Введение
На современном этапе научных исследований вычислительный эксперимент является одним из важных направлений при изучении задач аэродинамики, тепломассообмена и горения. Информация, полученная с помощью численных расчетов, позволяет не только правильно осмыслить и понять физические эффекты, наблюдаемые, например, на экспериментальных установках, но и в некоторых случаях заменить физический или натуральный эксперимент компьютерным как более дешевым. Иногда компьютерный эксперимент является единственно возможным. Учитывая дальнейший прогресс в области развития вычислительной техники, можно ожидать, что в ближайшем будущем возрастет роль компьютерного моделирования как в создании новых образцов промышленности, так и в исследовании процессов и явлений, происходящих в окружающем нас мире.
Разработкой методов расчета и особенно созданием программ и пакетов прикладных программ для решения научно-технических задач занято большое число исследователей. Ввиду разнообразия задач при создании программ даже по одному алгоритму или численному методу неизбежен параллелизм в работе, когда различные исследователи при создании программ вынуждены проделывать всю работу от начала до конца. Простой анализ показывает, что у различных созданных программ имеются общие части, которые целесообразно однократно запрограммировать и в дальнейшем многократно использовать. С другой стороны, расширение класса задач требует создания большого числа программ одноразового (несерийного) использования. Это обусловливает неоправданные затраты ресурсов (умственных, компьютерных) на создание и отладку программ. Кроме того, замедляется и сам процесс исследований. Данные обстоятельства приводят к необходимости перехода на другой путь создания программ, а именно на создание пакетов программ, ориентированных на решение целых классов задач. Сейчас созданы и успешно развиваются пакеты программ для решения отдельных классов задач математической физики.
В настоящее время широкое распространение получили пакеты вычислительной гидродинамики, тепломассообмена, прочности и электродинамики для проведения инженерных расчетов. Среди них можно упомянуть такие, как CFX, Fluent, STAR-CD, LS-DYNA, ANSYS, ABAQUS, FlowVision, MSC/NASTRAN, MSC/MARC, MAGMASOFT, SolidWorks и др.
В данном виртуальном лабораторном практикуме проводится обучение установленному в ТГУ на вычислительном кластере СКИФ Cyberia пакету FLUENT. Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном изменения теплофизических свойств посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью. Он дает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет с хорошей точностью предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие явления на основе гибкого построителя сеток и их адаптации к получаемому решению.
Пакет FLUENT характеризуется следующими возможностями:
В пакете имеются средства автоматической и ручной балансировки нагрузки на параллельно работающих процессах. Помимо вычислительного модуля FLUENT вместе с пакетом поставляются средства подготовки сеток для рассматриваемых задач – GAMBIT и TGrid.
Разработка пакета FLUENT началась в 1980 г., когда проблемы вычислительной гидродинамики (CFD - Computational Fluid Dynamics) интересовали весьма узкий круг специалистов. Инженеры компании Creare, Inc. (США) совместно с группой ученых из Шеффилдского университета (Sheffield University, Великобритания) под руководством д-ра Ферита Бойсана решили создать простой в использовании интерактивный CFD-код для инженерных расчетов. Первый релиз продукта под названием FLUENT вышел в октябре 1983 г. Этот проект оказался столь успешным, что в 1990 году для продолжения его реализации была создана специализированная компания Fluent, Inc. Расширение бизнеса этой компании происходило очень быстрыми темпами, и уже в мае 1996 г. компания приобрела Fluid Dynamics International (США) — разработчика отраслевого программного продукта FIDAP и своего главного конкурента. В 1997 г. компания Fluent дополнила свою линейку продуктов новым пакетом POLYFLOW, ориентированным в первую очередь на потребности химической промышленности (производство изделий из полимеров, пластмасс, резины и т.п.), цветной и черной металлургии. В сентябре 2000 г. компания получила сертификаты ISO 9001 и TickIT.
Широкий спектр физических моделей FLUENT позволяет решать самые разнообразные задачи — от обтекания крыла самолета до горения в коксовых печах, от расчета процессов в барботажных колоннах до производства стекла, от течения жидкости в кровеносных сосудах до изготовления полупроводниковых приборов и т.п. Такие возможности FLUENT, как постоянно развивающиеся модели турбулентности, горения, многофазных течений и течений со свободными границами, а также подвижные (деформируемые) и перестраиваемые сетки, значительно расширяют область его применения. В настоящее время компания предлагает следующий пакет программ для решения задач вычислительной гидродинамики: FLUENT, FIDAP и POLYFLOW — для промышленного использования и FloWizard — для экспресс-анализа гидравлических характеристик проектируемой конструкции. Кроме того, существует специальная версия FLUENT, интегрированная в CAD-систему CATIA V5. Для учебных целей образовательным учреждениям предоставляется программный комплекс FlowLab.
В настоящее время FLUENT – современный, универсальный программный комплекс, предназначенный для решения задач механики жидкостей и газов. Он является лидером рынка коммерческих CFD программ. FLUENT использует неструктурированную сеточную технологию. Это значит, что сетка может состоять из элементов разнообразной формы: четырехугольников и треугольников для 2-мерных моделей и гексаэдров, тетраэдров, призм и пирамид для трехмерных моделей. Сложные численные схемы и мощный решатель гарантируют точные результаты FLUENT. Возможность использования матричного алгоритма совместного (coupled) решения основных уравнений повышает устойчивость численного решения, а применение non-iteractive временной схемы значительно уменьшает время решения для переходных процессов.
FLUENT запускается в параллельном режиме на Windows NT, Linux и Unix платформах. При этом могут быть использованы многопроцессорные машины или кластеры. FLUENT написан на языке программирования С, что делает его достаточно гибкой и мощной программой, позволяющей динамически распределять память, использовать эффективную структуру данных и проводить контроль состояния решателя. Также следует отметить, что FLUENT обладает клиент-серверной архитектурой.
Во FLUENT включены ламинарные и турбулентные модели гидродинамики, теплопередачи, фазовых переходов и радиации. Также имеются модели для расчета кавитации, течения сжимаемых сред, теплообмена, теплопроводности, реальных газов и модуль для расчета влажного пара. Возможность использования динамической сетки существенно расширяют область применения FLUENT: потоки в цилиндрах, клапаны и др. Динамические сетки могут рассматриваться совместно с моделями горения, многофазного потока и др.
Моделирование химических реакций, особенно турбулентных потоков, было отличительной особенностью FLUENT, начиная с момента его создания. FLUENT использует самые современные модели для описания химических реакций. База данных содержит свойства множества газообразных, твердых, угольных и жидких топливных материалов. Также доступны модели для предсказания NOx. Модели реакции FLUENT могут использоваться в соединении с LES- и DES-подходами. FLUENT включает множество моделей турбулентности: несколько версий двухпараметрической модели k-epsilon, модель k-omega и модель напряжений Рейнольдса (RSM). Увеличение производительности современных компьютеров вместе с уменьшением их стоимости сделали LES-модель и более экономичную DES-модель применимыми для индустриальных расчетов.
FLUENT — один лучших пакетов в технологии многофазного моделирования. Различные возможности программы позволяют получать самые глубокие сведения о работе создаваемого технического устройства или аппарата. FLUENT включает такие многофазные модели, как VOF (Volume of Fluid), mixture и модель Эйлера. Модели также допускают учет межчастичного взаимодействия в гранулированных потоках. Для некоторых многофазных явлений может использоваться модель дискретной фазы (DPM). VOF-модели используются для расчета течений со свободной поверхностью. Модель кавитации, включенная во FLUENT, позволяет моделировать работу подводных винтов, насосов и топливных инжекторов.
Адаптация расчетной сетки позволяет получить точное решение для областей с большими градиентами потока, например для пограничных слоев. Возможность адаптации позволяет значительно сократить время на построение качественной сетки, решение численной задачи и обработку результатов.
Постпроцессор FLUENT отображает результаты расчета в векторном и контурном видах, а также способен отображать траектории движения частиц. Встроенный модуль создания анимации позволяет обрабатывать результаты нестационарных расчетов.
В пакете FLUENT имеется возможность вводить функции, определенные пользователем (UDF, User Define Function), которые позволяют настроить FLUENT, включить свои модели и разработки.
Процесс генерации сетки является неотъемлемой частью любого инженерного расчета, в котором используются CAE-технологии. От качества сетки напрямую зависят точность, сходимость и скорость решения. И зачастую время, потраченное на построение сетки, является лимитирующим фактором для всего процесса расчета. FLUENT предлагает универсальное решение для создания расчетных сеток любых типов — набор программных продуктов, состоящий из GAMBIT, Tgrid и G/Turbo. Последний является своеобразным аналогом TurboGrid, но значительно уступает ему по функциональным возможностям. Отметим, что в отличие от ANSYS CFX, FLUENT поддерживает некомфорные сетки, сгенерированные в GAMBIT. В дополнение к указанным продуктам Fluent, Inc. предлагает несколько отраслевых программных комплексов: Icepak — для расчета температурного состояния электронной аппаратуры, Airpak — для проектирования инженерных систем зданий (системы вентиляции, отопления и пр.) и MixSim — для проектирования смесителей и мешалок.
Качество получаемых на основе проведения вычислительного эксперимента результатов напрямую зависит от качества построенной расчетной сетки. Предпроцессор GAMBIT позволяет быстро создавать и обрабатывать геометрии исследуемых процессов. GAMBIT имеет единый интерфейс для создания геометрических моделей и построения сетки. Кроме того, в процессе его использования производится запись всех операций построения в текстовый файл (журнал событий), что дает возможность пользователю легко отслеживать путь создания геометрической модели, исправлять ошибки, перестраивать модели и сетки, а также интегрировать результаты в другие программы.
GAMBIT может импортировать геометрию из различных CAD программ в форматах: PARASOLID, ACIS, STEP или IGES и напрямую взаимодействовать с программами CATIA V4 и Pro/E. Часто во время импорта геометрии возникают проблемы нестыковки объектов. GAMBIT имеет встроенный модуль поиска и исправления подобных проблем, что значительно упрощает процесс создания модели.
GAMBIT обладает мощными возможностями для создания двухмерных и трехмерных расчетных областей непосредственно внутри программы, начиная от построения линий и сплайнов, кончая созданием твердотельных объектов. Встроенный специализированный модуль G/Turbo позволяет автоматизировать создание геометрических моделей лопаточных машин.
Различные CFD проблемы требуют построения различных типов сетки. GAMBIT обладает мощным генератором сеток, позволяющим создавать разнообразные типы сеток: структурированную гексаидальную сетку, автоматическую (неструктурированную) гексаидальную и тетраидальную сетки. Кроме того, в нем имеется возможность создания пограничных слоев с комбинированными сетками. После построения сетки пользователь имеет возможность проверить ее качество по разнообразным параметрам (скошенность элементов, соотношение сторон).
В текущую версию пакета FLUENT — FLUENT 6.3 — было внесено более сотни изменений и исправлений, из которых перечислим лишь некоторые. Добавлена новая схема решения, основанная на методе коррекции давления (Pressure-Based Coupled Solver). Она значительно улучшила расчет нестационарных течений, в том числе многофазных реагирующих сред. Теперь FLUENT поддерживает использование полиэдральных сеток, которые более экономно описывают геометрические объекты со сложной топологией, а кроме того, ускоряют процесс сходимости. Что касается высокопроизводительных вычислений, то добавлена поддержка 64-битной версии Windows. Улучшены возможности FLUENT по работе с подвижными объектами, например с поршнями и клапанами ДВС: FLUENT автоматически перестраивает сетку, отслеживая изменение положения поршня. Помимо этого FLUENT может работать со множественными скользящими областями. Внесены изменения в модели образования вредных веществ. Это касается расчетов эмиссии SOx и NOx. Еще одно существенное улучшение связано с моделированием капиллярных течений. Теперь пользователь может самостоятельно с помощью UDF (пользовательские функции) задавать значение краевого угла. Таким образом, FLUENT 6.3 сделал еще один уверенный шаг навстречу своим потенциальным пользователям.
Предлагаемый электронный образовательный ресурс предназначен для подготовки специалистов и магистров по направлениям «Математика и компьютерные науки», «Механика и математическое моделирование», «Техническая физика», «Прикладная механика». Виртуальный лабораторный практикум предлагается студентам старших курсов ММФ и ФТФ, изучившим дисциплины «Механика сплошных сред», «Методы вычислений», «Современные методы решения больших задач на суперкомпьютерах». Практикум опирается на использование приобретенного ТГУ в рамках инновационной образовательной программы лицензионного пакета прикладных программ (ППП) FLUENT, предназначенного для решения широкого круга задач механики жидкости и газа, тепло- и массопереноса в областях сложной геометрии. ППП FLUENT снабжен понятным пользовательским интерфейсом, позволяющим относительно легко строить сложные неструктурные сетки и проводить расчеты на вычислительном кластере. В результате вычислений пользователь получает большое количество информационного материала – графическое представление распределений физических величин, которые по своему усмотрению может использовать при анализе моделируемой ситуации и написании аналитического отчета.
Подготовленное для самостоятельного обучения наполнение комплекса включает восемь лабораторных работ следующего содержания:
Каждая лабораторная работа содержит описательную часть, представляющую порядок действий при решении рассматриваемых проблем, ряд примеров, на которых с использованием анимации демонстрируется работа с пакетом, и набор контрольных вопросов и проверочных заданий для оценки приобретенных знаний.