• 4.1 Анализ и выбор методов построения сетки



  • страница1/8
    Дата11.07.2018
    Размер1 Mb.
    ТипРешение

    4. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств


      1   2   3   4   5   6   7   8

    4. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств

    Вычислительная гидродинамика (ВГД) – это раздел науки, решающий проблему моделирования тепломассопереноса в различных технических и природных объектах. Основной задачей ВГД является численное решение уравнений Навье-Стокса, описывающих динамику жидкости. Дополнительно учитываются различные физико-химические эффекты: горение, турбулентность или потоки сквозь пористую среду. Эти уравнения составляют математическую модель тепломассопереноса.

    ВГД как прикладная наука сформировалась в середине 20 века. Основным потребителем ее результатов была аэрокосмическая промышленность.

    С развитием высокопроизводительных компьютеров, которые стали доступны по цене большому числу пользователей, в 70-х годах началось бурное развитие коммерческих программ вычислительной гидродинамики. В 80-х и начале 90-х годов эти программы устанавливаются на компьютеры класса "рабочие станции". В конце 90-х годов дешевые персональные компьютеры догнали по мощности рабочие станции, а основная операционная система, которая устанавливается на них – MS Windows – стала превосходить по уровню пользовательского интерфейса графические оболочки операционных систем рабочих станций. В это время появились программы в области ВГД, предназначенные для персональных компьютеров.

    Вычислительная гидродинамика первоначально развивалась для решения задач аэрокосмической промышленности – расчет камер сгорания ракетных двигателей, расчет физико-химических процессов при обтекании головных частей боеголовок и обтекания сверхзвуковых самолетов. В настоящее время область применения ВГД значительно расширена гражданскими приложениями. Приведем ниже краткий список задач, решаемых методами ВГД с использованием коммерческих программ.

    4.1 Анализ и выбор методов построения сетки

    Рассмотрим в каких случаях требуется использование структурированной гексаэдрической сетки.

    Пакет ANSYS имеет множество приложений практически для всех областей современной науки и техники. При этом следует учитывать, что различные физические задачи требуют разных подходов при моделировании и создании расчетной сетки. В рамках данной статьи будут рассмотрены некоторые особенности построения сетки для задач гидро- и газодинамики в одном из лучших в мире инструментов для ее создания — ANSYS ICEM CFD. Данный инструмент отлично подходит для создания сетки для CFD-приложений ANSYS — CFX либо FLUENT, однако следует учитывать, что общую логику построения сетки можно переносить и для других приложений, в том числе не ANSYS’овских.

    Для начала разберемся с логикой создания сетки, заложенной в ANSYS ICEM CFD. В данном ПО предусмотрена возможность создания двух типов сеток: неструктурированной и структурированной блочной условно гексаэдрической. Мы рассматриваем возможность создания именно структурированной блочной гексаэдрической сетки. Методика создания неструктурированной сетки рассматривать не будем. Здесь же лишь упомянем, что в текущей версии ANSYS ICEM CFD существует несколько методов построения объемной и поверхностной неструктурированной сетки. При этом каждый метод имеет несколько алгоритмов построения сетки. Комбинируя различные методы и алгоритмы построения сеток (как поверхностных, так и объемных), пользователь может применять широчайший инструментарий по созданию неструктурированных сеток - от полностью автоматического до ручного создания отдельных элементов. В завершение отметим, что для простой геометрии можно получить неструктурированную сетку, не уступающую по качеству структурированной. Поэтому, говоря о преимуществах структурированной гексаэдрической сетки, мы прежде всего имеем в виду сетку большой размерности, построенную на сложной криволинейной геометрии.


    Рисунок 4.1 - Получение не зависящего от сетки решения для структурированной и неструктурированной сетки: 1 — структурированная гексаэдрическая сетка; 2 — неструктурированная сетка. (где Ф — функция, характеризующая зависимость сходимости решения дифференциальных уравнений от количества элементов сетки N)

    Следует понимать, что для получения не зависящего от сетки решения (расчетные значения не изменяются при дальнейшем измельчении сетки) количество элементов, а следовательно, и точек интегрирования решаемых уравнений для структурированной гексаэдрической сетки будет меньше, чем для неструктурированной (рис. 4.1). То есть на гексаэдрической сетке решение, не зависящее от сетки, будет получено за меньшее время счета CPU. Кроме того, пользователи с ограниченными вычислительными возможностями CPU иногда не могут себе позволить построить сетку с большим количеством элементов. В этом случае переход от неструктурированной сетки к структурированной гексаэдрической позволит снизить количество элементов сетки, оставив при этом неизменным характерный размер элементов.

    Однако следует понимать, что на построение структурированной сетки понадобится большое количество времени пользователя при значительном снижении машинного. Таким образом, становится очевидном, что структурированную сетку следует строить в случаях, когда лимитирующим фактором для получения решения является продолжительность вычислений, зависящая от возможностей CPU, размера оперативной памяти, объема свободного пространства на жестком диске и т.д. Такая ситуация возникает при моделировании работы однотипных устройств с большим количеством элементов сетки, например оптимизация работы устройства, когда проводится ряд расчетов различных модификаций без принципиального изменения топологии геометрии. В этом случае необходимо единожды затратить время на создание сетки, что затем поможет экономить время при каждом последующем расчете.

    Если же необходимо провести разовое моделирование геометрически сложного объекта и при этом нет ограничений по ресурсам CPU, то лучшим решением будет создание неструктурированной сетки.

    Теперь, разобравшись, в каких случаях необходимо пользоваться тем или иным методом построения сетки, рассмотрим рекомендации по подготовке сеточной модели для последующего импорта в решатели ANSYS.



    Для начала выясним, почему структурированная гексаэдрическая сетка в ANSYS ICEM CFD называется блочной. Дело в том, что для создания структурированной сетки исходную геометрию необходимо описать с помощью блоков - прямоугольников для двумерного и параллелепипедов для трехмерного случая. Проиллюстрируем это на рисунке. В качестве примера возьмем геометрию, представленную в учебных примерах для ANSYS ICEM CFD (рис. 4.2а), — так, проще воспроизвести и понять действия, описанные ниже.

    Рисунок 4.2 Исходная геометрия (а) и блочная структура для нее (б)

    Для построения гексаэдрической сетки мысленно представляем исходную геометрию (рис. 4.2а) в виде блоков (рис. 4.2б). Для создания блочной структуры в ANSYS ICEM CFD существует огромный инструментарий, использование которого значительно облегчает создание блочной структуры. Например, в данном случае (см. рис. 4.2б) вначале был создан общий блок BCF’G’, затем исходный блок был разбит тремя линиями на шесть блоков. После этого блоки, отмеченные крестами, были удалены.

    При удалении блоков следует быть внимательным к выбору метода удаления блока — полного удаления или только перемещения блока в VORFN — семейство блоков, для которых не происходит построение сетки. Дело в том, что вокруг создаваемых блоков всегда существуют дополнительные блоки, необходимые для взаимосвязи между ними. Эти дополнительные блоки можно увидеть, сделав видимым семейство VORFN.



    При перемещении ненужных блоков в семейство VORFN изменения структуры блоков не происходит (рис. 4.3а). При полном удалении блоков происходит кардинальное изменение семейства VORFN (рис. 4.3б), а следовательно, изменение взаимосвязей между блоками. Часть блоков семейства VORFN преобразуется в «О-блоки» (создании и применение «О-блоков» рассматривать не будем).

    Рисунок 4.3 - Вид блочной структуры семейства VORFN (блоки, выделенные черным цветом) в зависимости от метода удаления блоков: a — перемещение в семейство VORFN; б — полное удаление блоков

      1   2   3   4   5   6   7   8

    Коьрта
    Контакты

        Главная страница


    4. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств