Кирилл Болотин,
к.т.н., инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал»
В статье представлен практический анализ отечественного CFD-пакета ЛОГОС Аэро-Гидро как зрелой альтернативы зарубежным решениям (Ansys Fluent, STAR-CCM+, COMSOL). На основе опыта инженера технической поддержки последовательно рассмотрены все этапы подготовки и проведения расчета: работа с интерфейсом, построение геометрической и сеточной моделей, выбор физических моделей и решателей, контроль сходимости, постобработка в пакете ScientificView, а также возможности автоматизации через открытую файловую структуру и Python-скрипты. Особое внимание уделено проведению аналогий с привычными зарубежными пакетами для облегчения перехода. На конкретном примере адаптации решателя под нетиповую задачу нагрева трубной заготовки показано, что ЛОГОС Аэро-Гидро — это не «аналог», а полноценный промышленный инструмент, готовый к эксплуатации в реальной инженерной практике.
Вопрос перехода с привычных зарубежных CFD-пакетов на отечественное ПО из гипотетического стал сегодня реальной возможностью, доступной любому инженеру. Однако практика показывает: главный барьер — не техническая сложность миграции, а устоявшийся стереотип о том, что российские продукты отстают от уровня мировых лидеров.
За последние годы ЛОГОС Аэро-Гидро (далее ЛОГОС АГ) прошел серьезный путь развития. Продукт вышел из фазы «молодого» и достиг промышленной зрелости. Интерфейс доведен до интуитивно понятной логики, решатели дополнены необходимыми физическими моделями, а инструменты автоматизации стали гибкими и прозрачными. Цель данной статьи — не общее описание продукта или детальный разбор математики, а предметный анализ функционала. Будет показано, что сегодня ЛОГОС Аэро-Гидро — это не просто «аналог», а полноценный инструмент, способный закрывать большинство типовых и значительную часть нестандартных инженерных задач на уровне лучших мировых практик.
В статье мы последовательно пройдем все этапы подготовки и проведения расчета в ЛОГОС Аэро-Гидро — от первичного знакомства с интерфейсом до автоматизации нестандартных задач. Каждый раздел построен вокруг практического вопроса, с которым сталкивается инженер: удобство настройки сетки, достаточность физических моделей, контроль сходимости, анализ результатов и адаптация решателя под специфику задачи. Особое внимание уделено сравнению ЛОГОС АГ с привычными зарубежными пакетами (Ansys Fluent, STAR-CCM+), чтобы помочь пользователю быстрее найти аналогию и понять, как можно интегрировать отечественный пакет в свою работу.
Интерфейс ЛОГОС Аэро-Гидро
Стоит начать с общего вида интерфейса ПО (рис. 1), так как именно он является демонстрацией зрелости коммерческого ПО для опытного расчетчика.
Рис. 1. Рабочий интерфейс ЛОГОС Аэро-Гидро
Интерфейс ЛОГОС Аэро-Гидро имеет черты результата переработки заимствований лучших практик, а именно: дерево модели, графическое окно, консоль для вывода информации и панелей инструментов визуализации, контроля выделения и работы с некоторыми элементами настройки задачи.
Дерево модели выстроено по принципу «сверху вниз» и служит основным навигационным инструментом, позволяя инженеру последовательно проходить все этапы настройки — от импорта геометрии до задания параметров решателя.
Консоль, расположенная в нижней части экрана, выполняет две функции: она выводит служебную информацию о ходе работы над моделью и предоставляет доступ к интерпретатору Python, что позволяет управлять проектом и выполнять вспомогательные операции внутри одной сессии проекта.
Графическое окно не просто отображает модель — его интерактивность заметно ускоряет препроцессинг: назначение граничных условий, выборка граней и визуальный контроль геометрии выполняются в несколько кликов с мгновенной обратной связью.
В целом интерфейс дружелюбен к пользователю и позволяет быстро освоиться как опытному инженеру, так и начинающему специалисту.
Геометрическая и сеточная модели
Построение любой численной модели начинается с геометрии и сетки. ЛОГОС Аэро-Гидро обладает встроенным геометрическим редактором и сеточным построителем, а также, при необходимости, позволяет импортировать файлы расчетной сетки в формате *.msh (например, построенные в Fluent Meshing) и файлы геометрии в нескольких нейтральных форматах: STEP, или IGES, или STL.
Встроенный сеточный генератор ЛОГОС Аэро-Гидро работает по тому же принципу, что и аналогичные модули в зарубежных CFD-пакетах: Ansys Fluent, COMSOL Multiphysics, STAR-CCM+.
На основе геометрической модели создается регион, в котором настраиваются типы граничных условий, после чего пользователь переходит в раздел «Блок генераторов сеток», который представляет собой готовый шаблон автоматического построения поверхностной и объемной сеток. Среди объемных генераторов ключевой — это сетки отсечением (гексаэдрические элементы). Доступны также многогранные (полиэдрические) и тетраэдрические сетки, тонкостенный генератор и специализированный генератор для задач формирования волн (рис. 2).
Рис. 2. Раздел «Блок генераторов сеток» и доступные сеточные генераторы
Особо стоит отметить, что в сеточном генераторе ЛОГОС Аэро-Гидро есть такое понятие, как «Базовый размер» — сквозной параметр, в процентах от которого задаются целевые, максимальные и минимальные размеры сетки, что значительно ускоряет настройку, так как достаточно поменять только одно значение, а не перенастраивать каждый пункт шаблона.
Локальные настройки поверхностной и объемной сеток представлены широким набором знакомого функционала: локальные размеры для граней, ребер и тел, тела/грани влияния (аналог Body/Face of Influence из Ansys Fluent). При этом локальные особенности задаются не только «Целевым размером ячейки», но еще и «Минимальным», в результате чего генерируемая сетка получается более качественной.
Кроме всего перечисленного, пользователю доступна настройка скорости роста ячеек, количество точек на окружности, возможность строить разные типы сеток в рамках одной расчетной области и многое другое.
Пограничный слой традиционно задается тремя параметрами: коэффициент роста призм, число слоев и суммарная толщина. Размер первой ячейки рассчитывается автоматически (рис. 3), что исключает ручной подбор и многократные перестроения сетки для достижения значения, соответствующего выбранному y+. Сам параметр y+ может быть вычислен с помощью встроенного калькулятора, что позволяет заранее, до начала генерации проверить корректность настроек.
Рис. 3. Настройки раздела «Пограничный слой»
Ключевой параметр оценки качества сетки носит название «асимметрия», который, в терминах сторонних расчетных продуктов, соответствует понятию «ортогональное качество» — угол между вектором, соединяющим центры соседних ячеек, и нормалью к их общей грани, отображаемый в градусах (рис. 4).
Рис. 4. Отчет о качестве объемной сетки
Решатель
Пожалуй, главное, что волнует инженера при переходе на новый CFD-пакет — это достаточность физических моделей и устойчивость алгоритмов решателя. Сегодня ЛОГОС Аэро-Гидро является полноценным промышленным продуктом, архитектура которого представляет собой как переработанные лучшие мировые практики, так и ряд собственных гибких инструментов для повседневной работы.
В основу ЛОГОС АГ положены два типа решателей, что давно стало классическим и проверенным временем подходом (аналогичным тому, что реализован в Ansys Fluent или CFX). Для задач несжимаемых и слабосжимаемых течений (до чисел Маха ~1,5-2) используется разделенный решатель по давлению, реализованный на базе алгоритма SIMPLE. Это основной инструмент для внутренней гидродинамики, течений в трубопроводах, систем отопления и вентиляции, а также сопряженного теплообмена. Для сверхзвуковых и сильно сжимаемых течений, классических задач внешней аэродинамики и газодинамики предусмотрен связанный решатель по плотности (на базе TVD-схемы), который эффективно моделирует скачки уплотнения и обтекание летательных аппаратов.
С точки зрения выбора моделей турбулентности, ЛОГОС АГ располагает всем необходимым базовым спектром для инженерных расчетов: доступны индустриальные стандарты k-ε и k-ω SST, модель Спаларта — Аллмараса (S-A) для аэродинамических задач с высокими числами Рейнольдса, а также ламинарная модель. Для специализированных предусмотрены вихреразрешенные модели DES и LES, что соответствует лучшим современным практикам.
Набор моделей для учета теплопереноса также полностью покрывает производственные нужды. Уравнение энергии может решаться через температуру, статическую или полную энтальпию, что позволяет корректно рассчитывать как системы низкоскоростного теплообмена, так и аэродинамический нагрев. Есть возможность учесть влияние гравитации, свободной конвекции (модель Буссинеска), сжимаемости и несжимаемости (идеальный или реальный газ).
Для многофазных течений и химии предоставлены модели VOF (для свободных поверхностей), модель смеси (газ — жидкость), а также перенос многокомпонентных сред с возможностью моделирования химических реакций и горения. Кроме того, реализованы модели лучистого переноса (S2S и DO), пористых сред, подвижных тел и сеток, модель вентилятора, а также акустика. Физические модели корректно сопрягаются с полным набором граничных условий: входы по скорости, полному давлению и массовому расходу, дальнее поле, выходы с учетом обратного тока, а также стенки с различными тепловыми условиями. При работе с несколькими регионами обмен данными обеспечивается через настраиваемые межобластные интерфейсы.
Таким образом, на сегодняшний день ЛОГОС Аэро-Гидро обладает развитым и полноценным инструментарием/набором физических моделей. Набор решателей и настроек полностью закрывает потребности большинства промышленных и научных инженерных задач, обеспечивая при этом необходимый уровень гибкости и надежности расчетов.
Контроль сходимости
Настроив физику и запустив решатель, инженер неизбежно сталкивается с вопросами, на которые нет универсального ответа: какие графики сходимости выводит решатель? какой уровень невязок считать достаточным? по какому критерию останавливать расчет? Ответы на них зависят не только от типа задачи, но и от конкретного пакета. В этом отношении ЛОГОС Аэро-Гидро демонстрирует подход, который может показаться необычным для пользователей Ansys Fluent или STAR-CCM+.
В традиционных зарубежных пакетах основным индикатором сходимости принято считать невязки (residuals). В ЛОГОС Аэро-Гидро интерфейс и логика управления расчетом ориентированы в первую очередь на поправки решения (solution change). Разница между ними принципиальная:
- невязка — дисбаланс уравнения сохранения в текущей итерации. Она показывает, насколько хорошо текущее поле удовлетворяет законам сохранения массы, импульса и энергии;
- поправка — величина изменения переменной между двумя последними итерациями. Она показывает, как сильно решение «дрейфует» от шага к шагу.
Важно: прямое сравнение значений поправок в ЛОГОС АГ с падением невязок в Ansys Fluent или STAR-CCM+ некорректно из-за различий в методиках нормировки и расчета. То, что в одном пакете считается «хорошим» уровнем, в другом может выглядеть иначе, и это не говорит о качестве решения.
Разработчики не дают жестких рекомендаций по величине поправок, ограничиваясь стандартным порогом отсечки 10^(-4). Опыт инженеров ГК ПЛМ Урал подсказывает, что если результат расчета от итерации к итерации меняется менее чем на 1%, а также есть стабилизация по другим критериям сходимости (расход, сила, температура и т.п.), то этого достаточно для инженерной точности.
Постобработка
После того как расчет сошелся, наступает этап анализа результатов. На текущем этапе развития ЛОГОС Аэро-Гидро постобработка осуществляется в отдельном пакете ScientificView, который бесплатно включен в комплект поставки любого решателя.
Интерфейс пакета классический, содержит дерево визуализации, графическое окно, консоль и панели инструментов для проведения анализа и построения графиков результатов (рис. 5).
Рис. 5. Интерфейс ScientificView
ScientificView обладает всеми ключевыми способами визуализации, дает пользователю возможность создавать и визуализировать собственные массивы данных, выполнять расчеты различных величин, искать максимальные, минимальные и средние значения. Всё это соответствует ведущим мировым аналогам.
Возможности постобработки настолько обширны, что для их полного описания планируется отдельная публикация.
Автоматизация и адаптация
Массовое внедрение численного моделирования в инженерный процесс привело к росту вовлеченных специалистов и повышению их уровня компетенции, что, в свою очередь, повлекло за собой увеличение количества и сложности расчетных случаев. В связи с этим на первый план вышли вопросы автоматизации и адаптации для сокращения времени решения серии задач и создания уникальных моделей, которые невозможно решить в рамках базового программного обеспечения.
Пакет программ ЛОГОС АГ содержит в себе отдельный продукт для решения таких задач — ЛОГОС Платформа. Она позволяет выполнять параметрический анализ, загружать пользовательские функции, а также решать сопряженные задачи (CHT, FSI). К недостаткам можно отнести довольно высокие требования к начальным навыкам владения данным продуктом.
В зависимости от сложности задачи существует альтернативный способ автоматизации и адаптации ЛОГОС Аэро-Гидро с помощью встроенного функционала, но перед тем, как перейти к его описанию, необходимо разобрать файловую структуру проекта ЛОГОС АГ.
ЛОГОС Аэро-Гидро может быть сохранен или как проект с расширением *.uproj, или как модель в формате *.yaml. Оба этих объекта являются текстовыми файлами, которые могут быть открыты и отредактированы с помощью скрипта на языке Python и предназначены для внесения изменений в настройки модели, что открывает широкие возможности по автоматизации, параметрических исследований, создания уникальных сценариев расчета и многого другого. Все, кому это интересно, могут узнать подробности реализации на специальном вебинаре.
Рассмотрим пример адаптации решателя под нетиповую задачу.
Необходимо выполнить расчет нагрева трубной заготовки, которая движется поступательно и вращательно в печи излучения (рис. 6).
Рис. 6. Постановка задачи нагрева трубной заготовки
Настройка нестационарной задачи была выполнена с использованием S2S-модели излучения в вакууме и учета сопряженного теплообмена между трубой и воздухом через граничное условие конвекции. Такой подход позволяет избежать дополнительных затрат на расчет потоков воздушной среды.
Однако в текущей версии ПО ЛОГОС АГ есть ограничение, связанное с расчетом угловых коэффициентов излучательной модели, — он происходит один раз при старте счета. Это не было бы проблемой, но в задаче также учитывается движение трубной заготовки, что влечет за собой необходимость актуализировать угловые коэффициенты через определенные промежутки времени.
Для автоматизации этих действий был использован метод, описанный в данном разделе. В файл *.yaml вносились изменения по начальному и конечному времени расчета (∆T = 5 с), после чего производился запуск счета через консоль (рис. 7).
Рис. 7. Блок-схема расчета задачи нагрева трубной заготовки
Готовый скрипт расчетного цикла на языке Python содержит 23 строки и не требует никакого дополнительного ПО, кроме ЛОГОС Аэро-Гидро. Результат расчета представлен на рис. 8.
Рис. 8. Распределение температуры в трубной заготовке спустя 1000 секунд с момента начала движения в излучательной печи
Таким образом, ЛОГОС Аэро-Гидро не замыкает пользователя в рамках жестко предопределенных сценариев. Благодаря открытой файловой структуре и возможности консольного запуска решателя, инженер получает не просто расчетный пакет, а гибкую среду для реализации собственных схем автоматизации. В этом смысле ЛОГОС АГ дает опытному пользователю возможность создавать уникальные расчетные стратегии, используя минимальный объем вспомогательного кода и штатные средства самого пакета.
Заключение
Итак, ЛОГОС Аэро-Гидро сегодня — это зрелый промышленный продукт, который не просто «догоняет» зарубежные аналоги, а предлагает собственные эффективные решения в ряде ключевых аспектов:
- по функционалу. Библиотека физических моделей и набор граничных условий полностью перекрывают потребности гидродинамики, теплообмена, аэродинамики и газодинамики. Решатели демонстрируют устойчивость, а подходы к моделированию турбулентности и пристеночных течений реализованы на уровне мировых стандартов;
- по интерфейсу и сетке. Логика работы интуитивно понятна любому, кто знаком с Ansys Fluent, STAR-CCM+ или COMSOL. Процесс построения сетки автоматизирован, гибок и снабжен удобными инструментами контроля качества;
- по гибкости. Открытость файловой структуры и возможность управления расчетом через Python-скрипты создают широкие перспективы для параметрических исследований и разработки заказных схем моделирования без необходимости приобретения дополнительных модулей;
- по постобработке. Встроенный пакет ScientificView предоставляет весь необходимый инструментарий для профессионального оформления результатов.
Уже сейчас ЛОГОС Аэро-Гидро готов к полноценной эксплуатации в реальной инженерной практике.
