FLUENT і GAMBIT – програми для вирішення завдань механіки рідини та газу, тепло та масопереносу
 |
 |
 |
 |
На етапі наукових досліджень обчислювальний експеримент одна із важливих напрямів щодо завдань аеродинаміки, тепломасообміну і горіння. Інформація, отримана за допомогою чисельних розрахунків, дозволяє не тільки правильно осмислити та зрозуміти фізичні ефекти, що спостерігаються, наприклад, на експериментальних установках, але й у деяких випадках замінити фізичний чи натуральний експеримент комп’ютерним як дешевшим.
Іноді комп’ютерний експеримент є єдиним можливим. Враховуючи подальший прогрес у галузі розвитку обчислювальної техніки, можна очікувати, що в найближчому майбутньому зросте роль комп’ютерного моделювання як у створенні нових зразків промисловості, так і в дослідженні процесів і явищ, що відбуваються в навколишньому світі.
Розробкою методів розрахунку і особливо створенням програм і пакетів прикладних програм на вирішення науково-технічних завдань зайнято дуже багато дослідників. Зважаючи на різноманітність завдань при створенні програм навіть за одним алгоритмом або чисельним методом неминучий паралелізм у роботі, коли різні дослідники при створенні програм змушені виконувати всю роботу від початку до кінця.
Простий аналіз показує, що різні створені програми мають спільні частини, які доцільно одноразово запрограмувати і надалі багаторазово використовувати. З іншого боку, розширення класу завдань потребує створення великої кількості програм одноразового (несерійного) використання. Це зумовлює невиправдані витрати ресурсів (розумових, комп’ютерних) створення та налагодження програм.
Крім того, сповільнюється і процес досліджень. Дані обставини призводять до необхідності переходу інший шлях створення програм, саме створення пакетів програм, орієнтованих рішення цілих класів завдань. Наразі створено та успішно розвиваються пакети програм для вирішення окремих класів завдань математичної фізики.
В даний час широкого поширення набули пакети обчислювальної гідродинаміки, тепломасообміну, міцності та електродинаміки для проведення інженерних розрахунків. Серед них можна згадати такі як CFX, FLUENT, STAR-CD, LS-DYNA, ANSYS, ABAQUS, FlowVision, MSC/NASTRAN, MSC/MARC, MAGMASOFT, SolidWorks та ін.
Пакет FLUENT характеризується такими можливостями:
• моделювання 2D плоских, 2D осесиметричних, 2D осесиметричних закручених та 3D потоків;
• використання неструктурованих сіток;
• моделювання встановлених чи нестаціонарних течій;
• моделювання всіх швидкісних режимів;
• моделювання нев’язких, ламінарних та турбулентних потоків;
• моделювання течій ньютонівських та неньютонівських рідин;
• широкий набір моделей турбулентності;
• моделювання теплоперенесення, включаючи різні види конвекції, поєднаний теплообмін та випромінювання;
• використання моделей горіння перемішаних та неперемішаних хімічних компонентів, моделей поверхневого осадження та гетерогенних реакцій;
• використання моделей потоків з вільною поверхнею та багатофазних течій, включаючи теплоперенесення та хімічні реакції;
• обчислення траєкторій частинок у лагранжовому підході опису дисперсних потоків, включаючи моделі розвитку тонких плівок та утворення аерозолів;
• використання моделей фазових переходів для додатків, що розглядають плавлення/затвердіння, ефекти кавітації та утворення вологої пари;
• моделювання пористих середовищ з анізотропною проникністю, опором, теплопровідністю та можливістю обчислення швидкостей у порах;
• використання спеціальних моделей для вентиляторів, радіаторів та теплообмінників;
• використання динамічних сіток для моделювання потоків навколо об’єктів, що рухаються;
• використання стаціонарних, обертових та прискорюваних систем відліку;
• широкий набір засобів моделювання аероакустики;
• можливість включення до моделі об’ємних джерел маси, імпульсу, тепла та хімічних реакцій;
• можливість індивідуального підстроювання чисельної моделі через функції, що визначаються користувачем.
У пакеті є засоби автоматичного та ручного балансування навантаження на паралельно працюючих процесах. Крім обчислювального модуля FLUENT разом із пакетом поставляються засоби підготовки сіток для розглянутих завдань – GAMBIT і TGrid.
Розробка пакету FLUENT почалася 1980 р., коли проблеми обчислювальної гідродинаміки (CFD – Computational Fluid Dynamics) цікавили дуже вузьке коло фахівців. Інженери компанії Creare, Inc. (США) спільно з групою вчених із Шеффілдського університету (Sheffield University, Великобританія) під керівництвом д-ра Ферріта Бойсана вирішили створити простий у використанні інтерактивний CFD-код для інженерних розрахунків. Перший реліз продукту під назвою FLUENT вийшов у жовтні 1983 р. Цей проект виявився настільки успішним, що у 1990 році для продовження його реалізації було створено спеціалізовану компанію FLUENT, Inc. Розширення бізнесу цієї компанії відбувалося дуже швидкими темпами, і вже у травні 1996 р. компанія придбала Fluid Dynamics International (США) – розробника галузевого програмного продукту FIDAP та свого головного конкурента. У 1997 р. компанія FLUENT доповнила свою лінійку продуктів новим пакетом POLYFLOW, орієнтованим насамперед на потреби хімічної промисловості (виробництво виробів із полімерів, пластмас, гуми тощо), кольорової та чорної металургії. У вересні 2000 р. компанія отримала сертифікати ISO 9001 та TickIT.
Широкий спектр фізичних моделей FLUENT дозволяє вирішувати найрізноманітніші завдання – від обтікання крила літака до горіння в коксових печах, від розрахунку процесів у барботажних колонах до виробництва скла, від течії рідини в судинах до виготовлення напівпровідникових приладів і т.п. Такі можливості FLUENT, як постійно розвиваються моделі турбулентності, горіння, багатофазних течій і течій з вільними кордонами, а також рухливі (деформовані) і сітки, що перебудовуються, значно розширюють сферу його застосування. В даний час компанія пропонує наступний пакет програм для вирішення задач обчислювальної гідродинаміки: FLUENT, FIDAP і POLYFLOW – для промислового використання та FloWizard – для експрес-аналізу гідравлічних характеристик проектованої конструкції. Крім того, є спеціальна версія FLUENT, інтегрована в CAD-систему CATIA V5. Для навчальних цілей навчальним закладам надається програмний комплекс FlowLab.
В даний час FLUENT – сучасний, універсальний програмний комплекс, призначений для вирішення задач механіки рідин та газів. Він є лідером ринку комерційних програм CFD. FLUENT використовує неструктуровану сіткову технологію. Це означає, що сітка може складатися з елементів різноманітної форми: чотирикутників та трикутників для 2-мірних моделей та гексаедрів, тетраедрів, призм та пірамід для тривимірних моделей. Складні чисельні схеми та потужний вирішувач гарантують точні результати FLUENT. Можливість використання матричного алгоритму спільного (coupled) розв’язання основних рівнянь підвищує стійкість чисельного розв’язання, а застосування non-iteractive тимчасової схеми значно зменшує час розв’язання для перехідних процесів.
FLUENT запускається у паралельному режимі на Windows NT, Linux та Unix платформах. При цьому можуть бути використані багатопроцесорні машини чи кластери. FLUENT написаний мовою програмування, що робить його досить гнучкою і потужною програмою, що дозволяє динамічно розподіляти пам’ять, використовувати ефективну структуру даних і проводити контроль стану вирішувача. Також слід зазначити, що FLUENT має клієнт-серверну архітектуру.
У FLUENT включені ламінарні та турбулентні моделі гідродинаміки, теплопередачі, фазових переходів та радіації. Також є моделі для розрахунку кавітації, течії середовищ, теплообміну, теплопровідності, реальних газів і модуль для розрахунку вологої пари. Можливість використання динамічної сітки істотно розширюють сферу застосування FLUENT: потоки в циліндрах, клапани та ін. Динамічні сітки можуть розглядатися спільно з моделями горіння, багатофазного потоку та ін.
Моделювання хімічних реакцій, особливо турбулентних потоків, було відмінною особливістю FLUENT, починаючи з його створення. FLUENT використовує найсучасніші моделі для опису хімічних реакцій. База даних містить властивості безлічі газоподібних, твердих, вугільних та рідких паливних матеріалів. Також є моделі для передбачення NOx. Моделі реакції FLUENT можуть використовуватися у поєднанні з LES– та DES-підходами. FLUENT включає безліч моделей турбулентності: кілька версій двопараметричної моделі k-epsilon, модель k-omega та модель напруги Рейнольдса (RSM). Збільшення продуктивності сучасних комп’ютерів разом із зменшенням їхньої вартості зробили LES-модель та більш економічну DES-модель застосовними для індустріальних розрахунків.
FLUENT – один найкращих пакетів у технології багатофазного моделювання. Різні можливості програми дозволяють отримувати найглибші відомості про роботу технічного пристрою або апарату, що створюється. FLUENT включає такі багатофазні моделі, як VOF (Volume of Fluid), mixture та модель Ейлера. Моделі також допускають облік міжчасткової взаємодії у гранульованих потоках. Для деяких багатофазних явищ можна використовувати модель дискретної фази (DPM). VOF-моделі використовуються для розрахунку течій вільної поверхні. Модель кавітації, включена до FLUENT, дозволяє моделювати роботу підводних гвинтів, насосів та паливних інжекторів.
Адаптація розрахункової сітки дозволяє отримати точне рішення для областей з великими потоками градієнтами, наприклад для прикордонних шарів. Можливість адаптації дозволяє значно скоротити час на побудову якісної сітки, вирішення чисельного завдання та обробку результатів.
Постпроцесор FLUENT відображає результати розрахунку у векторному та контурному видах, а також здатний відображати траєкторії руху частинок. Вбудований модуль створення анімації дозволяє опрацьовувати результати нестаціонарних розрахунків.
У пакеті FLUENT є можливість вводити функції, визначені користувачем (UDF, User Define Function), які дозволяють налаштувати FLUENT, увімкнути свої моделі та розробки.
Процес створення сітки є невід’ємною частиною будь-якого інженерного розрахунку, в якому використовуються CAE-технології. Від якості сітки безпосередньо залежить точність, збіжність і швидкість рішення. І найчастіше час, витрачений на побудову сітки, є фактором, що лімітує, для всього процесу розрахунку.
FLUENT пропонує універсальне рішення для створення розрахункових сіток будь-яких типів – набір програмних продуктів, що складається з GAMBIT, Tgrid та G/Turbo. Останній є своєрідним аналогом TurboGrid, але значно поступається йому за функціональними можливостями. Зазначимо, що на відміну від ANSYS CFX, FLUENT підтримує некомфорні сітки, що згенеровані в GAMBIT.
На додаток до продуктів FLUENT, Inc. пропонує кілька галузевих програмних комплексів: Icepak – для розрахунку температурного стану електронної апаратури, Airpak – для проектування інженерних систем будівель (системи вентиляції, опалення тощо) та MixSim – для проектування змішувачів та мішалок.
Якість одержуваних з урахуванням проведення обчислювального експерименту результатів залежить від якості побудованої розрахункової сітки. Передпроцесор GAMBIT дозволяє швидко створювати та обробляти геометрії досліджуваних процесів. GAMBIT має єдиний інтерфейс для створення геометричних моделей та побудови сітки. Крім того, в процесі його використання здійснюється запис усіх операцій побудови в текстовий файл (журнал подій), що дає можливість користувачеві легко відстежувати шлях створення геометричної моделі, виправляти помилки, перебудовувати моделі та сітки, а також інтегрувати результати до інших програм.
GAMBIT може імпортувати геометрію з різних програм CAD у форматах: PARASOLID, ACIS, STEP або IGES і безпосередньо взаємодіяти з програмами CATIA V4 і Pro/E. Часто під час імпорту геометрії виникають проблеми нестиковки об’єктів. GAMBIT має вбудований модуль пошуку та виправлення подібних проблем, що значно спрощує процес створення моделі.
GAMBIT має потужні можливості для створення двовимірних і тривимірних розрахункових областей безпосередньо всередині програми, починаючи від побудови ліній і сплайнів, закінчуючи створенням твердотільних об’єктів. Вбудований спеціалізований модуль G/Turbo дозволяє автоматизувати створення геометричних моделей лопаткових машин.
Різні CFD проблеми вимагають побудови різних типів сітки. GAMBIT має потужний генератор сіток, що дозволяє створювати різноманітні типи сіток: структуровану гексаідальну сітку, автоматичну (неструктуровану) гексаїдальну та тетраїдальну сітки. Крім того, у ньому є можливість створення прикордонних шарів із комбінованими сітками. Після побудови сітки користувач має можливість перевірити її якість за різноманітними параметрами (скошення елементів, співвідношення сторін).
У поточну версію пакету FLUENT – FLUENT 6.3 – було внесено більше сотні змін та виправлень, з яких перерахуємо лише деякі. Додано нову схему рішення, засновану на методі корекції тиску (Pressure-Based Coupled Solver). Вона значно покращила розрахунок нестаціонарних течій, у тому числі багатофазних середовищ, що реагують.
Тепер FLUENT підтримує використання поліедральних сіток, які більш економно описують геометричні об’єкти зі складною топологією, а також прискорюють процес збіжності. Що стосується високопродуктивних обчислень, то додано підтримку 64-бітної версії Windows. Поліпшено можливості FLUENT по роботі з рухомими об’єктами, наприклад, з поршнями та клапанами ДВС: FLUENT автоматично перебудовує сітку, відстежуючи зміну положення поршня.
Крім цього FLUENT може працювати з множинними ковзними областями. Внесено зміни до моделі утворення шкідливих речовин. Це стосується розрахунків емісії SOx та NOx. Ще одне суттєве покращення пов’язане з моделюванням капілярних течій. Тепер користувач може самостійно за допомогою UDF (користувацькі функції) задавати значення крайового кута. Таким чином, FLUENT 6.3 зробив ще один впевнений крок назустріч своїм потенційним користувачам.
Пропонований електронний освітній ресурс призначений для підготовки фахівців та магістрів за напрямами «Математика та комп’ютерні науки», «Механіка та математичне моделювання», «Технічна фізика», «Прикладна механіка». Віртуальний лабораторний практикум пропонується студентам старших курсів ММФ та ФТФ, які вивчили дисципліни «Механіка суцільних середовищ», «Методи обчислень», «Сучасні методи вирішення великих завдань на суперкомп’ютерах».
Практикум спирається на використання придбаного ТГУ в рамках інноваційної освітньої програми ліцензійного пакета прикладних програм (ППП) FLUENT, призначеного для вирішення широкого кола завдань механіки рідини та газу, тепло- та масопереносу у сферах складної геометрії. ППП FLUENT забезпечений зрозумілим інтерфейсом користувача, що дозволяє відносно легко будувати складні неструктурні сітки і проводити розрахунки на обчислювальному кластері. В результаті обчислень користувач отримує велику кількість інформаційного матеріалу – графічне представлення розподілів фізичних величин, які на свій розсуд може використовувати при аналізі ситуації, що моделюється, і написанні аналітичного звіту.
