Новые возможности ANSYS CFD 16.0 Preview

Кирилл Пестов
Инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»
Ольга Новаковская
Инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»
Дмитрий Волкинд
Старший инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Главным нововведением ANSYS 16.0 стало появление модуля ANSYS AIM, который представляет собой новую оболочку для трехмерных многодисциплинарных расчетов. Среда ANSYS AIM может использоваться для газодинамического, прочностного и теплового моделирования, при этом она объединяет в едином рабочем окне все основные этапы: работа с геометрией, построение сеточной модели, выполнение решения, постобработка. ANSYS AIM включает возможности двунаправленной связи с CAD­моделью, собственные ресурсы для работы с геометрией, автоматическое построение сеточной модели, настройки пользовательского интерфейса, возможности подключения скриптов, записи журнальных файлов. ANSYS AIM позволяет повсеместно использовать в качестве вводимых данных алгебраические выражения, что значительно облегчает внесение изменений в модель и дает возможность ее параметризации.

Проведение расчета в ANSYS AIM осуществляется в виде последовательного выполнения связанных шагов. Каждый из шагов, таких как создание геометрии, построение сетки и т.д., называется «task» и содержит в себе все настройки данного этапа. ANSYS AIM имеет ряд готовых шаблонов, объединяющих часто используемые последовательности шагов. Базовый шаблон со значениями по умолчанию позволяет получить быстрый результат для ряда типичных задач. При необходимости можно изменить этапы и настройки по умолчанию в соответствии с целями и условиями задачи. Данный шаблон удобен для ознакомления с постановкой задачи и настройками модели в ANSYS AIM.

Шаблоны в ANSYS AIM применяются для моделирования задач течения жидкости, прочности, модального прочностного и стационарного теплового анализа, однонаправленного FSI­анализа, а также стационарного анализа электрической проводимости. Пользовательский интерфейс ANSYS AIM (рис. 1) имеет богатый набор инструментов для создания и управления расчетами различной степени сложности.

Рис. 1. Пользовательский интерфейс модуля ANSYS AIM

Новые возможности ANSYS СFX и турбоприложений 16.0 Preview

В новой версии ANSYS CFX 16.0 метод преобразования Фурье для ступени турбомашины реализован на полнофункциональном уровне. Данный метод, в частности, позволяет моделировать нестационарное взаимодействие ротора и статора для отдельных ступеней при высоких значениях соотношения угловых размеров (pitch ratio). Также появилась возможность применять метод FT­TRS для асимметричных течений, например при расчете вентилятора в поперечном потоке. В новой версии CFX метод FT­TRS применим для расчета лопаточных машин, работающих с несжимаемыми средами, в том числе насосов. Кроме того, CFX позволяет моделировать рабочее колесо нагнетателя, взаимодействующего с безлопаточным диффузором.

В числе прочих нововведений семейства методов TBR — возможность изменения временного шага без дополнительных мер и ограничений. Это дает возможность начать расчет с достаточно большим значением временного шага, а затем продожить вычисление для окончательных периодов с более мелким шагом. В результате общее время счета сокращается при сохранении точности. В новой версии CFX появилась возможность настройки роторной гармоники (Engine Order), которая позволяет учитывать взаимодействия лопаточных венцов между собой.

Рис. 2. Зона отрыва потока для модели SST с модификацией и без (черные стрелки — экспериментальное положение точки присоединения потока, красные — расчетное).

Дополнительные возможности в менеджере решателя CFX делают мониторинг процесса счета проще и позволяют отслеживать отклонения статистических величин (различные критерии осреднения, стандартное отклонение и т.д.), которые отображаются на графике и используются для оценки сходимости в случае квазистационарного решения. Также у пользователей появится возможность использовать статистические функции от контролируемых значений в качестве критериев остановки счета. Данная опция особенно полезна при автоматизированных вычислениях, например при проведении оптимизации.

Разработчики ANSYS продолжают совершенствовать обширную библиотеку моделей турбулентности CFX, добиваясь всё большего совпадения с экспериментальными данными. В частности, в новой версии подверглась корректировке популярная в инженерной среде модель SST, и теперь она дает более точное предсказание положения точки присоединения потока (рис. 2).

Рис. 3. Ускорение счета для модели гидротурбины (40 млн ячеек) в нестационарной постановке при использовании до 2048 процессорных ядер (с разрешения Voith Hydro
и HLRZ Stuttgart)

Постоянно увеличивающаяся сложность задач и сокращение сроков проектирования изделия требуют использования значительного количества вычислительных ресурсов. Отвечая требованиям рынка, ANSYS 16.0 предлагает обновленную и доработанную технологию высокопроизводительных вычислений (HPC). Благодаря данной технологии удалось достичь высокой масштабируемости вычислений без необходимости настройки дополнительных экспертных параметров (рис. 3). Также в новой версии ANSYS CFX снижено время считывания сеток большой размерности, что позволяет экономить время в процессе моделирования (рис. 4).

Рис. 4. Снижено время считывания файлов в случае расчета гидротурбины в нестационарной постановке с 40 млн узлов (совместный бенчмарк Voith Hydro и HLRZ Stuttgart)

Повсеместное применение параллельных расчетов выдвигает всё более жесткие требования к качеству декомпозиции (процессу разбиения сеточной модели на фрагменты). Плохое качество декомпозиции может идти в ущерб надежности решателя. В ANSYS 16.0 появился новый метод декомпозиции — smoothing, который позволяет достичь оптимального разделения вычислительной сетки на подобласти (рис. 5).

Рис. 5. Пример, показывающий эффект применения нового способа декомпозиции с функцией сглаживания (б), которая повышает эффективность и надежность вычислений, и без нее (а)

Создание файлов изображений (png, jpg и т.д.) занимало много времени, особенно для изображений с большим количеством полупрозрачных пикселов. Также существовала проблема замедления отклика графического интерфейса и пакетной постобработки. В новой версии разработчикам удалось заметно ускорить работу графического интерфейса, в частности значительно повышена производительность функции объемного рендеринга (рис. 6).

Рис. 6. Изображение, полученное в СFD-Post с использованием объемного рендеринга. Время, затраченное на создание данного изображения в ANSYS 15.0 — 177 c,
в ANSYS 16.0 — 19 с

Обновления коснулись и турбоприложений ANSYS. К примеру, в предыдущих версиях специализированные турбопеременные вычислялись длительное время, а в некоторых случаях это происходило неоднократно. При этом наблюдалась задержка при загрузке модели или при изменении настроек в расчетах с использованием методов TBR. В ANSYS 16.0 турбопеременные вычисляются только по требованию пользователя, когда это действительно необходимо. Немаловажные изменения коснулись качества осреднения полей физических величин. Если ранее наличие точек с неопределенными значениями могло приводить к искажению полей осредненных переменных и существовали ограничения применительно к TBR­методам, то теперь алгоритм осреднения правильно обрабатывает точечные значения и корректно работает с массивом данных TBR­методов (рис. 7).

Рис. 7. Искажение поля давления на меридиональном виде (а); заметное улучшение
при визуализации поля давления на меридиональном виде (б)

При проведении оптимизационных расчетов рабочих колес турбомашин необходима параметризованная модель лопатки в формате Blade Modeler. В новой версии появилась возможность считывать импортированную CAD­модель в «родной» формат Blade Modeler и извлекать координаты точек центральной линии, распределения толщины лопатки и углы ее закрутки (рис. 8 и 9).

Рис. 8. Импорт геометрии рабочего колеса из стороннего CAD-редактора в BladeModeler

Рис. 9. Извлечение распределения углов закрутки лопатки и ее толщины

ANSYS 16.0 предлагает новые шаблоны для алгоритма ATM, а именно: меридиональный сплиттер, ATM­шаблон для лопаток, расположенных по схеме «тандем», и ATM­шаблон для рабочего колеса, имеющего два сплиттера в межлопаточном канале (бета­опция) — рис. 10.

Пользователи, активно применяющие TurboGrid, обнаружат некоторые улучшения, касающиеся качества сетки. Во­первых, толщина пристеночных ячеек теперь стала постоянной, что важно для выдерживания нужных значений Y+, во­вторых, наблюдается большее соответствие в распределении плотности сетки в направлении высоты лопатки и ширины межлопаточного канала, а кроме того, улучшилось качество ячеек (по критерию Aspect Ratio) на входной и выходной кромках (рис. 11).

a

b

v

Рис. 10. Меридиональный сплиттер для разделения потока на первый и второй контур (а); ATM-топология для рабочего колеса, имеющего два сплиттера в межлопаточном канале (бета-опция) — б; ATM-топология для лопаток, расположенных по схеме «тандем» (в)

Рис. 11. Сеточная модель лопатки: а — R15; б — R16

Новые возможности ANSYS Fluent 16.0 Preview

Одним из наиболее значимых изменений является появление в пользовательском интерфейсе дерева проекта (рис.12), что делает работу в ANSYS Fluent более простой, быстрой и понятной.

Рис. 12. Дерево проекта в интерфейсе ANSYS Fluent

Дополнительно был создан монитор, отображающий число итераций в пределах шага по времени. При необходимости данные монитора можно записывать в выходной файл. Выбирая в меню Report -> System, пользователь может в графическом интерфейсе увидеть информацию по загрузке центрального процессора, использованию памяти и времени счета.

Алгоритм стабилизации решения в ячейках, имеющих плохое качество, в новой версии Fluent значительно усовершенствован за счет лучшего распознавания таких ячеек. Кроме того, теперь можно задавать пороговое значение критерия качества сетки для работы алгоритма в соответствующих ячейках. Данный алгоритм теперь доступен для всех задач с динамическими сетками (FSI с использованием System Coupling, применение решателя Six DOF).

Начиная с версии 16.0 ANSYS Fluent при выполнении решения в параллельном режиме может также распараллеливать процесс динамического перестроения сеток (тетра­эдрических и призматических элементов). Это значительно снижает пиковую загрузку памяти в процессе расчета, а также устраняет ограничение по размерности перестраиваемой сеточной зоны.

При трансформации исходной сетки в полиэдрическую Fluent теперь автоматически проверяет соотношение размеров каждой ячейки (Aspect Ratio) в пограничном слое. При больших значениях Aspect Ratio пользователю будет предоставляться выбор: либо сохранить ячейки в пограничном слое в исходном виде (треугольные призмы), либо трансформировать их в полигональные призмы (последнее может ухудшить точность представления исходной геометрии поверхностной сеткой).

Рис. 13. Сравнение модели по умолчанию с новым UDF, используемым для моделирования соударения частиц со стенкой

Традиционно в предрелизе были введены улучшения многих физических моделей. Рассмотрим наиболее значимые:

• изменения в моделях турбулентности:

- алгоритм Menter­Lechner для пристеночной зоны (бета­опция в предыдущем релизе) теперь полнофункционально доступен для k­e­модели. Данный метод использует не двухслойный подход, а низкорейнольдсовую формулировку, которая предназначена для обхода недостатков k­e­модели,

- все DES­модели и алгебраическая WMLES­модель были усовершенствованы для получения более точных решений на поли­эдрических сетках,

- доступна новая k­omega­модель (BSL). В ней устранена чувствительность к условиям течения вне пограничного слоя, как у стандартной модели k­omega, но она, в отличие от модели SST k­omega, не предсказывает должным образом точки отрыва и присоединения для гладких поверхностей;

• изменения в моделях теплообмена и излучения:

- при использовании S2S­модели теперь для сокращения времени записи и чтения файлов можно записывать угловые коэффициенты в бинарные файлы,

- метод трассировки лучей в рамках модели S2S позволяет вычислять угловые коэффициенты между группами поверхностей, а также дает возможность использовать симметричные и периодические границы при вычислении угловых коэффициентов от группы поверхностей к группе,

- пользователи могут произвольным образом определить профиль тепловыделения, используя новый функционал UDF;

• горение и перенос компонентов:

- в методе химический агломерации теперь можно напрямую определять размер температурных интервалов, используемых в алгоритме группировки,

- возможность использовать UDF для определения скорости зародышеобразования и коагуляции частиц сажи,

- Fluent теперь содержит библиотеку реакций из CHEMKIN­CFD, и при этом не требуется отдельной лицензии,

- возможность импортировать кинетические механизмы и базы данных термодинамических свойств из Reaction Design (CHEMKIN) во Fluent;

• модель дискретной фазы (DPM):

- доступны новые UDF для модели лагранжевой пленки (рис. 13): определение режима столкновения частиц со стенкой, а также управление распределением отделяющихся частиц,

- новая модель пленочного кипения доступна для капель и многокомпонентных частиц лагранжевой пленки,

- возможность передачи энергии от частиц к стенке;

• модель VOF:

- переменный шаг по времени можно задать для модели VOF в явной и неявной постановке. Благодаря данному нововведению возможно точнее оценить размер временного шага при использовании неявного метода VOF, а также повысить скорость вычислений в нестационарной постановке,

- усовершенствование схемы compressive: применимость для дисперсного режима и режима с выраженной границей раздела фаз; алгоритм работы схемы изменяется в зависимости от режима;

• эйлерова многофазная модель:

- возможность использования безытерационного алгоритма NITA для многофазных течений, что значительно увеличивает скорость расчета нестационарных многофазных задач в эйлеровой постановке,

- добавлена новая модель теплообмена, когда весь межфазный тепловой поток связан с массообменом,

- при использовании модели кавитации можно задавать зависимость давления насыщения от температуры в виде аппроксимации Тэйлора первого порядка в окрестности значения температуры невозмущенного потока. Это положительно влияет на численную устойчивость в случаях с малыми температурными отклонениями,

- при использовании модели кавитации можно учесть влияние турбулентности на порог кавитации;

• эйлерова модель пленки:

- периодические граничные условия теперь доступны с эйлеровой моделью пленки.

Основные улучшения в задании граничных условий и сеточных зон:

• импедансное граничное условие теперь становится полнофункциональной возможностью;
• граничное условие Transparent Flow Forcing для задания профилей входных акустических волн на границах домена позволяет выходным волнам проходить без отражения;
• возможность определения термосопротивления контактов на границе между пористым и твердым доменом при включенном уравнении энергии;
• моделирование вентилятора в трехмерной сеточной области, ограниченной зоной вращения лопаток, за счет создания источника в уравнении импульса. Использование модели 3D Fan Zone дает результаты, сопоставимые с результатами прямого моделирования с движущимися системами координат (MFR). При этом не требуется вращение сетки, есть возможность задавать ширину вентилятора в направлении течения, а также определять тангенциальную и радиальную составляющие скорости;
• доступно моделирование случайных волн на свободной поверхности жидкости с помощью волнового спектра (рис. 14).

Обновления также коснулись процесса распараллеливания. Введена опция сглаживания Лапласа, используемая с методом разбиения METIS. Она предотвращает прохождение границ разбиений по областям с сильно вытянутыми ячейками, что позволяет избежать проблем устойчивости, возникающих в таких случаях (рис. 15).

Рис. 14. Моделирование случайных волн на поверхности жидкости

Рис. 15. Преимущество использования метода разбиения METIS со сглаживанием Лапласа

Рис. 16. Назначение периодических границ для Fluent

Теперь появилась возможность делать независимые настройки AMG­алгоритма на GPU для каждого уравнения, а также проверять загруженность ресурсов, скорость интерконнектов и баланс нагрузки.

К новшествам версии 16.0 ANSYS Fluent можно отнести и возможность загружать в модуль Fluent несколько сеточных моделей, созданных в ANSYS Meshing, автоматизированно передавать геометрию во Fluent Meshing через Workbench, использовать журнальный файл для автоматического создания расчетной сетки, отдельно указывать число параллельных процессов для обновления ячейки Mesh, а также связывать системы Maxwell и Fluent (в стационарной постановке), что теперь является полнофункциональной опцией.

В новой версии стало возможным автоматическое распознавание периодических границ во Fluent. При создании сетки в ANSYS Meshing достаточно назначить именованные наборы для периодических границ, после чего они будут автоматически распознаны во Fluent как соответствующие граничные условия (рис. 16).

Официальный выход ANSYS версии 16.0 планируется в начале 2015 года, но уже сейчас, благодаря анонсированной версии ANSYS 16.0 Preview, можно узнать и оценить, как разработчики усовершенствовали программный комплекс ANSYS. Следите за нашей рубрикой, и вы всегда будете в курсе событий! 

САПР и графика 11`2014