Новые возможности ANSYS CFX и ICEM CFD версии 11.0

Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

В начале этого года вышла новая версия программного комплекса ANSYS, в со­став которого входят, в том числе, гид­рогазодинамический пакет ANSYS CFX и сеточный генератор ICEM CFD. В текущей версии появилось много новых возмож­ностей, наиболее существенные из кото­рых мы и рассмотрим в данной статье.

Новое в ICEM CFD 11.0

Рис. 1. Метод Best Fit Cartesian

Основное улучшение связано с появлением дополнительных методов построения сетки (рис. 1-3). Метод Best Fit Cartesian представляет собой измененный тип декартового метода, ко­торый входил в 10-ю версию. В текущей версии с помощью Best Fit Cartesian можно создавать сетки, адекватно описывающие поверхностную геометрическую информацию. Более устойчи­выми стали и другие методы получения смешан­ных гексаэдрических сеток.

Рис. 2. Метод Hex-Сore с призматическим слоем

Одним из самых ожидаемых методов яв­ляется Multi-Zone Meshing, сочетающий в себе традиционный подход к созданию структуриро­ванной гексаэдрической сетки с автоматичес­ким Tetra-методом. Последовательность рабо­ты здесь следующая: пользователь производит операцию построения топологии на геометрии, затем в автоматическом режиме строит повер­хностную блочную структуру: Initialize Blocks -> 2D Surface Blocking. Далее поверхностные бло­ки с помощью команды 2D to 3D с опцией Fill преобразуются в объемные. Кроме того, если это необходимо, указываются компоненты, вок­руг которых будет создана «О»-сетка. Остальной объем автоматически заполняется тетраэдрами. Полученная структура обладает очень важным свойством параметризации: в любой момент можно изменить параметры гексаэдрической сетки вокруг объекта и перегенерировать ее. Этот метод очень удобен для задач внешней аэ­родинамики.

Рис. 3. Метод Multi-Zone Meshing

Рис. 4. Адаптация гексаэдрической сетки «3 в 1»

Для некоторых случаев адаптации гексаэдрической блочной структуры возможно при­менение структуры, которая показана на рис. 4. В данном случае происходит соединение блоч­ной сетки с разницей размеров в три раза.

Новое в ANSYS CFX 11.0

Изменения в новой версии коснулись прежде всего интерфейса пре- и постпроцессора. Кро­ме того, были улучшены показатели быстро­действия работы как отдельных модулей, так и расчетов в параллельном режиме.

Рис. 5. Панель Define Run с закладкой MuliField

Все основные окна в рабочем проекте не претерпели никаких изменений, дерево мо­дели теперь имеет полностью древовидную структуру, без закладок. Для решения связанных задач появилась отдельная опция в меню Simulation type, позволяющая присоединять входной файл ANSYS непосредственно в CFX. Это возможно как для стационарных, так и для нестационарных задач. При запуске подобной задачи в меню решателя появится отдельная закладка MultiField для настройки параметров решения (рис. 5).

Начиная с 10-й версии ANSYS CFX полностью интегрирован в среду Workbench. В текущей версии добавилась возможность проводить DOE-оптимизацию моделей ANSYS CFX с использованием встроенного модуля Design Explorer (рис. 6). Для этого в препроцессоре необходимо определить в качестве входных один или несколько параметров, а в постпроцессоре указа

Рис. 6. Задание параметра в ANSYS CFX
для оптимизации

ть выходные переменные. После этого проводится стандартная DOE-оптимизация или анализ чувствительности в модуле Design Explorer.

Традиционно в ANSYS CFX применяется метод конечных объемов и сопряженный ал­гебраический многосеточный решатель AMG. Конечные объемы содержат дополнительные точки интегрирования, что позволяет добивать­ся большей устойчивости решения и лучшей сходимости (рис. 7). Даже при использовании тетраэдрической сетки решатель обеспечива­ет устойчивую сходимость. Тетраэдр содержит 60, а гексаэдр — восемь точек интегрирова­ния. Дискретизационные объемы образуют так называемую полиэдрическую сетку, которая применяется решателем CFX с момента его создания (рис. 8).

Рис. 7. Точки интегрирования

Рис. 8. Внешний вид полиэдрической сетки

Рис. 9. Неравновесная конденсация пара в сверхзвуковом сопле

Многочисленные физические модели дополнились в 11-й версии новой моделью турбулентности SAS (Scale Adaptive Simulation), относящейся к классу вихревых. Основное отличие от DES-модели — меньшие требования к разрешению сетки, что позволяет во многих случаях сократить размерность модели. Существенно расширился набор моделей взаимодействия основного потока и частиц, в том числе с полидисперсными средами.

Модели многофазных сред также дополнились новыми возможностями. Для расчета сво­бодных поверхностей появилась новая схема CVF (Coupled Volume Fraction), что позволило существенно уменьшить градиенты концент­раций в месте раздела фаз. Добавился новый тип осреднения сил по поверхности объекта — Volume-weight.

В многофазных расчетах стал возможен расчет как равновесного, так и неравновес­ного фазового перехода, в том числе для за- критических параметров среды и полидиспе­сных фаз (рис. 9). Для моделирования пара могут использоваться как ранее применявши­еся RGP-таблицы, так и стандарт IAPWS-IF97. Поддерживается переохлажденное и перегре­тое состояние пара. Моделирование фазовых переходов включает модели образования, укрупнения и дробления частиц в полидисперс­ных смесях.

Рис. 10. Примеры задания различных опций Mesh Stiffness

Модели лучистого теплообмена существенно оптимизированы, в результате чего скорость работы отдельных моделей возросла в 10 раз.

При расчете связанных задач крайне важно при больших деформациях сетки обеспечить нормальное качество элементов. Специально для этого был улучшен механизм задания так называемой жесткости сетки, или Mesh Stiffness (рис. 10). В зависимости от выбранной опции предел появления нерасчетных элементов отодвигается.
Кроме того, была улучшена схема дискретизации 2-го порядка точности для случаев с деформируемой сеткой.

Новые возможности также появились в традиционной области применения ANSYS CFX — турбомашиностроении. В препроцессор была включена опция, автоматически определяющая интерфейсы между областями расчета, — теперь пользователю остается лишь выбрать нужный тип. Также уменьшился размер памяти, используемый решателем для интерфейса, что привело к ускорению расчета в случае много-ступенчатых лопаточных машин.

Рис. 11. Постпроцессор ANSYS CFX

Теперь постпроцессор ANSYS CFX 11.0 может импортировать не только стандартные файлы CFX (*.cfx, *.def, *.res, *.trn, *.bak), но и файлы результатов Fluent, файлы ANSYS (*.rst, *.rth). Все расчетные величины могут быть визуализированы без ограничений (рис. 11). В связанных расчетах ANSYS+CFX на одной модели можно отображать как результаты расчета потоков, так и данные структурного анализа.

Для более удобной обработки результатов предусмотрен мощный генератор отчетов. В отчет могут бы включены все объекты визуализации, а также созданная пользователем таблица с любыми операциями над расчетными величинами. Кроме того, для более удобной классификации результатов расчета в отчет можно включить информацию о расчетной сетке, физическом препроцессинге и временных данных файла.

Отчет может быть импортирован в виде HTML-файла, причем иллюстрации могут быть сохранены в формате *.cvf, позволяющем просматривать 3D-модели при отсутствии CFX.

Для более удобного сравнения вариантов расчета появилась возможность одновременной загрузки в рабочую область несколько файлов (рис. 12). При загрузке указывается смещение одной модели относительно другой.

Рис. 12. Сравнение результатов расчета
в ANSYS CFX

При работе в среде Workbench доступна передача температур и давлений в качестве на­грузок для расчета НДС в модуль Design Simula­tion. Это позволяет проводить так называемую одностороннюю передачу данных 1-way FSI не­посредственно в среде Workbench (рис. 13 и 14). Для задания двусторонней передачи данных не­обходимо определить поверхности и задать для них интерфейс Fluid-Solid Interface, который в дальнейшем будет определен как место переда­чи геометрической и физической информации. Остальная часть настроек делается при созда­нии файла в препроцессоре CFX. Указывается тип передаваемой информации (температура, давление) и место передачи (имя интерфейса). Также необходимо указать значения временных шагов для передачи информации.

При решении масштабных задач в парал­лельном режиме большую роль играет как эф­фективность разбиения задачи на части, так и действенность самого решателя. Специально для подобных задач был усовершенствован ме­тод разбиения, позволяющий уменьшить коли­чество перекрываемых элементов и оптимально распределить модель по расчетным узлам.

В ANSYS CFX 11.0 появилась поддержка операционной системы Windows XP 64. Это сни­мает ограничения адресации памяти для преды­дущей 32-разрядной платформы. Максимальный теоретический размер адресуемой памяти для Windows XP 64 составляет 16 384 байт, что со­ответствует 44-разрядной структуре адресации. Кроме того, традиционно поддерживаются и другие операционные системы: Windows XP Pro; Red Hat Enterprise 3, 4; SuSE Linux 9, 10; HPUX PA-RISC 11.11; Solaris 9 UltraSPARC; HPUX IA64; IBM AIX 5.3.

Рис. 13. Расчет температурных полей в ANSYS CFX

Рис. 14. Расчет термопрочностной задачи

В модули, предназначенные для профи­лирования и генерации сетки в турбомашинах, тоже внесены дополнения. BladeModeler теперь полностью интегрирован в среду Workbench, что позволяет передавать геометрическую инфор­мацию после профилирования как в TurboGrid, так и в Design Modeler для получения твердо­тельной структурной модели.

Рис. 15. Панель модуля Vista-CCD

Модуль Vista-CCD, позволяющий произ­водить одномерный газодинамический расчет, обеспечивает оптимальный выбор основных профилирующих параметров центробежных компрессоров (рис. 15). Затем на основе этих данных создается геометрия в BladeModeler. Для большего контроля над поверхностью доба­вились опции определения направления вытяж­ки лопатки.

Рис. 16. Выбор между трехгранным типом
и сплошным

В опциях построения периодичных поверх­ностей предусмотрена возможность выбора меж­ду трехгранным и сплошным типом (рис. 16).

В новой версии стало доступно создание зазоров не только на периферии лопаток, но и в корневом сечении. Также добавилась возмож­ность создания сетки для лопаточных машин с подрезанными лопатками, или splitters (рис. 17). Обновились опции по работе с ножевыми и пря­моугольными кромками и по изменению тополо­гии сетки.

Рис. 17. Создание сетки для лопаточных машин
с подрезанными лопатками

В данный момент вся линейка продуктов ANSYS CFX представляет собой полностью связанную структуру для проведения любых типов расчетов гидрогазодинамики — начиная от одномерных расчетов и заканчивая много-ступенчатыми лопаточными машинами и многофазными и многокомпонентными течениями с химическими реакциями. Решение связанных термопрочностных и жидкостно-структурных задач позволяет перейти на качественно новый уровень точности расчета.