 |
 |
 |
| Авиация и космос | Энергетика | Турбомашиностроение |
Вычислительная гидрогазодинамика или CFD (Computational Fluid Dynamics) – это удивительно гибкий и точный инструмент широкого спектра применения. Чтобы приносить пользу, любой инструмент должен применяться с пониманием и согласно его назначению. И прежде чем кто-либо станет профессионалом в CFD расчётах, он неминуемо должен пройти тернистый путь новичка.
Для получения максимальной отдачи от инженерного моделирования клиенты ANSYS часто прибегают к высокопроизводительным вычислениям (HPC – high performance computing). Если говорить простыми словами, HPC позволяет использовать параллельно группу из нескольких компьютеров для одновременного (параллельного) решения объемных задач и снижения времени расчета. В отличие от таких распараллеливаемых приложений, как генетика и графический рендеринг, компьютерное моделирование инженерных задач, в частности вычислительной гидрогазодинамики (CFD – Computational Fluid Dynamics), требует существенного обмена информацией между всеми вычислительными ядрами на протяжении всего процесса расчёта. По этой причине к рабочей сети, которая обеспечивает связь между машинами, предъявляются серьезные требования. Облачные вычисления, несомненно, могут предоставить вычислительную производительность в огромных масштабах, но есть один вопрос: смогут ли облачные вычисления предоставить достаточную производительность для HPC?
Я занимаюсь компьютерным моделированием в инженерной сфере на протяжении двадцати лет. Точно не знаю, почему так сложилось, но что есть, то есть. В 1996 году, когда я учился на инженера, значительная часть моей образовательной программы была посвящена изучению основ метода конечных элементов (МКЭ) для расчётов на прочность и вычислительной гидрогазодинамики для расчёта течения жидкости и газа. Мы тратили чрезмерное количество времени на ручной расчет балки под нагрузкой, разбитой на пять конечных элементов. Страшно подумать, сколько деревьев было принесено в жертву моим неряшливым расчетам.
В течение последних полутора лет наша команда создаёт и публикует большое количество обучающих видеороликов по различным продуктам ANSYS: от ANSYS Electronics до ANSYS CFX, от ANSYS Fluent до ANSYS Mechanical и ANSYS SCADE. Мы также делаем обучающие ролики для студентов – тех, кто только начинает осваивать искусство компьютерного моделирования.
Прежде чем отправить вас самостоятельно изучать наш канал, мне хотелось бы в качестве примера рассказать о нескольких наших видеороликах.
Это один из тех периодически возникающих вопросов, которые на первый взгляд кажутся не такими уж простыми, но, если разобраться в принципах взаимодействия ANSYS Mechanical и ANSYS Mechanical APDL, все становится понятным. Этот вопрос был задан службе технической поддержки, и после небольшой переписки мы решили, что было бы неплохо поделиться этой информацией со всеми.
Кажется, что это было почти вчера, но с момента моей предыдущей публикации в блоге прошло вот уже три года. В той публикации я показал, какую роль играет система кондиционирования воздуха в салоне самолёта (ECS - Environment Control System) в обеспечении комфорта пассажиров, а также рассказал об участии компании ANSYS в консорциуме Cabin Air Reformative Environment (CARE).
При подготовке геометрии и построении сетки для расчётов вычислительной гидрогазодинамики (CFD, computational fluid dynamics) пользователи зачастую сталкиваются с необходимостью сложного выбора. С одной стороны, очень важными факторами являются точность и достоверность модели. CFD расчёты позволят снизить объём натурных испытаний только в том случае, если результаты расчётов будут достаточно близко соответствовать реальности. Но высокая точность и достоверность результатов достигается не без усилий. Сложные геометрические модели требовали много часов кропотливой ручной работы по подготовке к построению сетки. Ввиду этого использование приёмов, которые сокращают время ручной работы, является довольно заманчивым. Однако такие инструменты зачастую приводят к снижению точности или достоверности расчётов, причём не существует способа узнать, насколько именно. Например, если элементы в пограничном слое построены не должным образом, результаты по аэродинамическому сопротивлению могут быть сильно ошибочны.
Хотя модуль Mechanical среды ANSYS Workbench и не позволяет получить значение углового перемещения, осредненного по геометрическому элементу, такое измерение можно выполнить, создав одну связанную точку (Remote Point) и задав два блока команд APDL (ANSYS Parametric Design Language). С помощью ANSYS APDL можно измерить угловые перемещения узла модели, соответствующего точке, связанной с интересующими геометрическими элементами.
ANSYS Workbench Mechanical позволяет добавлять команды APDL в дерево построения модели, так что заданные пользователем команды могут выполняться на всех этапах расчёта, инициируемого командой SOLVE в модуле Mechanical и выполняемого по файлу ds.dat: работа с геометрической моделью, задание соединений, собственно проведение расчета и анализ результатов.
Для анализа усталостной прочности необходим точный расчет напряжений в зонах максимальной их концентрации, что для больших и сложных конечноэлементных моделей приводит к большим вычислительным затратам. Обеспечение точности сетки, необходимой для определения местной концентрации напряжений, приводит к тому, что расчет полной модели объекта становится либо невозможным, либо крайне неэффективным. Эта проблема особенно актуальна для нелинейных расчётов, в которых часто требуется большое количество итераций из-за многочисленных контактных взаимодействий.
