3 - 2014

Новые возможности ANSYS 15.0 — гидрогазодинамика, электромагнетизм

Дмитрий Волкинд
Старший инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»
Евгений Буторов
Старший инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Группа компаний «Делкам­Урал» — «ПЛМ Урал» продолжает информировать читателей журнала о нововведениях вышедшей недавно версии инженерного программного обеспечения ANSYS 15.0. В настоящей статье речь пойдет о программных продуктах для решения задач гидрогазодинамики и высокочастотных электромагнитных явлений.

Вычислительная гидродинамика

Семейство программных продуктов ANSYS 15.0 пополнилось новыми возможностями и улучшениями в области вычислительной гидродинамики, которые призваны сделать инженерные расчеты более подробными и быстрыми для минимизации сроков доводки изделий. Нововведения коснулись физических моделей и их междисциплинарного взаимодействия, устойчивости применяемых численных методов, производительности вычислений, а также функциональных возможностей специализированных приложений. Теперь — обо всем по порядку.

Высокопроизводительные вычисления

Специалисты компании ANSYS непрерывно оптимизируют масштабируемость и производительность программных продуктов для расчетов течений жидкости и газа, что позволяет в полной мере использовать современные аппаратные технологии.

В частности, группой разработки ANSYS CFX был реализован весьма значительный объем работ, направленных на повышение масштабируемости счета. Были изучены различные ограничения параллельной масштабируемости и проведено тестирование на реальных производственных задачах, таких как нестационарный расчет многоступенчатого компрессора. Нововведения можно активировать при помощи экспертного параметра «parallel optimization level» — по умолчанию изменения не задействуются.

Сокращение времени расчета для модели шестиступенчатого компрессора, 13 млн узлов (с разрешения Siemens AG, Mulheim, Germany, ASME IGTI Paper GT2013-94639)

Сокращение времени расчета для модели шестиступенчатого компрессора, 13 млн узлов (с разрешения Siemens AG, Mulheim, Germany, ASME IGTI Paper GT2013-94639)

Сокращение времени расчета для модели шестиступенчатого компрессора, 13 млн узлов (с разрешения Siemens AG, Mülheim, Germany, ASME IGTI Paper GT2013-94639)

Разработчики пакета Fluent также сумели добиться значительного прироста производительности кода, который особенно заметен при расчете на большом количестве ядер. Например, для задачи расчета горения на сетке из 96 млн ячеек с применением вихреразрешающей модели LES удалось достичь эффективности ~84%, что особенно впечатляет, учитывая, что на каждое ядро приходится менее 10 тыс. ячеек. Аналогичные показатели наблюдаются и для других стандартных моделей большой размерности.

Сокращение времени расчета для модели воздухозаборника, 150 млн узлов

Сокращение времени расчета для модели воздухозаборника, 150 млн узлов

Рейтинг производительности для нестационарной задачи горения, 96 млн ячеек

Рейтинг производительности для нестационарной задачи горения, 96 млн ячеек

Рейтинг производительности для задачи с дисперсной фазой, 246 тыс. ячеек, 1 млн частиц

Рейтинг производительности для задачи с дисперсной фазой, 246 тыс. ячеек, 1 млн частиц

Для расчетов движения частиц в ANSYS Fluent реализован новый алгоритм балансировки нагрузки, который позволяет производить декомпозицию расчетной области для параллельного решения уравнений дискретной фазы независимо от сплошной фазы.

Помимо непосредственного ускорения процесса счета, в ANSYS Fluent был оптимизирован процесс загрузки моделей в параллельном режиме, что особенно важно для задач большой размерности. На отдельной тестовой модели размерностью 150 млн ячеек удалось сократить время загрузки cas­файла с 30 мин до 30 с.

Для расширения перспектив использования «железных» новинок увеличена производительность AMG­алгоритма для трехмерного сопряженного решателя по давлению при расчете на GPU; кроме того, на бета­уровне реализована поддержка Intel Xeon Phi.

Численные методы

В ANSYS Fluent активно дорабатывается инструмент оптимизации аэродинамических характеристик изделий — решатель сопряженных уравнений (Adjoint Solver), который позволяет без предварительной параметризации модели определить области наибольшей чувствительности целевых функций к изменению геомет­рических размеров. В новой версии поддерживаются модели до 30 млн ячеек, появилось сопряженное уравнение энергии, а также возможность задавать наблюдаемые величины в виде интегралов плотности теплового потока и температуры.

Оптимизация формы кузова автомобиля средствами Adjoint Solver

Оптимизация формы кузова автомобиля средствами Adjoint Solver

Исходная (слева) и деформированная (справа) сетки

Исходная (слева) и деформированная (справа) сетки

Исходная (слева) и деформированная (справа) сетки

Усовершенствования алгоритмов деформации сетки позволяют в соответствующих задачах сократить вычислительные затраты, сохранить качество разрешения пограничного слоя при деформации, а также использовать схему интегрирования по времени второго порядка точности. Следует оговориться, что для временных шагов, на которых происходит деформация сетки, применяется первый порядок точности.

Распределение показывает зоны срабатывания ограничителей в задаче с ламинарным слоем смешения: без фильтра (слева) и с фильтром (справа)

Распределение показывает зоны срабатывания ограничителей в задаче с ламинарным слоем смешения: без фильтра (слева) и с фильтром (справа)

Фильтр ограничителя аппроксимации градиентов, который был реализован в качестве бета­опции, теперь полностью поддерживается. Назначение фильтра состоит в том, чтобы действие ограничителя распространялось только на зоны с повышенными градиентами и разрывами. Это позволяет сохранять второй порядок точности везде, где возможно, а также способствует сходимости итераций, предотвращая флуктуации, вызванные срабатыванием ограничителя на численный «шум».

Для задач акустики в ANSYS Fluen реализован новый тип импедансных граничных условий, которые позволяют моделировать отражение звуковых волн на границе с учетом внешней среды, что позволяет сократить размеры расчетной области.

Распределение касательных напряжений по окружности цилиндра (Re = 2.79·106): отсутствие учета ламинарно-турбулентного перехода приводит к завышению напряжений и некорректному определению точки отрыва

Распределение касательных напряжений по окружности цилиндра (Re = 2.79·106): отсутствие учета ламинарно-турбулентного перехода приводит к завышению напряжений и некорректному определению точки отрыва

Физические модели: турбулентность

Возможности моделирования турбулентности в ANSYS Fluent пополнились — в версии 15.0 можно использовать модель ламинарно­турбулентного перехода SST в качестве подмодели для вихреразрешающих моделей SAS и DDES. Это позволяет более точно определить точку отрыва пограничного слоя в задачах внешней аэродинамики плохо обтекаемых тел.

Помимо этого была доработана подсеточная модель WMLES S­Omega — теперь она дает корректные значения вихревой вязкости в зоне отрыва пограничного слоя.

Добавлена надежная и экономичная однопараметрическая модель ламинарно­турбулентного перехода, имеющая широкие перспективы применения в задачах внешней аэродинамики и расчетах лопаточных машин.

Для всех пристеночных моделей введена новая функция­ограничитель, предотвращающая рост турбулентной кинетической энергии в точке торможения.

Распределение массовой доли NO (слева) и CO (справа) в сечении камеры сгорания ГТД (20 реакторов, 325 реакций, 53 компонента)Распределение массовой доли NO (слева) и CO (справа) в сечении камеры сгорания ГТД (20 реакторов, 325 реакций, 53 компонента)

Распределение массовой доли NO (слева) и CO (справа) в сечении камеры сгорания ГТД (20 реакторов, 325 реакций, 53 компонента)

Физические модели: многофазные течения

Нестационарный расчет многофазных течений в ANSYS Fluent в новой версии можно ускорить за счет применения алгоритма NITA, а также автоматического выбора величины временного шага. Была повышена производительность расчетов с применением модели VOF, в результате чего прирост скорости для различных задач составил от 4 до 36%. Помимо ускорения модель получила ряд доработок, позволяющих более точно моделировать волновые течения в открытых каналах.

Значительно расширен функционал эйлеровой модели пленки — теперь модель совместима с подвижными стенками и вращающимися системами координат, позволяет моделировать испарение и конденсацию, а направления разбрызгиваемых с ее поверхности частиц определяются более корректно.

В ANSYS CFX расширились возможности диагностики при моделировании лагранжевой фазы: теперь можно выводить массовый расход частиц на границе в процессе решения и отображать гистограммы для дополнительных переменных. Более того, пользователь получил доступ к критериям подобия, что раньше было возможно только посредством программирования. Это позволяет оценить корректность аргументов, которые получает процедура, вычисляющая, например, коэффициент лобового сопротивления частицы.

Распределение турбулентной кинетической энергии в области носка профиля — без ограничителя (слева) и с ограничителем (справа)Распределение турбулентной кинетической энергии в области носка профиля — без ограничителя (слева) и с ограничителем (справа)

Распределение турбулентной кинетической энергии в области носка профиля — без ограничителя (слева) и с ограничителем (справа)

Физические модели: горение

Динамическое сокращение механизма горения дает возможность выполнять расчет вдвое быстрее (и до семи раз быстрее с большими механизмами по сравнению с прямым интегрированием). Это весьма полезно для больших механизмов, особенно с учетом отмены ограничения в 50 компонентов. Создание Flamelet­библиотек также ускорилось, в некоторых случаях до 50 раз.

Для расчета более широкого диапазона задач горения модель Flamelet generated manifold для преимущественно диффузионного горения дополняет ранее представленную модель Flamelet для горения преимущественно перемешанных компонентов. Следует отметить, что данная модель является весьма перспективной в плане определения доли CO при расчете камер сгорания газотурбинных двигателей. Для новой модели также ускорено создание Flamelet­библиотек. Например, Flamelet­библиотека для стационарно ламинарной диффузии со 100 механизмами вычисляется за 20 мин, а в предыдущей версии ANSYS на это уходило 24 ч.

Модель сети реакторов ускоряет сложные трехмерные расчеты горения с помощью группировки близко расположенных в термохимическом пространстве ячеек. Это позволяет учесть сложную химическую кинетику, производя ресурсоемкие вычисления не для каждой ячейки, а для определенного количества групп ячеек.

Одномерная модель канала реактора теперь позволяет учитывать поверхностные реакции, а также пористость канала. Для задач расчета бензиновых ДВС появилась новая, более корректная модель искрового воспламенения, которая менее чувствительна к сеточному разрешению и входным параметрам. Для расчета дизельных ДВС введена модель Multiple unsteady flamelets, которая предназначена для ситуаций, в которых воспламенение в разных точках происходит в различные моменты времени. Примером применения могут служить расчеты двигателей со щелевой системой впрыска.

Передача нестационарного поля температуры из ANSYS CFX

Передача нестационарного поля температуры из ANSYS CFX
в ANSYS Mechanical

Специализированные приложения для расчетов турбомашин

Предлагаемый компанией ANSYS набор специализированных инструментов для проектирования и расчета позволяет эффективно работать над доводкой турбоагрегатов, и в новой версии эти инструменты стали еще эффективнее.

Добавлена возможность применения целочисленных входных параметров, что позволяет, например, варьировать узловой диаметр при определении формы колебаний. Кроме того, при использовании методов Transient Blade Row для расчета колебаний лопаток появилась возможность отображения в препроцессоре векторов, что обеспечивает наглядное отображение прилагаемой формы колебаний.

Отдельно следует отметить реализацию возможности передачи нестационарного поля давления или температуры в комплексном виде из нестационарного расчета течения в ANSYS Mechanical в качестве нагрузок. Это позволяет, в частности, при моделировании задачи флаттера не только установить факт его наступления, оценив аэродинамическое демпфирование, но и определить возникающие в процессе вибронапряжения.

Векторная визуализация прилагаемой формы колебаний лопатки

Векторная визуализация прилагаемой формы колебаний лопатки

Ранее при расчете компрессоров для разных участков приходилось использовать различные граничные условия. Эта необходимость исчезла с появлением нового граничного условия Exit­correctedmass­flowoutlet, применимого для всего диапазона режимов, включая границы устойчивой работы.

При моделировании нестационарного течения в многоступенчатых лопаточных машинах важную роль играют корректные начальные условия. Однако даже стационарный расчет, результаты которого могут служить в качестве начальных условий, требует значительного времени в задачах с большим количеством межлопаточных каналов. Для преодоления этой проблемы в версии 15.0 реализована возможность использования газодинамического поля одного межлопаточного канала в качестве начальных условий для нескольких каналов или целого лопаточного венца.

Зависимость изоэнтропного КПД от массового расхода для различных типов граничных условий

Зависимость изоэнтропного КПД от массового расхода для различных типов граничных условий

Электромагнетизм

Усовершенствованная технология создания сетки для структур Е­CAD

В новом релизе ANSYS 15.0 продолжается усовершенствование технологии ANSYS HFSS 3­D для работы со слоистыми структурами. Технология включает автоматизированный процесс подготовки моделей слоистых структур для последующего анализа посредством HFSS. Генерирование сеточных 3D­моделей с помощью Фи­мешера (Phimesher) позволяет получить выигрыш по времени более чем в 30 раз относительно классического мешера HFSS. Надо сказать, что эта функция доступна только в случае запуска HFSS из ANSYS Designer.

Специальная сеточная технология в ANSYS HFSS позволяет генерировать оптимальную сеточную модель для любых слоистых структур.

Слоистая структура типа многослойной печатной платы

Слоистая структура типа многослойной печатной платы

Криволинейные элементы в ANSYS HFSS­IE

В современных стелс­технологиях используется специальная геомет­рия и специальное покрытие объектов с целью минимизации отраженной электромагнитной волны. Подробное представление этих поверхностей является критическим для точного анализа эффективной площади поверхности (ЭПР); в то же время, эффективный анализ таких электрически больших структур имеет важное значение. Использование ANSYS 15.0 позволит инженерам выбирать криволинейные типы элементов, которые обеспечивают высокую точность без последующего увеличения времени вычислений для моделирования модели сложной геометрии.

Зависимость времени CPU от количества тетраэдров при использовании Фи-мешера

Зависимость времени CPU от количества тетраэдров при использовании Фи-мешера

Распределение токов на объекте, образованном криволинейными поверхностями

Распределение токов на объекте, образованном криволинейными поверхностями

Моностатическая ЭПР

Моностатическая ЭПР

Пространственно­зависимые свойства композитных материалов в ANSYS HFSS

Композитные материалы состоят из слоев различных материалов, ориентированных вдоль разных осей, что обеспечивает их уникальные свойства. В качестве примера можно привести FR4­ламинаты, применяемые в производстве печатных плат, а также многослойные композиты из углеродного волокна, используемые в конструкциях самолетов (для поглощения электромагнитной волны). Процесс моделирования СВЧ­устройств, а также устройств высокоскоростного обмена информацией, в состав которых входят композитные материалы, требует очень много времени и ресурсов.

Алгоритмы, заложенные в ANSYS HFSS, позволяют разработчикам моделировать устройства СВЧ на основе композитных материалов без потери точности с меньшими затратами времени и вычислительными ресурсами.

Технология HPC

Технология HPC

Распределение напряжения по полигону печатной платы

Распределение напряжения по полигону печатной платы

Высокопроизводительные вычисления — HPC

Конструкции мобильных устройств связи непрерывно усложняются, так как постоянно требуется расширение их функциональных возможностей. Поскольку подобные устройства используются сегодня практически повсеместно, спрос на увеличение пропускной способности и улучшение инфраструктуры связи постоянно возрастает. В результате модели анализируемых устройств становятся сложнее и, естественно, больше по размеру. ANSYS HFSS с HPC в релизе 15.0 обеспечивает производительность и масштабируемость, необходимые для удовлетворения этой потребности.

Достижения в моделировании высокоскоростной электроники

При создании новых устройств с усовершенствованными или с более функциональными характеристиками разработчикам необходим комплекс программных продуктов, который позволит решить все их задачи. Новые возможности в ANSYS 15.0 обеспечат проведение исчерпывающего анализа систем высокоскоростной передачи данных.

В новой редакции ANSYS 15.0 появилась возможность использовать 3D­решатель Q3D Extractor непосредственно из программного продукта ANSYS SIwave. Такое нововведение позволяет легко анализировать паразитные параметры RLCG в моделях корпусов чипов и печатных плат.

DC­анализ слоистых структур

Для потребителей бытовой электроники очень важно, чтобы устройства были меньше, обеспечивали больше функций и потреб­ляли меньше энергии, поэтому разработчики вынуждены разрабатывать более компактные и сложные печатные платы. Всё это приводит к тому, что анализ печатных палат на предмет распределения напряжения или тока становится крайне важным даже для маломощных устройств. В новом релизе ANSYS 15.0 анализ по постоянному току (DC­анализ), который позволяет  пользователям оценить места на печатной плате с критическими значениями напряжения и тока, представлен отдельной лицензией — ANSYS SIwave DC.

Заключение

Заинтересованный читатель наверняка отмечает значительное количество исправлений и нововведений, реализуемых в каждой новой версии. Поскольку рассказать обо всех технических новинках на страницах журнала практически невозможно, будем рады ответить пользователям на имеющиеся вопросы в нашем клубе пользователей ANSYS (www.cae­club.ru), а также на пользовательской конференции ANSYS, которая пройдет с 23 по 24 апреля в Москве (подробнее
на www.cae­expert.ru).

САПР и графика 3`2014