POINT.X (2018-19)
Google překladač: English Deutsch

Exkluzivní partner sekce

Siemens

GOPAS - CAD kurzy

Více kurzů

StreamTech.tv

streamtech tv-logo

Počítačová mechanika tekutin v centru dění

Autor článku: Pavel Kotalík   

Tags: CAE | MECAS ESI | Proudění | Simulace

Mecas-1Softwarová firma ESI Group (www.esi-group.com) patří k předním světovým producentům programů na řešení fyzikálních úloh zajímajících jak vědecké ústavy, tak průmyslové podniky. Výkon současných počítačů a 3D zobrazovací techniky dovoluje dělat simulace a procházet se řešeními v mnohdy nepřístupných výpočetních oblastech, jako jsou válce spalovacích motorů, mikročipy nebo chemické reaktory. Poskytovat takovýto „virtuální zkušební prostor", ba co více, urychlovat inovační cykly nezkoumáním, zda „něco půjde" či ověřovat návrh výpočtem, ale rovnou počítačově vytvořit a vyzkoušet prototyp přenositelný do výroby, patří k základní filozofii společnosti.
Dytron

Programy ESI Group se osvědčují v automobilovém, leteckém a lodním strojírenství, v energetice. Samozřejmě také ve školství a vědě. Snahou je, aby řešiče specializované na dílčí úlohy, například deformace kovových konstrukcí a svařování nebo supersonické proudění a vibrace křídla letadla, dovedly spolupracovat. Je však zřejmé, že i zjednodušené úlohy obvykle zahrnují více dějů, které je nutno vzít v úvahu – viz třeba proudění tekutin s vedením tepla, turbulencí, elektromagnetickými silami, přenosem záření a chemickými reakcemi.

V tomto článku ukážeme, jak lze podobné problémy řešit pomocí CFD-ACE+, vlajkové lodi ESI pro „multifyziku". Šíře záběru tohoto programu, dodávaného ve 32- a 64bitové verzi pro Linux i Windows, je znázorněna kruhovým diagramem na obrázku.

Základní výbava

Základní výbavou modeláře je generátor sítí CFD-GEOM, řešič CFD-ACE+ a CFD-VIEW na zobrazování výsledků. Všechny tři programy mají svá grafická rozhraní. Rozhraní CFD-ACE-GUI umožňuje spustit jak ACE+, tak GEOM a VIEW. Především ale slouží k zadávání samotné fyzikální úlohy, okrajových a počátečních podmínek, k nastavení vstupních a výstupních parametrů řešiče, k jejich měnění v průběhu výpočtu, k zastavení či restartu běhu, monitorování hodnot hledaných veličin a ke sledování reziduí řešených rovnic.

Volba fyzikálního modelu

Fyzikální model se volí výběrem z osmnácti modulů, k nimž patří Flow, Heat Transfer, Turbulence, Chemistry/Mixing, User Scalar, Radiation, Spray, Macro Particle, Free Surfaces, Two-Fluid, Cavitation, Stress, Grid Deformation, Plasma, Electric, Magnetic, Kinetic, Semi Device. Jejich teorie je popsána v dokumentaci. Moduly jsou až na výjimky navzájem slučitelné a paralelizované.

Prostorová diskretizace v ACE+ je založena na metodě konečných objemů, modul Stress však pracuje s konečnými prvky. Úlohy mohou být 2D a 3D, stacionární i nestacionární. Eulerovo a Crank-Nicolsonovo schéma je použito pro časovou diskretizaci. Iterační algoritmus řešení obecně nelineárních svázaných rovnic je sekvenční, přičemž osvědčený SIMPLE je použit pro Navier-Stokesovy rovnice. Postupně je přidáván PISO. Ke zrychlení nestacionárních výpočtů je nově volitelná fast time stepping metoda.

Mecas2
Poznamenejme, že pro supersonická proudění je vhodnější řešič FASTRAN, který může počítat a sdílet data s ACE+. Oba řešiče ovládají chimera grid techniku překrývajících se sítí. Pracují též se 3D sítěmi generovanými CFD-GEOM část po části tak, že na styčných plochách nemusí vrcholy jedné sítě souhlasit s vrcholy sítě druhé. Geometrii lze do CFD-GEOM importovat v běžných CAD formátech.

Názvy modulů napovídají, k čemu ten který slouží. Moduly Electric, Magnetic, Plasma budou jistě zajímat ty, kteří se zabývají magnetohydrodynamikou, jevy při povrchu elektrod, RF ohřevem plazmatu, výboji v plynech plazmových obrazovek. Kinetic a Semi Device se uplatní při studiu polovodičů nebo nerovnovážných dvouteplotních ionizovaných plynů o tlaku několika militorrů. Proudění vody v turbínách s pohybujícími se lopatkami, na nichž dochází ke kavitaci, vystihne modul Flow doplněný modulem Cavitation. Lagrangeovský popis práškových částic unášených termálním plazmatem při nanášení ochranných povlaků zařídí modul Spray. Let, rotaci a srážky předmětů různých tvarů ve víru tornáda lze modelovat zapnutím modulu Macro Particle.

Modul Turbulence nabízí dvanáct modelů, například k-epsilon, SST-k-omega, Spalart-Allmaras, v2-f, DES, LES. S i bez stěnových funkcí, dvouvrstvý model. Dva další „modely" uživatel definuje zadáním konstantní nebo nekonstantní turbulentní viskozity.

Aplikace dle odvětví

Aplikace roztříděné podle odvětví jsou na internetovém portálu www.esi-cfd.com. Jako ukázku možností ACE+ a VIEW uvádíme obrázek ze simulace plazmového reaktoru s indukčním ohřevem.

Optimalizační úlohy a parametrické studie lze s ACE+ dělat pomocí přídavného SimManageru. Ke správě databáze chemických prvků, sloučenin a reakcí slouží přehledný vestavěný manažer. Samozřejmostí je použitelnost Pythonu v GEOM, VIEW i ACE+, jehož skripty lze jednoduše editovat a přehrávat v příslušných grafických rozhraních. Úspora času a zrychlení práce jsou značné.

ACE+ vyniká více než stovkou uživatelských podprogramů (user subroutines) psaných ve Fortranu 90, díky nimž lze přistupovat k objektům sítě, zadávat okrajové podmínky, stavové rovnice, transportní parametry závislé na tlaku a teplotě, měnit časový krok předepsaným způsobem a mnohé další. Výčet je sáhodlouhý. Práci se subroutinami rychle zvládne i začátečník. Využít může vzory z portálu, anebo se kdykoli obrátit na české zastoupení ESI v Plzni (http://www.esi-group.com/cz). Pro tvorbu vlastních dynamických knihoven je výhodný Fortran překladač firmy Intel, s níž ESI Group úspěšně spolupracuje.

ACE+ s navazujícími programy GEOM a VIEW tak tvoří účinný a ohebný nástroj k modelování fyzikálních dějů důležitých pro nejrůznější oblasti lidské činnosti.

Autor pracuje ve společnosti MECAS ESI.


Mohlo by vás zajímat:
 

Přidat komentář

Bezpečnostní kód
Obnovit