Обзор новых возможностей программных продуктов ANSYS/CFX для задач вычислительной аэродинамики

Владимир Коньшин, Александр Щеляев

CFX-5.7.1

CFX-Mesh 9.0

CFX-TurboGrid 2.2.1

CFX-ICEM CFD 5.1

Поддержка пользователей CFX

Инжиниринговая компания «ТЕСИС» специализируется на разработке и внедрении современного инженерного программного обеспечения на российских машиностроительных предприятиях. Комплексные решения для моделирования аэрогидродинамики, теплообмена и процессов горения от компании «ТЕСИС» базируются на оптимальном сочетании отечественных и зарубежных программных комплексов. Компания «ТЕСИС» является разработчиком собственного программного кода FlowVision и одновременно дистрибьютором западного комплекса ANSYS/CFX. Компания «ТЕСИС» занималась внедрением программного комплекса CFX на российском рынке в течение последних семи лет и за это время накопила большой опыт применения CFX в промышленности.

В конце прошлого года компании «ТЕСИС» и ANSYS Germany GmbH организовали «Семинар пользователей CFX в России по специализации “Турбомашины”». В работе семинара приняли участие представители фирмы — разработчика CFX Джордж Ферейра и Хансен Торстен. Семинар был приурочен к выходу новой линейки программных продуктов для задач вычислительной аэродинамики CFX-5.7.1, CFX-Mesh 9.0, CFX-TurboGrid 2.2.1 и ICEM CFD 5.1. Целью научно-практического семинара являлось освещение вопросов применения этих программных продуктов для решения прикладных задач вычислительной аэро- и гидродинамики в таких областях, как авиастроение, машиностроение, кораблестроение, а также автомобильная, топливно-энергетическая, космическая промышленность и т.д.

Семинар дал участникам отличную возможность наладить новые контакты, укрепить старые связи, обменяться опытом, а также получить консультации технических специалистов «ТЕСИС» и разработчиков CFX. Этим объясняется особый интерес к семинару, на котором выступили специалисты НПО «Сатурн» (Рыбинск), НТЦ им. А.Люльки (Москва), ОАО «Криогенмаш» (Балашиха), Московского физико-технического института, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Сумского государственного университета.

Директор по маркетингу CFX в Европе Джордж Ферейра представил стратегию развития ANSYS, заключающуюся в объединении программных комплексов ANSYS, ICEM CFD и CFX в единую рабочую среду ANSYS/Workbench. Кроме того, им был сделан обзор возможностей нового релиза ANSYS/CFX 5.7.1. Г-н Ферейра отметил, что программный продукт CFX является эталонным средством моделирования процессов в узлах и элементах газотурбинных двигателей и установок и гарантирует высокую точность и удобство использования. Участникам семинара были продемонстрированы возможности новой модели ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое, разработанной CFX совместно с General Electric. Данная модель (рис. 1) вызвала большой интерес у специалистов, занимающихся задачами моделирования турбомашин и внешней аэродинамики.

Доклад ведущего инженера по турбомашинам компании ANSYS Germany GmbH Торстена Хансена «Улучшенные технологии решения задач аэродинамики турбомашин» был посвящен обзору моделей, применяемых для решения задач аэродинамики и теплообмена, а также примерам и рекомендациям по использованию программного обеспечения для моделирования различного типа турбомашин (рис. 2) и оценке точности расчетов. Г-н Хансен отметил, что новые возможности программных комплексов CFX-5.7.1, CFX-Mesh 9.0, CFX-TurboGrid 2.2.1 и ICEM CFD 5.1 поднимают их на качественно новый уровень.

CFX-5.7.1

Основные нововведения в данной версии связаны с полной интеграцией всех модулей CFX, отвечающих за создание расчетной сетки, задание параметров задачи, решение и обработку результатов, в единую среду ANSYS Workbench (рис. 3). Для этого в интерфейсе ANSYS Workbench имеется модуль Advanced CFD.

Концепция среды ANSYS Workbench подразумевает сквозную параметризацию изделия на всех этапах анализа и ассоциативную связь между различными модулями (рис. 4). В модуле Geometry путем импорта из CAD-систем или с помощью собственных инструментов моделирования создаются геометрические обводы изделия. Полученная модель передается в модуль генерации сетки CFX-Mesh, в котором задаются критерии создания тетрагональной сетки. После этого полученная сетка передается в CFX-Pre для задания начальных и граничных условий и прочих параметров, необходимых для решения задачи методами вычислительной гидродинамики, реализованными в CFX-5. Если в исходной модели изменяются какие-либо размеры (без нарушения топологии), то производится автоматическое обновление на всех последующих этапах — информация об обновленных геометрических обводах передается в модуль CFX-Mesh, который перестраивает расчетную сетку и отправляет ее в CFX-Pre. Для поддержки этих процедур в графическом интерфейсе всех модулей реализованы соответствующие инструменты.

Все этапы гидродинамического анализа, начиная от создания геометрической модели и заканчивая обработкой результатов, присутствуют и доступны в дереве проекта ANSYS Workbench. Сохранена возможность запуска CFX-5 из CFX-Launcher для работы в традиционном интерфейсе (на различных платформах) как отдельного приложения. Много внимания уделено способам манипуляции объектами в ANSYS Workbench с помощью мыши.

Новая версия содержит ряд исправлений и обновлений, направленных на оптимизацию различных этапов работы CFX. В документацию внесены дополнения: первые три обучающих примера рассмотрены также в новом интерфейсе ANSYS Workbench; добавлен раздел Best Practices Guide, в котором представлены показательные примеры решения различных задач.

Начиная с данной версии все продукты серии CFX поставляются с менеджером лицензий ANSYS License Manager, однако сохраняется поддержка менеджера лицензий CFX.

CFX-Mesh 9.0

Модуль CFX-Mesh предназначен для построения неструктурированной гибридной расчетной сетки из тетраэдров и призм. Для получения структурированной гексагональной сетки необходимо использовать модуль CFX-Advanced Meshing, который базируется на универсальном генераторе сеток ANSYS ICEM CFD 5.1.

Основные нововведения в модуле CFX-Mesh:

• возможность перестраивать сетку при изменении размеров исходной геометрической модели;

• возможность создавать двумерные сетки вращения (с образованием Hexa-элементов в слое инфляции) и вытягивания;

• прямой импорт геометрии из CAD-систем, минуя модуль Geometry;

• визуализация слоя инфляции из призматических элементов;

• возможность построения слоев «инфляции» не до достижения заданной размерности ячейки, а до заданного количества слоев;

• по сравнению с предыдущей версией, где на «погашенный» в дереве геометрический объект распространялись глобальные параметры создания сетки, в текущей версии на объект, «погашенный» в дереве, не распространяются глобальные параметры, что позволяет гибко конфигурировать критерии построения расчетной сетки, то есть назначать различным объектам в модели различные параметры разбиения (рис. 5);

• CFX-Mesh имеет возможность генерировать сетку в параллельном режиме на многопроцессорном компьютере;

• задание и выбор управляющей точки при задании оси вращения для периодических пар расширен за счет введения возможности задания точки в вершинах ячеек или явного задания координат;

• появилась возможность сбрасывать все параметры проекта CFX-Mesh по заданию сетки с сохранением загруженной геометрической модели;

• оптимизирована работа с мышью в целях минимизации кликов на разных этапах работы.

CFX-TurboGrid 2.2.1

Специализированный генератор сеток CFX-TurboGrid предназначен для автоматизированного процесса создания структурированных расчетных сеток для венцов турбомашин. Пакет умеет работать со всеми основными типами лопаточных устройств: осевыми, центробежными, с концевым зазором, с тупой передней и задней кромками, винтами и пр.

Данное обновление является дальнейшим развитием CFX-TurboGrid 2. Доработки направлены на дальнейшее повышение уровня удобства использования и гибкости в применимости пакета, на повышение качества сетки и расширение спектра промышленного применения.

Расширение спектра промышленного применения:

• добавлена поддержка для лопаточных венцов, имеющих подрезанные переднюю и заднюю кромки лопатки (рис. 6). После загрузки обводов лопатки можно указать кривые, которые окаймляют фронтальную и тыловую поверхности на кромках лопатки.

Улучшение качества сетки:

• добавлена возможность создавать сетки с HJ-топологией (H-топология для передней кромки, J-топология для задней кромки) и предустановленной JH-топологией вместе или без O-grid. При выборе автоматического режима создания топологии алгоритм самостоятельно определяет, какой тип топологии (H- или J-) оптимален для передней и задней кромок;

• во все шаблоны топологий добавлена поддержка лопаток с подрезанными кромками. Имеется независимое количество узлов на передней и задней кромках;

• добавлен слой отображения основной топологии. Возможно редактировать расположение всех управляющих вершин топологии;

• альтернативный метод для меридионального распределения сетки, актуальный для каналов с большой кривизной.

Удобство использования:

• автоматическое внесение и расположение дополнительных точек нагнетания и истечения;

• автоматическая генерация сетки при загрузке рабочего файла TurboGrid;

• автоматическое предупреждение о количестве узлов с метрикой качества сетки, что лежит вне рекомендуемого диапазона качества сетки. В метрику добавлено процентное количество ячеек, лежащих вне диапазона рекомендуемого значения качества сетки;

• отображение основной топологии;

• подсветка выбранных управляющих точек;

• возможность перетаскивать нажатием в окне проекции «лопатка к лопатке»;

• отображение оси вращения;

• поддержка перезагрузки кривых ступицы, обечайки и профиля лопатки;

• поддержка трансформации (перемещение и вращение) кривых ступицы, обечайки и профиля лопатки;

• поддержка чтения файла CFX-Turbogrid 1.6 с расширением *.cfg;

• улучшен механизм распределения размера ячеек через различные части сетки;

• автоматическая генерация сетки при загрузке рабочего файла, который был сохранен после этапа генерации сетки;

• поддержка генерации раздельных двух- и трехмерных регионов перед передней и после задней кромок;

• экспорт сетки в формат файла CFX-5 с единой расчетной областью (Domain) и с несколькими объемами.

Производительность:

• лишние геометрические вычисления удалены из этапов генерации топологии и слоев, что в итоге привело к снижению латентности интерфейса.

CFX-ICEM CFD 5.1

Успешное решение численной задачи зависит от качества построенной расчетной сетки. Универсальный генератор расчетной сетки ICEM CFD позволяет строить все типы сеток с применением различных элементов: тетраэдров, гексаэдров, пирамид с четырехугольником в основании, призм. Допускается любое сочетание этих элементов, а также сшивка сеток с различными элементами.

Пакет имеет прямые интерфейсы с различными CAD-системами: CATIA, CADDS5, ICEM Surf/DDN, I-DEAS, SolidWorks, Solid Edge, Pro/ENGINEER и Unigraphics. Также имеется возможность импортировать CAD-модели из нейтральных форматов: STEP/IGES, ACIS, PARASOLID, DXF, STL и пр. Кроме того, в пакет входит постпроцессор, который позволяет обрабатывать результаты не только пакетов вычислительной гидродинамики, но и прочностных пакетов, основанных на методе конечных элементов. Также имеется возможность импорта и экспорта расчетных сеток из различных форматов.

Основной акцент в представленной версии сделан на продолжении перехода на новый графический интерфейс, а также на интеграции пакета в единую рабочую среду ANSYS Workbench (модуль Advanced Meshing). В новой версии исправлены недочеты и добавлены инструменты и опции, которые ранее не были перенесены из версии 4.х.х. Добавлены новые инструменты для расширения функциональных возможностей ICEM CFD.

Поддержка пользователей CFX

В компании «ТЕСИС» функционирует центр технической поддержки программных продуктов CAD/CAM/CAE — команда профессионалов, обладающих высокой научной и технической квалификацией и многолетним опытом работы в области САПР, методов математического моделирования, инженерных расчетов и информационных технологий. Специалисты «ТЕСИС» тестируют все новые возможности программного комплекса CFX и оперативно работают над вопросами пользователей CFX, в том числе в тесном контакте с разработчиками. Пользователи продукции ANSYS/CFX, имеющие техническое сопровождение, могут ознакомиться с данными обновлениями в офисе компании «ТЕСИС».

«САПР и графика» 2'2005