Новые возможности CAE-системы FlowVision 2002

Андрей Аксенов, Владимир Коньшин

Интегрируемость FlowVision и САПР

Основы технологии FlowVision

Спектр решаемых в FlowVision задач

Применение FlowVision для моделирования турбомашин

Применение FlowVision в судостроении

Воктябре 2002 года вышел новый релиз системы автоматизированного инженерного анализа FlowVision, предназначенной для решения задач аэро- и гидродинамики, возникающих при проектировании и модернизации наукоемких технических изделий (см. «САПР и графика» № 4’2002). Программный комплекс успешно развивается с учетом пожеланий и требований заказчиков. Данная статья посвящена возможностям новой версии FlowVision 2002.

Программный комплекс FlowVision предназначен для использования инженерами-проектировщиками и конструкторами как для экспресс-анализа и принятия решений по конкретным задачам проектирования, так и для проведения окончательных поверочных расчетов. FlowVision — российская разработка, вобравшая в себя многие достижения отечественной школы математики.

В комплексе FlowVision, основанном на высокоточной расчетной схеме, реализована автоматическая генерация адаптивной расчетной сетки. FlowVision полностью русифицирован и может быть доработан под требования конкретного заказчика. Кроме того, FlowVision предназначен для широкого круга пользователей, в том числе и для тех, кто не имеет специальной подготовки.

К достоинствам вычислительного комплекса можно также отнести высококачественный графический пользовательский интерфейс и возможность импорта геометрии в нейтральном формате практически из любой САПР. Следует отметить и относительно низкие финансовые вложения, необходимые для организации автоматизированного рабочего места, которые складываются из стоимости персонального компьютера, программного комплекса, обучения, консалтинговых услуг и технической поддержки.

Зачастую уровень технической поддержки на русском языке является решающим фактором при выборе CAE/CFD-системы отечественными пользователями. Предпочтение отдается программным продуктам, которые имеют хорошее сопровождение со стороны российских инженеров и математиков. Поэтому, кроме разработки программного комплекса, в компании ООО «ТЕСИС» большое внимание уделяется обучению и поддержке пользователей, а также инженерному консалтингу. «Для меня главным преимуществом работы с комплексом FlowVision является непосредственный контакт с разработчиками, которые могут быстро и качественно доработать программу под решение моих задач», — таково мнение лауреата Государственной премии, доктора технических наук, профессора А.П.Тишина (ЦНИИМАШ).

Сегодня программный комплекс FlowVision широко распространен в России. Пользователями FlowVision являются ведущие предприятия различных областей промышленности, разрабатывающие сложную наукоемкую продукцию, а также ряд университетов. В соответствии с приказом Министерства образования № 465 от 13.02.01 в рамках разработки наукоемких технологий образования Главный совет Министерства образования РФ принял решение рекомендовать программный комплекс FlowVision для включения в программу преподавания механики жидкости и газа в вузах России. Разработчиком методического комплекса преподавания механики жидкости и газа на базе FlowVision является Московский физико-технический институт. На данный момент обучение и подготовка специалистов работе с FlowVision проводится в МФТИ, МЭИ, Владимирском государственном университете, Ульяновском государственном университете, Таганрогском государственном радиотехническом университете, Башкирском государственном аграрном университете и ряде других. Компания ООО «ТЕСИС» регулярно помогает преподавателям вузов в подготовке курсов по изучению аэро- и гидродинамики с применением программного комплекса FlowVision.

Интегрируемость FlowVision и САПР

При разработке новой техники с помощью традиционных методов проектирования основными составляющими затрат цикла «проектирование — сертификация» являются экспериментальная доводка с устранением дефектов проекта и оптимизация конструкции. Объем затрат на проведение экспериментальной доводки может доходить до 75%. Сокращения затрат на эту операцию можно достигнуть за счет интенсивного использования систем инженерного анализа. Подобные системы могут применяться как на этапах проектирования и оптимизации отдельных элементов изделия, так и на этапах проведения «вычислительного эксперимента» с разработанным изделием. В идеале «вычислительный эксперимент» призван сократить количество натурных экспериментов до одного, а в некоторых случаях и полностью заменить их.

Основа непрерывной цепочки проектирования — интегрируемость систем инженерного анализа с САПР. Трехмерные твердотельные модели, созданные в САПР, импортируются в систему инженерного анализа FlowVision и используются для построения объемной расчетной сетки. Геометрия расчетной области импортируется во FlowVision в виде поверхностной треугольной сетки. При импортировании FlowVision поддерживает как широко распространенные форматы IGES, STL (Stereo Lithography), VRML (Virtual Reality Model Language) и Parasolid, так и специальные форматы NASTRAN, DEFORM, ABAQUS, и некоторые другие, используемые программами конечно-элементного анализа.

Возможность импорта форматов IGES и STL позволяет FlowVision взаимодействовать практически с любыми САПР, включая такие известные, как SolidWorks, Unigraphics, Pro/ENGINEER, CATIA, T-FLEX, КОМПАС, а также препроцессоры FEMAP и PATRAN.

Основы технологии FlowVision

Ключевым моментом в проектировании новых изделий на предприятиях является оперативность получения результатов инженерного анализа. Точность расчетов при помощи систем инженерного анализа зависит от качества расчетной сетки. В большинстве зарубежных пакетов генерация расчетной сетки для сложных объектов занимает 2-3 месяца у подготовленного специалиста. Поэтому возможность автоматической генерации качественной расчетной сетки может иметь решающее значение.

Комплекс FlowVision базируется на автоматической генерации расчетных сеток. При этом пользователь FlowVision не тратит свое время на трудоемкий процесс генерации сеток, а может сосредоточиться на корректной постановке задачи и на предметном анализе полученных результатов. Система FlowVision позволяет автоматически генерировать адаптивную локально измельченную сетку с подсеточным разрешением, как это представлено на рис. 1, используя различные критерии адаптации, например:

• по граничным условиям;
• по степени кривизны границы;
• по величине или градиенту расчетных переменных.

Программный комплекс FlowVision решает задачи динамики жидкости и газа в трехмерной постановке на основе уравнений Навье-Стокса, включающих законы сохранения массы, импульса и уравнения состояния. Для расчета сложных движений жидкости и газа, сопровождаемых дополнительными физическими явлениями, такими как турбулентность, горение, контактные границы раздела сред и т.д., в FlowVision включаются дополнительные уравнения, описывающие эти явления.

Для аппроксимации уравнений математической модели FlowVision использует конечно-объемный подход. Уравнения Навье-Стокса решаются методом расщепления по физическим процессам (проекционный метод MAC).

Анализ результатов расчета осуществляется с помощью постпроцессора FlowVision и может производиться как в процессе расчета, так и после его окончания. Постпроцессор предоставляет пользователю большой выбор методов визуализации скалярных и векторных переменных на различных геометрических объектах, а также позволяет проводить обработку результатов расчета. На рис. 2 приведен пример визуализации расчетных данных обтекания самолета.

Спектр решаемых в FlowVision задач

Комплекс FlowVision эффективно используется для решения следующих промышленных задач:

• внешняя аэрогидродинамика: обтекание автомобиля, судна, самолета, ракеты, зданий и сооружений (определение коэффициентов сопротивления и подъемной силы, распределенная нагрузка, тепло- и массоперенос);
• внутренняя аэрогидродинамика: течение воздуха в салоне автомобиля и в подкапотном пространстве, вентиляция внутренних отсеков, движение газов и жидкостей по магистралям и трубопроводам;
• моделирование турбомашин: течение в турбинах, компрессорах, насосах, учет влияния гребных винтов на обтекание судна;
• моделирование процессов горения: сжигание метана в котлах ТЭЦ, образование оксидов азота;
• моделирование технологических процессов: моделирование теплопереноса в микроэлектронных схемах, расчет расходных и напорных характеристик эжекторного насоса, водозапорных устройств, расчет смесителей и газовых миксеров, совместный теплоперенос между жидкостью и твердыми телами;
• моделирование процессов изготовления деталей: литье металлов, расчет процессов затвердевания и кристаллизации;
• экология и управление микроклиматом: распространение загрязнений и примесей в атмосфере и водной среде, отопление, вентиляция и кондиционирование.

Возможности FlowVision постоянно расширяются, при этом список приложений пополняется. Основными «движителями» этого процесса являются пользователи FlowVision, список которых можно найти на нашем сайте http://www.flowvision.ru/.

В «САПР и графика» № 4’2002 мы рассказывали о применении FlowVision в аэрокосмической, энергетической и автомобильной промышленности. А сегодня мы рассмотрим особенности FlowVision, которые позволяют успешно использовать его при моделировании турбомашин и в судостроении.

Применение FlowVision для моделирования турбомашин

В программном комплексе FlowVision реализована технология «скользящих сеток», которая позволяет проводить расчеты взаимодействия типа «ротор-статор». В этом случае «ротор» считается во вращающейся системе координат, а «статор» — в неподвижной. На границе стыковки областей расчета ротора и статора реализуется технология «скользящих сеток». Такой подход позволяет решать широкий спектр проблем по моделированию лопаточных машин с различным рабочим веществом — газ, пар и вода. Наш опыт расчетов включает задачи моделирования совершенно разнородных задач и объектов:

• водяные турбины;
• водяные счетчики;
• центробежные компрессоры, насосы;
• аксиальные компрессоры и турбины;
• внешнее охлаждение лопаток турбины;
• внутреннее охлаждение лопаток;
• воздушные ветряки;
• газонокосилки.

В качестве примера приведем нестационарный расчет улитки и центробежного насоса, вращающегося с фиксированной скоростью. На рис. 3 и 4 представлены общий вид и мгновенное распределение давления в плоском сечении.

Применение FlowVision в судостроении

Программный комплекс FlowVision используется для проектирования сухогрузов, судов на подводных крыльях и гидросамолетов. При этом моделируется гидродинамическое течение с учетом осадки корабля, волнения на поверхности воды и работы гребного винта. В качестве отдельной задачи решается проблема оптимизации формы гребного винта.

Пользователи имеют возможность получать многие характеристики судов с высокой точностью — коэффициент сопротивления корабля, распределение скоростей вблизи корабля и гребного винта, ближний и дальний след, распределение турбулентной энергии и т.д. На рис. 5 представлены результаты расчета обтекания корабля.

Сегодня можно с уверенностью сказать, что программный комплекс FlowVision заслуженно становится широко распространенным инструментом конструктора и проектировщика на многих российских предприятиях. Новая версия FlowVision 2002 существенно расширяет возможности решения задач вычислительной аэро- и гидродинамики.

«САПР и графика» 11'2002