Новые возможности ANSYS CFD 17.0

Ольга Новаковская, инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал»

Группа компаний «ПЛМ Урал», официальный партнер компании ANSYS, представляет вашему вниманию первую статью из серии, посвященной решениям ANSYS версии 17.0. В данной статье вы узнаете о планируемых нововведениях и улучшениях CFD­линейки ANSYS 17.0, релиз которой состоится в ближайшее время. Все вопросы относительно статьи и программного обеспечения вы можете задать нашим техническим специалистам на сайтах www.cae­expert.ru и www.cae­club.ru.

Повышение вычислительной эффективности

Высокопроизводительные вычисления (HPC)

В новой версии ANSYS 17.0 Fluent показал отличную масштабируемость на 129 024 ядрах (рис. 1). Для тестирования использовалась модель камеры сгорания, состоящая из 830 млн ячеек и включающая уравнения движения, энергии и переноса компонентов.

Кроме того, во Fluent 17.0 был значительно улучшен алгоритм METIS для декомпозиции больших расчетных моделей. Например, для тестовой модели грузовика, состоящей из 134 млн ячеек (рис. 2), время декомпозиции области при использовании 512 ядер было снижено с 35 мин до 15 с. Даже в случае применения 4096 ядер декомпозиция заняла меньше минуты.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

К числу улучшений в области высокопроизводительных вычислений можно отнести появление новой опции Model­Weighted­Partitioning, которая позволяет осуществить равномерную загрузку ядер кластера при решении задач горения, теплового излучения, распыла частиц и др.

Если рассматривать CFX, то здесь основные улучшения в области высокопроизводительных вычислений наблюдаются при моделировании лопаточных машин с применением модели TRS (transient rotor­stator). В отличие от предыдущих версий, в ANSYS CFX 17.0 удалось преодолеть барьер масштабируемости при распараллеливании задачи более чем на 512 ядер. Стоит заметить, что задачи продолжают достаточно хорошо распараллеливаться и при использовании 1024 ядер (рис. 3), снижая общее время расчета на 20% по сравнению с 16­й версией ANSYS CFX.

Также в ANSYS CFX значительно снизилось общее время чтения и записи файлов в случае моделирования задач большой размерности с большим количеством интерфейсов (рис. 4).

Источниковые слагаемые в CFX

Существенно сократилось время моделирования задач, в которых используется большее количество точечных источников (Source Point). В качестве тестовой задачи выступила модель охлаждаемой лопатки турбины с большим количеством охлаждающих отверстий, заданных в виде точечных источников (рис. 5).

Рис. 5

Модель излучения Монте­Карло в CFX

В новой версии CFX был оптимизирован алгоритм распараллеливания при использовании метода Монте­Карло. Например, при распараллеливании задачи на 60 ядер с использованием данной модели излучения (рис. 6) удалось добиться практически линейного роста производительности.

Улучшение сходимости во Fluent

Теперь метод Conservative Coarsening будет применяться по умолчанию при подключении сопряженного решателя по давлению (pressure­based coupled solver) для улучшения сходимости задачи (рис. 7). Эффект этого нововведения будет особенно заметен на полиэдрических сетках и сетках с сильно вытянутыми ячейками.

Рис. 6

Рис. 7

Улучшения для удобства пользования

Обновление графического интерфейса Fluent

Еще одно приятное нововведение относится к изменению графического интерфейса Fluent (рис. 8). В этот раз разработчики ANSYS решили полностью отказаться от привычного всем главного меню с выпадающим списком и заменить его на панель инструментов, что делает работу в ANSYS Fluent 17.0 более простой, быстрой и понятной.

Рис. 8

CFD­Post

В ANSYS R17 появилась возможность сохранения полей переменных для выбранных поверхностей внутри расчетной области. Это нововведение позволяет, в частности, значительно сократить объем сохраняемых данных в нестационарных расчетах. Следует отметить, что пользовательская поверхность может быть произвольно ориентирована относительно сеточной модели (рис. 9).

Рис. 9

Кроме того, CFD­Post теперь дает возможность загружать поверхности в формате STL. Это позволяет, например, визуализировать исключенную из расчета твердотельную часть конструкции.

Задание движения границы во Fluent

В ANSYS Fluent 17.0 появилась возможность задать закон движения границы при помощи профиля (поступательное или вращательное движение) без применения пользовательской функции (UDF) — рис. 10.

Некоторые изменения коснулись и 6DOF. Например, теперь возможно задать движение абсолютно твердого тела (Rigid Body) и сетки в системе координат подвижной зоны, что упрощает вычисление координат при написании UDF (рис. 11).

Рис. 10

Рис. 11

Новый метод перекрывающихся сеток (Overset Mesh)

Во Fluent 17.0 появилась новая перспективная технология, которая получила название Overset Mesh. Данная технология может использоваться в том случае, если стандартный метод перестроения сетки неспособен справиться с сильными деформациями зоны, которые могут привести к появлению перекошенных/вытянутых или вырожденных ячеек. Данный метод предназначен в первую очередь для моделирования шестеренчатых (рис. 12) и героторных насосов.

Рис. 12

Нововведения в расчетах турбомашин

В числе наиболее интересных нововведений, касающихся расчета лопаточных машин, можно выделить следующие:

• в качестве бета­опции появился долгожданный метод из линейки Transient Blade Row, позволяющий проводить моделирование машин в частотной области с высокой степенью вычислительной эффективности;
• расширена область применимости реализованных ранее методов: метод преобразования времени теперь может работать для многоступенчатых машин (в виде комбинации двусторонних и односторонних интерфейсов) и при задании нескольких возмущений, а метод преобразования Фурье теперь поддерживает асимметричные конфигурации (например, спиральные отводы — рис.  13), несколько соотношений угловых размеров в одной задаче, а также несколько частот;
• на полнофункциональном уровне реализована методика решения нестационарных задач сопряженного теплообмена с различными шагами по времени для твердотельной и газовой областей. Это позволяет преодолеть известные ограничения, связанные с различающимся на порядки характерным временем процессов.

Также некоторые улучшения коснулись сеточного TurboGrid — доработанный шаблон позволяет добиться более высокого качества ячеек в области кромки (рис. 14), а ограничение по соотношению сторон позволяет обеспечить оптимальное сеточное разрешение для длинных входных и выходных каналов.

Рис. 13

Рис. 14

Нововведения в физических моделях и расчетных шаблонах

Systems Coupling

Для двусторонней связи (FSI) между CFX и Mechanical взамен функционального модуля MFX теперь будет использоваться Systems Coupling (рис. 15), что позволит снять ряд существовавших ранее ограничений. Исходно будет предусмотрена возможность передачи сил и перемещений, в дальнейшем планируется реализация передачи тепловых нагрузок.

Рис. 15

Кэширование расчетных данных CFX

Важным нововведением будет кэширование расчетных данных CFX, которое позволяет оптимизировать процесс счета при многократных перезапусках решения (рис. 16). Это может применяться, в частности, для ускорения процесса оптимизации проточной части турбомашины, когда для каждой новой геометрии в качестве начальных условий используется несколько расчетных точек характеристики, полученной для предыдущей геометрии.

Рис. 16

Также появится опция (Keep Latest Solution Data Only), которая сохраняет только последние данные расчета, удаляя старые файлы, что сводит использование дискового пространства к минимуму.

Улучшения в моделях турбулентности

17­й релиз отмечен появлением в CFX и Fluent новых вихреразрешающих моделей Shielded Detached Eddy Simulation (SDES) и Stress­Blended Eddy Simulation (SBES) — рис. 17.

Рис. 17

SBES по точности результатов в целом соответствует существующим моделям (WMLES, DDES, DES), но предоставляет возможность для комбинирования и согласования различных RANS­ и LES­моделей, а также позволяет визуализировать области действия RANS­ и LES­моделей (такой же возможностью обладает SDES­модель). Новая модель имеет потенциал увеличения точности для некоторых задач, в которых существующие методы дают неудовлетворительные результаты.

Модель ламинарно­турбулентного перехода, Intermittency Transition Model, ранее введенная во Fluent, в новой версии стала доступна и в CFX.

Моделирование излучения в CFX

Новая бета­функция (Polar Distribution Function), используемая с моделью излучения Монте­Карло, позволяет получить от граничных источников трехмерное распределение интенсивности (рис. 18). Изменение интенсивности сферически симметрично в локальной системе координат. В версии ANSYS  17.0 данная функция доступна пока только через CCL.

Рис. 18

Многофазные течения в CFX

Для решения сложных задач c многофазными течениями в CFX появилось несколько улучшений, реализованных пока в виде бета­опций. Информацию о них мы предполагаем конкретизировать после выхода новой версии.

Граничные условия во FLUENT

Во Fluent R17.0 в задачах с движущимися системами координат теперь возможно определять массовый расход как граничное условие не только относительно данной сеточной зоны, но и в абсолютной системе координат (рис. 19). Аналогичным образом могут быть определены параметры возвратного течения на выходах с заданным давлением.

Рис. 19

Рис. 20

В новом релизе в качестве бета­функции можно использовать неотражающие граничные со сжимаемой жидкостью.

Теплообмен и теплопроводность в оболочках во Fluent

Модель оболочечной теплопроводности теперь может применяться для несовпадающих сеточных интерфейсов. Кроме того, толщина и тепловыделение для каждого слоя оболочки теперь могут быть объявлены входными параметрами Workbench (рис. 20).

Модель Монте­Карло во Fluent

Модель излучения Монте­Карло, доступная ранее только в CFХ, введена во Fluent на уровне бета­опции. Данная модель дает результаты существенно лучше по сравнению с другими ранее доступными моделями при исследовании излучения в зеркально­линзовых системах, например при тепловых расчетах фар и прожекторов. В новом релизе данная модель представлена пока только для 3D­решателя и не распараллеливается. На рис. 21 показано температурное поле, полученное в тестовом расчете собирающей линзы с использованием методов дискретных ординат и Монте­Карло.

Рис. 21

Продукты CHEMKIN

С момента поглощения компании Reacting Flow идет постоянная работа по передаче функционала продуктов CHEMKIN во Fluent.

В новой версии CHEMKIN­CFD не требует дополнительной лицензии, при этом Fluent совместим со всеми механизмами CHEMKIN. Кроме того, при использовании решателя CHEMKIN­CFD стал доступен новый метод кластеризации ячеек, который дает значительное ускорение решения в сравнении с методом прямого интегрирования.

Улучшения в эйлеровых моделях многофазных течений во Fluent

Добавлена бета­опция для моделирования многофазных течений в пористых средах, которая может применяться для задач фильтрации нефтегазовых смесей в пластах;

значительно усовершенствована появившаяся в 16­й версии модель учета капиллярной силы;

для определения параметров насыщения в многокомпонентных смесях теперь доступна модель NIST Refprop PVT, реализованная в виде бета­опции.

Модели дискретной фазы (DPM/DEM) во Fluent

Модель вращения DPM­частиц, которая теперь реализована на полнофункциональном уровне, позволяет учитывать трение скольжения при столкновении частицы со стенкой и подъемную (Магнуса) силу. Это важно, например, для корректного моделирования циклонных сепараторов и фильтров;

в DEM­модель добавлены новые модели столкновения частиц. Появилась специальная модель для макроскопических частиц (размеры которых превышают размеры нескольких ячеек сетки);

введена новая модель шероховатой стенки, позволяющая получать более корректные результаты для стесненных потоков с частицами (трубы, циклоны и т.д.).

Появились улучшения для обоих вариантов моделей пристеночной пленки. Лагранжева модель пленки дополнена моделью Kuhnke. Эйлерова модель теперь поддерживает переменное значение плотности материала пленки.

Улучшение модели VOF

Улучшение и развитие коснулось также и модели VOF, которая часто применяется для решения задач проектирования судов и шельфовых сооружений. Теперь для граничного условия открытого канала можно задавать разную скорость входа для первичной и вторичной фазы. Стало доступно условие многонаправленного численного пляжа для преодоления нефизичного отражения, возникающего из­за нескольких граничных условий давления на выходе. Для течений в открытых каналах теперь применяется волновая теория Фентона, дающая более корректные результаты, в частности для волн большой крутизны. 

САПР и графика 1`2016