

Новый раздел Blade Geometry (рис. 7) является расширением раздела Geometry. Его назначение — создание и редактирование геометрической модели лопаточных устройств турбомашин. Раздел построен на базе системы геометрического моделирования CFX-BaladeGen. Основным отличием от стандартной системы геометрического моделирования является наличие предопределенных шаблонов моделей, которые охватывают все известные сегодня лопаточные устройства турбомашиностроения. Диалог системы построен так, что пользователь выбирает тип устройства (колесо осевого или центробежного устройства) и получает готовую параметрическую геометрическую модель. Внешний облик лопатки задается с помощью традиционных параметров, принятых в отрасли (угол охвата, длина хорды, координаты средней линии, распределение толщины по хорде и др.). Варьируя эти параметры, пользователь получает нужную ему конфигурацию устройства.

Новый раздел TurboGrid (рис. 8) предназначен для генерации структурированной гексагональной расчетной сетки для лопаточных устройств турбомашин. Он построен на базе специализированного генератора сеток CFX-TurboGrid, который увязан в единую технологическую цепочку с пакетом BladeGen: получает из последнего геометрическую модель лопатки и проточной части, строит на его основе расчетную сетку и автоматически определяет место расположения граничных условий и их тип (вход, выход, втулка, обечайка, лопатка).

Различные этапы работы в вышеописанных разделах завязаны в единый сквозной процесс, использующий производственную линейку Blade Modeler —> TurboGrid —> Turbo-Pre —> CFX-Solver —> Turbo-Post. Все изменения, вносимые на ранних этапах расчетной цепочки, автоматически учитываются на последующих этапах. Анализ может быть проведен как для отдельных компонентов, так и для всей турбомашины (рис. 9). Область применения охватывает проектирование и анализ таких устройств, как турбины, насосы, компрессоры, вентиляторы, нагнетатели воздуха, экспандеры, турбокомпрессоры, индукторы. Наиболее наглядно производственную цепочку можно проиллюстрировать на примере анализа рабочего колеса турбомашины.

Рис. 9

В модуле Blade Modeler (рис. 10) выбирается шаблон разрабатываемого устройства. В шаблон вводятся пользовательские данные (форма проточной части, количество профилей лопатки по ее размаху, координаты средней линии лопатки в каждом сечении, распределение толщины профиля лопатки в каждом сечении и т.д.), после чего, в автоматическом режиме, создается геометрическая модель проточной части рабочего колеса или направляющего аппарата турбомашины.

Рис. 10

Подготовленная в Blade Modeler геометрическая модель передается в раздел TirboGrid (рис. 11), в котором производится автоматическое построение структурированной гексагональной сетки по заданным критериям (топология сетки, уровень детализации и пр.). При необходимости пользователь может самостоятельно «вручную» изменить параметры шаблона сетки и сохранить его, чтобы использовать в дальнейшем. Модуль TirboGrid имеет большое количество сеточных шаблонов, унифицированных для лопаточных венцов, и полностью автоматизирует построение сетки.

Расчетная сетка загружается в модуль CFX-Pre (рис. 12) раздела Advanced CFD . В CFX-Pre производится задание начальных и граничных условий, их расстановка по границам расчетной области, определяются критерии сходимости и шаг по времени. Для задания расчетных данных турбомашин используется специализированный модуль TurboPre, использующий терминологию, удобную для специалистов. Заданный вариант передается в блок решателя CFX-Solver.

Рис. 11

Рис. 12

В блоке CFX-Solver (рис. 13) производится решение задачи с возможностью мониторинга процесса счета по графикам «невязок» или процессу установления величины сил или расхода.

Решенная задача передается в модуль CFX-Post, в котором производится качественная и количественная оценка результатов. Специализированный модуль TurboPost позволяет получить расходно-напорные характеристики турбомашин (КПД, расход, степень повышения давления и т.д.) Постпроцессор дополнен возможностями по оформлению диаграмм (Chart), визуализации и методам представления данных (рис. 14).

Рис. 13

Рис. 14

Для проведения связанного анализа гидродинамики и прочностного поведения конструкций полученное поле давления и температуры на поверхности колеса турбомашины передается в прочностной модуль ANSYS, где они интерпретируются как внешние нагрузки, под воздействием которых производится расчет (рис. 15). По результатам расчета выдаются распределение уровня напряжений и деформации конструкции.

Рис. 15

Рис. 16

 

Для оптимизации параметров колеса турбомашины используется модуль Design Explorer VT (рис. 16). Оптимизация турбомашины проводится по различным критериям за счет варьирования параметров исходной модели: размеров геометрических элементов, свойств материала, свойств среды и пр.

В начало В начало

Новые возможности ANSYS CFX 10.0

Ниже приведен перечень основных обновлений ANSYS CFX версии 10.0.

Модуль Blade Modeler полностью перенесен в новую графическую среду ANSYS Workbench, работает под управлением менеджера лицензий ANSYS в операционной среде Windows и поддерживает экспорт в формат BladeGenPlus. В модуле TurboGrid усовершенствован алгоритм построения сетки, введены поддержка кривых из Blade Modeler и разрешение пограничного слоя сеткой.

Модуль Design Modeler претерпел следующие изменения:

• добавлен инструмент Symmetry, с помощью которого можно определить деталь как симметричную относительно одной или нескольких плоскостей. Эта информация позволит упростить построение расчетной сетки для симметричного тела. После применения данного инструмента пользователь на выбор может работать или с полной моделью, или с ее периодическим элементом;

• добавлен инструмент для продления поверхности до следующего объекта/объектов;

• добавлен инструмент создания тонкостенных деталей на основе придания толщины средней поверхности с разной толщиной стенок с возможностью их объединения в единую деталь;

• расширены возможности инструмента «Проволочный элемент» (Wining Tool);

• введена возможность изменения параметров (размеров) CAD-модели, импортированной через прямой интерфейс, средствами Design Modeler.

Модуль CFX-Mesh , отвечающий за генерацию сеток, дополнен следующими возможностями:

• высоту пристеночной ячейки призматического слоя инфляции ntghm можно задавать через связку величины y + , числа Рейнольдса и характерного размера;

• поверхности могут быть сделаны невидимыми, упрощена процедура выбора поверхностей для различных сложных ситуаций;

• распараллеливание процесса построения сетки (бета-функция);

• прерывание процесса построения сетки по запросу пользователя;

• улучшено качество построения призматического слоя инфляции за счет отслеживания нормали к поверхности и послойного сглаживания;

• запуск одной итерации построения поверхностной сетки для предварительной оценки требуемой детализации сетки;

• введен инструментарий задания разбиения сетки через разбиения на ребрах;

• одновременный вывод всех параметров виртуальной поверхности или сетки;

• объекты, созданные в Design Modeler с помощью инструмента Named Selection, экспортируются и поддерживаются в CFX-Mesh.

В модуле CFX появились следующие изменения:

• новая модель пористой среды, обеспечивающая наличие скачка давления и скорости на границе пористости, независимо от степени сгущения расчетной сетки;

• при стыковке подобластей через границы с различными геометрическими формами (используя General Grid Interface) могут возникать неперекрывающиеся участки. В этом случае они автоматически распознаются и на них устанавливается, по умолчанию, граничное условие Стенка с проскальзыванием (No Slip Wall);

• интерфейс стыковки двух подобластей может быть явно установлен в режим «1 в 1» с дополнительной проверкой и оповещением в тех ситуациях, где узлы не совпадают друг с другом в пределах указанной точности;

• функциональность граничного условия Supersonic расширена с целью реализации смешанного граничного До/Сверхзвукового условия на одной границе. Используются параметры «Температура», «Давление» и «Скорость»;

• новый параметр «Нулевой градиент» добавлен для статического или полного давления в граничное условие Inlet;

• добавлен граничный массовый источник. Его свойства близки к объемному источнику массы и включают средства для его добавления или удаления на границе;

• интерфейс связывания подобластей Stage дополнен новым условием «Постоянное полное давление», которое направлено на усовершенствование процесса моделирования связанных систем «ротор—статор»;

• упрощено задание реагирующих частиц для задач горения углеводородных топлив через технологию Hydrocarbon Fuel Analysis;

• в модель горения угля добавлено NO x от топлива для дополнения механизма образования NO x ;

• модель лучистого теплопереноса расширена возможностью расчета многополосного по спектру радиационного расчета;

• в блоке решателя осуществляется мониторинг параметров лучистой энергии на границе;

• траектории частиц рассчитываются и в нестационарных задачах;

• добавлена модель вторичного деления частиц под воздействием внешних сил;

• добавлены модели горения;

• блок решателя менее чувствителен к качеству расчетной сетки, чем предыдущие версии. Автоматический алгоритм улучшает процесс сходимости на сетках низкого качества, включая специальную обработку вырожденных элементов и элементов с отрицательными объемами (обратная ориентация элемента);

• гомогенная модель размерных семейств частиц (Multiple Size Group, MUSIG) дополнена пузырьками, моделью увеличения размера пузырька и его распада на более мелкие размерные группы;

• добавлена модель сопротивления частиц для пузырьков;

• моделирование кипящего слоя частиц улучшено применением кинетической теории. Кинетическая теория описывает дополнительные напряжения, вызванные внутренним трением частиц твердой фазы;

• значения переменных, относящихся к модели лагранжевых частиц, могут интерполироваться в узлы эйлеровой расчетной сетки для возможности использования стандартных инструментов постпроцессора;

• улучшен учет поверхностного напряжения на свободной поверхности;

• введена возможность задавать число Куранта с указанием минимального и максимального шага по времени и коэффициентов релаксации;

• внесены изменения в блок решателя для сокращения времени счета нестационарных задач и повышения точности решения за выбранный шаг по времени;

• введена модель перехода ламинарного течения в турбулентное;

• введена возможность экспорта данных результата расчета в системы акустического анализа;

• снижено потребление оперативной памяти модулем CFX-Pre, снижено время реакции графического интерфейса и время выполнения операций;

• добавлены расширенные возможности при запуске блока решателя через пакетный файл.

Модуль ICEM CFD претерпел следующие изменения:

• усовершенствован процесс построения топологии и выявления проблемных мест в исходной геометрической модели;

• полуавтоматический инструмент для закрытия зазоров после создания расчетной сетки из средней поверхности;

• усовершенствован процесс построения сетки;

• новый механизм создания сетки Hexa-Core;

• создание преимущественно ортогональной сетки;

• перенос модуля Global Cartesian в новый графический интерфейс;

• добавлены возможности по изменению освещения, заднего фона рабочей области и назначения кнопок мыши;

• возможность объединения сборки в одну деталь;

• расширен инструментарий геометрического моделирования;

• расширен спектр доступных в дереве проекта элементов;

• расширен инструментарий создания и редактирования топологии и сетки;

• расширен перечень материалов и элементов при экспорте расчетной сетки.

В начало В начало

Поддержка пользователей ANSYS CFX 10.0

В компании «ТЕСИС» функционирует центр технической поддержки программных продуктов CAD/CAM/CAE, объединяющий специалистов с высокой научной и технической квалификацией и многолетним опытом работы в области САПР, методов математического моделирования, инженерных расчетов и информационных технологий. Специалисты центра технической поддержки «ТЕСИС», в тесном контакте с разработчиками, постоянно тестируют все возможности новых версий расчетных программных комплексов. Пользователи программного обеспечения ANSYS, имеющие техническое сопровождение, могут ознакомиться с данными обновлениями в офисе компании «ТЕСИС».

Владимир Коньшин

Канд. физ.-мат. наук, менеджер отдела вычислительной гидродинамики компании «ТЕСИС».

Александр Щеляев

Инженер службы поддержки пользователей отдела вычислительной гидродинамики компании «ТЕСИС».

В начало В начало

САПР и графика 10`2005