Počítačová mechanika tekutin v centru dění

Tags: CAE | MECAS ESI | Proudění | Simulace

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.

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.