Дипломная работа: Разработка методики расчета аэродинамических характеристик с помощью комплекса ANSYS CFX на примере

Ansys CFX основан, на конечно-объемном методе (МКО) решения уравнений гидродинамики таких как, уравнение неразрывности, уравнение сохранения энергии и уравнение количества движения. Основная идея МКО легко поддается прямой физической интерпретации. Расчетную область разбивают на N -е число непересекающихся контрольных объемов таким образом, что каждая узловая точка содержится в одном контрольном объеме. Дифференциальное уравнение интегрируют по каждому контрольному объему. Для вычисления интегралов используют кусочно-непрерывные функции, которые описывают изменение зависимой переменной (например, одной из составляющих скорости) между сеточными узлами. В результате находят дискретный аналог дифференциального уравнения. Дискретные уравнения вычисляются с помощью метода AlgebraicCoupledMultigrid (AMG), разработанного М.Raw и G.Schneider. Данный метод использует неявную связанную схему решения системы линейных алгебраических уравнений. Вычислительные затраты этого метода линейно зависят от числа узловых точек.

Одним из важных свойств МКО является то, что в нем заложено точное интегральное сохранение таких величин, как масса, количество движения и энергия на любой группе контрольных объемов, а следовательно, и на всей расчетной области. Это свойство проявляется при любом числе узловых точек. Таким образом, даже решение на грубой сетке удовлетворяет точным интегральным балансам.

Ansys CFX позволяет проводить расчеты на смешанных сетках, состоящих из различных типов элементов: тетраэдров, призм, клиновидных элементов и гексаэдров.

При расчете стационарных вариантов процесс итерации по времени завершается при достижении уровня сходимости, определенного пользователем. Для расчета переходного режима итерационная процедура обновляет нелинейные коэффициенты на каждом временном шагу (цикл для коэффициентов), в то время как внешний цикл приближается к решению по времени.

1.2.2 Расчетная сетка

Создание оптимальной, в рамках решаемой задачи, расчетной сетки является трудоемким процессом, итог которого напрямую влияет на точность моделирования. При создании сетки CFX позволяет пользователю самому решать, какой инструмент он хочет использовать для этой задачи, и предоставляет широкие возможности по импортированию сетки из различных коммерческих пакетов, рекомендованных CFX к применению. На тот случай, если пользователь использует специализированный генератор сетки, созданный внутри предприятия, имеется возможность импортировать сетку через нейтральный формат.

CFX обладает возможностью работать с тетраэдральной и гексагональной сетками различной степени детализации и адаптации (в том числе с адаптацией призматической сеткой по границе геометрической области).

В CFX предусмотрена динамическая адаптация сетки к решению по различным критериям рис. 1.9. Кроме того, имеется возможность интерполировать результаты расчетов с более грубой сетки на более подробную с целью ускорения сходимости и, следовательно, сокращения времени расчета.

1.2.3 CF X-Pre

Задачей препроцессора является импортирование расчетной сетки, задание типа решаемой проблемы, назначение среды моделирования и расстановка начальных и граничных условий.

Препроцессор поддерживает импортирование более десятка различных форматов расчетной сетки в монолитном виде и в виде сборки. Инструменты CFX-Pre позволяют комбинировать элементы сборки между собой различными методами - сшивать, разбивать, объединять в группы - и назначать им различные свойства, как то: единое граничное условие, либо же, разъединять на несколько расчетных областей, которым, в свою очередь, может быть назначена различная модель взаимодействия.

Одной из отличительных особенностей CFX-Pre является возможность подключать дополнительные зависимости и функции, при описании тех или иных газодинамических переменных и физических величин, используя коды алгоритмического языка Фортран, в том числе и откомпилированные библиотеки. Учитывая, что в отечественной науке имеется огромный и уникальный задел, реализованный именно на этом языке, есть возможность эффективно применить имеющиеся наработки в русле новых технологий.

Все это позволяет гибко и удобно управлять конфигурацией начальных и граничных условий, назначением расчетных областей и подобластей, что делает работу в среде CFX-Pre более эффективной и рациональной.

1.2.4 CFX-Solver

Решатель в CFX обладает рядом особенностей, позволяющих гибко и эффективно организовывать процесс расчета. Прежде всего, следует отметить имеющуюся возможность проведения параллельных вычислений. CFX работает как на многопроцессорных рабочих станциях, так и на кластерах в составе гомогенной сети, где в качестве расчетных узлов выступают, как Unix-подобные системы, так и Windows-системы, независимо от числа процессоров на каждой из них.

Залог эффективности параллельного решателя лежит в концепции синхронности работы расчетных узлов. Первоначально производится оценка производительности каждого из узлов, после чего каждому расчетному узлу выдается тот объем вычислений, который он сможет выполнить за равный промежуток времени со всеми остальными.

Данная технология позволяет пользователю проводить эффективную и гибкую политику в аппаратном обеспечении своего предприятия, когда масштабирование кластера производится, на выбор пользователя, либо наращиванием конфигурации каждой отдельной рабочей станции, либо же увеличением количества расчетных узлов.

В целом, это ведет к уменьшению времени проведения моделирования, что позволит перебрать большее количество вариантов расчетной задачи и приведет к улучшению качества проектно-расчетных работ.

Снижение времени этапа проектирования сегодня крайне актуально в современных условиях - выигрывая по времени разработки изделия, фирма повышает свою конкурентоспособность на рынке.

Решатель позволяет:

· решать уравнения Навье-Стокса в явной и неявной постановке;

· производить расчет сложных многокомпонентных течений и химических реакций в них;

· моделировать фазовые переходы для различных веществ;

· моделировать турбулентные течения с помощью различных моделей турбуленции;

· моделировать задачи со свободной поверхностью;

· использовать различные модели горения и теплообмена;

· моделировать стационарные и нестационарные течения;

· решать задачи с подвижными телами;

· моделировать течения в ступенях турбомашин.

1.2.5 CFX-Post

Основной задачей постпроцессора является визуализация газодинамических переменных и величин на поверхностях геометрической модели и в пространстве расчетной области, рис. 1.10.

Рис. 1.6. Пример визуализации картины течения жидкости.