Что такое Upfront¹ CFD²

На самом деле это концепция, предполагающая непосредственное включение компьютерных средств вычислительного анализа потоков жидкостей и газов в процесс проектирования. Важнейшей идеей концепции является ориентация на инженера-конструктора. Предполагается, что квалифицированный предметный специалист, проектирующий те или иные изделия, для которых важен учет влияния потоков, сможет сам, без помощи специалиста-расчетчика, выполнять необходимый анализ. Такой подход отражает общую тенденцию переноса значительной части расчетных задач со специалистов-расчетчиков на инженеров-проектировщиков и конструкторов. Безусловно, всегда есть и будут области, где требуется высочайшая квалификация и глубокие специализированные знания, а для создания и применения адекватных расчетных методик, учитывающих некоторые эффекты, еще необходимы научные исследования. В то же время, по статистике, только каждый 15-й из инженеров-механиков готов тратить значительные усилия на «ручное» создание сложных расчетных моделей для анализа потоков. Это не означает, что для остальных 14 эта область не представляет интереса, просто они хотят получать результаты максимально просто и быстро. Концепция Upfront CFD нацелена как раз на решение задач, стоящих перед этими 14 из 15 инженеров, поскольку для большинства из них вполне можно предложить соответствующее решение — достаточно простое в использовании, но в то же время дающее пригодные для практического использования результаты.

Традиционно анализ потоков считается важным для таких отраслей, как судостроение, авиастроение, а в последнее время — автомобилестроение. Теория взаимодействия объектов с жидкостями и газами развивалась в первую очередь для них. Занимались гидро- и аэродинамикой высококвалифицированные, но при этом узкопрофилированные специалисты, к тому же использовалась обширная и дорогостоящая экспериментальная база. Традиционные средства компьютерного анализа потоков создавались в помощь именно этим специалистам и в интересах этих отраслей. Однако технический прогресс, требуя постоянного совершенствования потребительских свойств изделий, привел к необходимости учета влияния потоков в самых разных отраслях. Конкуренция предполагает постоянное снижение производственных издержек и сокращение времени вывода новых изделий на рынок, а это возможно в значительной мере за счет резкого сокращения объема натурных испытаний и доводки. Высококвалифицированных специалистов крайне мало, многим компаниям они не по карману. Научная база активно развивалась, бурное развитие компьютерной техники позволило каждому инженеру иметь в своем распоряжении достаточные вычислительные мощности. Все эти факторы привели к тому, что компьютерный анализ потоков стал востребован и доступен широкому кругу инженеров-проектировщиков и конструкторов.

Альтернативой является проведение расчетов на заказ. Этому подходу свойственны некоторые плюсы: например, если обратиться к действительно высококлассным специалистам, особенно знакомым с предметной областью, можно получить очень качественные результаты расчетов. Однако минусов здесь больше. Расчет в этом случае полностью оторван от процесса проектирования, исследование «а что если» в сколько-нибудь реальном времени практически невозможно. Сторонние специалисты не могут в полной мере учесть технологические возможности конкретного производства. Как следствие — даже если поставить им задачу оптимизации изделия с точки зрения аэрогидродинамики, вряд ли полученная конструкция будет удовлетворять другим техническим требованиям и ее можно будет произвести с разумными затратами. Таким образом, скорее можно говорить о поверочном расчете «годится — не годится». Но и в этом случае есть подводные камни — можно столкнуться со «специалистами», которые постараются аккуратно выяснить, каких, собственно, показателей вы ожидаете, и в отчете укажут именно эти цифры. Кроме того, каждый расчет требует перечисления очередной суммы, и в какой-то момент эти затраты превысят издержки развития собственных ресурсов.

Очевидно, что применение анализа потоков эффективно при проектировании компрессоров, насосов и т.п., но его использование позволяет получить ощутимый эффект и при создании самого широкого класса изделий общего машиностроения, транспортных средств, технологического оборудования, электронных устройств, вентиляции внутри зданий и многого другого.

Одной из важнейших основ концепции Upfront CFD является простота использования при широком охвате всех физических эффектов, возникающих при функционировании изделия. Для этого в первую очередь должны быть реализованы прямые интерфейсы для приема информации из базовых CAD-систем и понятные инженеру механизмы построения расчетной модели на базе полученной геометрии. Для достижения подхода «а что если», который обеспечивает оптимизацию проекта изделия в самом широком смысле, необходима ассоциативная связь единожды созданной расчетной модели с исходной геометрией. То есть при изменении геометрии расчетная модель должна перестраиваться автоматически. При этом система не должна требовать от вас применения какой-то конкретной CAD-системы, то есть имеющийся поток работ должен только несколько углубляться, но не перестраиваться кардинально.

CFDesign эффективно работает с такими общепризнанными системами, как Inventor, CATIA, NX (Unigraphics), Pro/ENGINEER, Solid Edge, SolidWorks и рядом других. Построение расчетной модели состоит из нескольких частей, наиболее трудоемкая из которых — создание сетки. CFDesign может генерировать сетку в автоматическом режиме, какие-то нюансы, важные с вашей точки зрения, можно впоследствии внести интерактивно. Следует отметить, что требования к сетке для расчета потоков существенно отличаются от требований к сетке для других типов анализа. Например, сетка должна быть более густой в пристеночных областях, а с точки зрения CAD сетка создается как раз в «пустом» месте, то есть в промежутках между деталями, поскольку именно там и проходит поток. Мелкие объекты, которые, по мнению конструктора, не влияют сколько-нибудь значительно на поток, могут автоматически исключаться из расчетной модели. Построив сетку, необходимо приложить граничные и начальные условия и задать свойства материалов (в том числе жидкости или газа). CFDesign позволяет задавать эти параметры в «физичном» смысле, то есть отталкиваясь от общепринятых в инженерной практике единиц. Система в полной мере поддерживает подход «а что если», при изменении геометрии сетка перестраивается автоматически, даже если она в дальнейшем доводилась в интерактивном режиме.

С точки зрения полноты охвата физических эффектов можно долго рассуждать о установившемся состоянии и переходном процессе, несжимаемых и сжимаемых, дозвуковых и сверхзвуковых потоках, ньютоновских и неньютоновских жидкостях, моделях турбулентности, различных вариантах теплопередачи, изменении свойств материалов в зависимости от температуры и давления, кавитации и о других нюансах. Однако есть широкий класс устройств, для которых самым важным является учет взаимного движения различных частей устройства по ходу работы устройства. Здесь можно выделить два случая — поток создается (или изменяется) из-за перемещения твердого тела или поток перемещает твердое тело, соответствующим образом изменяя свои параметры. Во многих случаях приходится решать задачи, в которых важным фактором является теплопередача. Наиболее интересен случай, когда тепло переносится потоком и при этом свойства потока зависят от температур в различных областях модели. Типичным примером таких задач является расчет распределения температур и скоростей потока внутри помещения при естественной конвекции, при этом нагрев может быть вызван в том числе излучением (например, солнечным через окна). Еще один пример — расчет охлаждения электронной аппаратуры: здесь может встречаться и искусственная конвекция, и контактная теплопередача, и термоэлектронные охладители. CFDesign учитывает практически все физические эффекты, с которыми приходится сталкиваться в инженерной практике. Также полностью реализовано моделирование движения твердых тел в потоке — как в случае, когда это движение создает поток, так и в случае, когда оно является следствием воздействия потока.

Не секрет, что осуществление расчета требует значительных вычислительных ресурсов, в первую очередь процессорных. Несмотря на появление доступных многопроцессорных машин, для ряда задач даже на них расчет занимает весьма существенное время. В связи с этим CFDesign предлагает механизмы распараллеливания вычислений между процессорами, в пределах кластера, а также возможность передавать собственно счет с рабочей станции на специализированный расчетный сервер.

Получить файлы со стройными колонками достоверных цифр конечно важно, но интерпретировать их будет человек. Поэтому важно представить результаты в читаемом человеком «физичном» виде. CFDesign позволяет получать в интерактивном режиме изопараметрические поверхности и распределение значений параметра по сечению, трассировать поток и наблюдать движение в удобном масштабе времени. Определяются коммулятивные параметры на входах/выходах потока, действующие на стенки силы и температуры, параметры движения твердых тел и другие характеристики. Силы и температуры могут быть переданы в какой-либо пакет прочностного анализа. Часто результат расчета хочется представить другим специалистам, для этого предусмотрен бесплатный 3D-просмотрщик CFDesign Communication Center. Подготовив материал, инженер просто нажимает кнопку и сохраняет результаты в специальном формате VTF. Теперь анимированные 3D представления результатов могут быть встроены в презентацию или переданы по сети.

Не менее важным фактором в настоящее время является стоимость пакетов. Времена, когда можно было совершенно бесплатно (и безнаказанно) использовать системы стоимостью в сотни тысяч долларов, безвозвратно уходят в прошлое. А нужно ли платить за возможности, которые в вашем случае не нужны? Коммерческая версия CFDesign представлена тремя пакетами: «Базовый анализ», «Расширенный» и «Твердотельное движение». Каждый из них включает предыдущий и существует как в фиксированном, так и сетевом варианте. Это позволяет подобрать именно тот вариант, который вам нужен. Предусмотрен также апгрейд, что позволяет начать освоение с простейшего варианта и, постепенно накапливая опыт, переходить ко всё более полным вариантам.

Конечно, нельзя рассчитывать, что какая-нибудь, пусть даже самая продвинутая (или самая дорогая?), расчетная система будет моделировать всю сложность реального мира, но в том и состоит искусство инженера, чтобы сосредоточиться только на существенном. Ученые находят открытия в десятом (или уже в сотом?) знаке после запятой, в инженерной практике с учетом реальных возможностей производства такая точность недостижима (даже совпадение параметров в пределах одной партии изделий), да и совершенно неоправданна. Даже получение результатов аэрогидродинамического расчета на качественном уровне уже позволяет сделать определенные выводы и оптимизировать изделие.

Система развивается, включаются всё новые эффекты, например в вышедшей летом V10 появились предсказание кавитации и термоэлектронные охладители. Некоторые отечественные пользователи помнят еще V5 — приглашаем сравнить, что было и что есть сейчас, а также оценить, насколько CFDesign позволит решать ваши задачи. Подробности на сайте cfdesign.com, а на русском языке — cadcam.lanit.ru.

САПР и графика 10`2008