Fluent inс. Документация к программному обеспечению. FLUENT, GAMBIT. Краткое описание программного комплекса CFD с уроками (на русском языке)
Подождите немного. Документ загружается.
Пакет прикладных программ FLUENT
для решения задач механики жидкости и
газа, тепло и массопереноса
Введение
На современном этапе научных исследований вычислительный эксперимент является
одним из важных направлений при изучении задач аэродинамики, тепломассообмена и
горения. Информация, полученная с помощью численных расчетов, позволяет не только
правильно осмыслить и понять физические эффекты, наблюдаемые, например, на
экспериментальных установках, но и в некоторых случаях заменить физический или
натуральный эксперимент компьютерным как более дешевым. Иногда компьютерный
эксперимент является единственно возможным. Учитывая дальнейший прогресс в области
развития вычислительной техники, можно ожидать, что в ближайшем будущем возрастет
роль компьютерного моделирования как в создании новых образцов промышленности, так
и в исследовании процессов и явлений, происходящих в окружающем нас мире.
Разработкой методов расчета и особенно созданием программ и пакетов прикладных
программ для решения научно-технических задач занято большое число исследователей.
Ввиду разнообразия задач при создании программ даже по одному алгоритму или
численному методу неизбежен параллелизм в работе, когда различные исследователи при
создании программ вынуждены проделывать всю работу от начала до конца. Простой
анализ показывает, что у различных созданных программ имеются общие части, которые
целесообразно однократно запрограммировать и в дальнейшем многократно использовать.
С другой стороны, расширение класса задач требует создания большого числа программ
одноразового (несерийного) использования. Это обусловливает неоправданные затраты
ресурсов (умственных, компьютерных) на создание и отладку программ. Кроме того,
замедляется и сам процесс исследований. Данные обстоятельства приводят к
необходимости перехода на другой путь создания программ, а именно на создание
пакетов программ, ориентированных на решение целых классов задач. Сейчас созданы и
успешно развиваются пакеты программ для решения отдельных классов задач
математической физики.
В настоящее время широкое распространение получили пакеты вычислительной
гидродинамики, тепломассообмена, прочности и электродинамики для проведения
инженерных расчетов. Среди них можно упомянуть такие, как CFX, FLUENT, STAR-CD,
LS-DYNA, ANSYS, ABAQUS, FlowVision, MSC/NASTRAN, MSC/MARC, MAGMASOFT,
SolidWorks и др.
В данном виртуальном лабораторном практикуме проводится обучение установленному в
ТГУ на вычислительном кластере СКИФ Cyberia пакету FLUENT. Пакет предназначен
для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном
изменения теплофизических свойств посредством обеспечения различных параметров
моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью. Он
дает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона
моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT
позволяет с хорошей точностью предсказывать ламинарные и турбулентные течения,
различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие
явления на основе гибкого построителя сеток и их адаптации к получаемому решению.
Пакет FLUENT характеризуется следующими возможностями:
• моделирование 2D плоских, 2D осесимметричных, 2D осесимметричных
закрученных и 3D потоков;
• использование неструктурированных сеток;
• моделирование установившихся или нестационарных течений;
• моделирование всех скоростных режимов;
• моделирование невязких, ламинарных и турбулентных потоков;
• моделирование течений ньютоновских и неньютоновских жидкостей;
• широкий набор моделей турбулентности;
• моделирование теплопереноса, включая различные виды конвекции, сопряженный
теплообмен и излучение;
• использование моделей горения перемешанных и неперемешанных химических
компонентов, моделей поверхностного осаждения и гетерогенных реакций;
• использование моделей потоков со свободной поверхностью и многофазных
течений, включая теплоперенос и химические реакции;
• вычисление траекторий частиц в лагранжевом подходе описания дисперсных
потоков, включая модели развития тонких пленок и образования аэрозолей;
• использование моделей фазовых переходов для приложений, рассматривающих
плавление/затвердевание, эффекты кавитации и образования влажного пара;
• моделирование пористых сред с анизотропной проницаемостью, сопротивлением,
теплопроводностью и возможностью вычисления скоростей в порах;
• использование специальных моделей для вентиляторов, радиаторов и
теплообменников;
• использование динамических сеток для моделирования потоков вокруг
движущихся объектов;
• использование стационарных, вращающихся и ускоряющихся систем отсчета;
• широкий набор средств моделирования аэроакустики;
• возможность включения в модель объемных источников массы, импульса, тепла и
химических реакций;
• возможность индивидуальной подстройки численной модели через определяемые
пользователем функции.
• В пакете имеются средства автоматической и ручной балансировки нагрузки на
параллельно работающих процессах. Помимо вычислительного модуля FLUENT
вместе с пакетом поставляются средства подготовки сеток для рассматриваемых
задач – GAMBIT и TGrid.
Разработка пакета FLUENT началась в 1980 г., когда проблемы вычислительной
гидродинамики (CFD – Computational Fluid Dynamics) интересовали весьма узкий круг
специалистов. Инженеры компании Creare, Inc. (США) совместно с группой ученых из
Шеффилдского университета (Sheffield University, Великобритания) под руководством д-
ра Ферита Бойсана решили создать простой в использовании интерактивный CFD-код для
инженерных расчетов. Первый релиз продукта под названием FLUENT вышел в октябре
1983 г. Этот проект оказался столь успешным, что в 1990 году для продолжения его
реализации была создана специализированная компания FLUENT, Inc. Расширение
бизнеса этой компании происходило очень быстрыми темпами, и уже в мае
1996 г. компания приобрела Fluid Dynamics International (США) — разработчика
отраслевого программного продукта FIDAP и своего главного конкурента. В
1997 г. компания FLUENT дополнила свою линейку продуктов новым пакетом
POLYFLOW, ориентированным в первую очередь на потребности химической
промышленности (производство изделий из полимеров, пластмасс, резины и т.п.), цветной
и черной металлургии. В сентябре 2000 г. компания получила сертификаты ISO 9001 и
TickIT.
Широкий спектр физических моделей FLUENT позволяет решать самые разнообразные
задачи — от обтекания крыла самолета до горения в коксовых печах, от расчета процессов
в барботажных колоннах до производства стекла, от течения жидкости в кровеносных
сосудах до изготовления полупроводниковых приборов и т.п. Такие возможности
FLUENT, как постоянно развивающиеся модели турбулентности, горения, многофазных
течений и течений со свободными границами, а также подвижные (деформируемые) и
перестраиваемые сетки, значительно расширяют область его применения. В настоящее
время компания предлагает следующий пакет программ для решения задач
вычислительной гидродинамики: FLUENT, FIDAP и POLYFLOW — для промышленного
использования и FloWizard — для экспресс-анализа гидравлических характеристик
проектируемой конструкции. Кроме того, существует специальная версия FLUENT,
интегрированная в CAD-систему CATIA V5. Для учебных целей образовательным
учреждениям предоставляется программный комплекс FlowLab.
В настоящее время FLUENT – современный, универсальный программный комплекс,
предназначенный для решения задач механики жидкостей и газов. Он является лидером
рынка коммерческих CFD программ. FLUENT использует неструктурированную
сеточную технологию. Это значит, что сетка может состоять из элементов разнообразной
формы: четырехугольников и треугольников для 2-мерных моделей и гексаэдров,
тетраэдров, призм и пирамид для трехмерных моделей. Сложные численные схемы и
мощный решатель гарантируют точные результаты FLUENT. Возможность использования
матричного алгоритма совместного (coupled) решения основных уравнений повышает
устойчивость численного решения, а применение non-iteractive временной схемы
значительно уменьшает время решения для переходных процессов.
FLUENT запускается в параллельном режиме на Windows NT, Linux и Unix платформах.
При этом могут быть использованы многопроцессорные машины или кластеры. FLUENT
написан на языке программирования С, что делает его достаточно гибкой и мощной
программой, позволяющей динамически распределять память, использовать эффективную
структуру данных и проводить контроль состояния решателя. Также следует отметить, что
FLUENT обладает клиент-серверной архитектурой.
Во FLUENT включены ламинарные и турбулентные модели гидродинамики,
теплопередачи, фазовых переходов и радиации. Также имеются модели для расчета
кавитации, течения сжимаемых сред, теплообмена, теплопроводности, реальных газов и
модуль для расчета влажного пара. Возможность использования динамической сетки
существенно расширяют область применения FLUENT: потоки в цилиндрах, клапаны и
др. Динамические сетки могут рассматриваться совместно с моделями горения,
многофазного потока и др.
Моделирование химических реакций, особенно турбулентных потоков, было
отличительной особенностью FLUENT, начиная с момента его создания. FLUENT
использует самые современные модели для описания химических реакций. База данных
содержит свойства множества газообразных, твердых, угольных и жидких топливных
материалов. Также доступны модели для предсказания NOx. Модели реакции FLUENT
могут использоваться в соединении с LES- и DES-подходами. FLUENT включает
множество моделей турбулентности: несколько версий двухпараметрической модели k-
epsilon, модель k-omega и модель напряжений Рейнольдса (RSM). Увеличение
производительности современных компьютеров вместе с уменьшением их стоимости
сделали LES-модель и более экономичную DES-модель применимыми для
индустриальных расчетов.
FLUENT — один лучших пакетов в технологии многофазного моделирования. Различные
возможности программы позволяют получать самые глубокие сведения о работе
создаваемого технического устройства или аппарата. FLUENT включает такие
многофазные модели, как VOF (Volume of Fluid), mixture и модель Эйлера. Модели также
допускают учет межчастичного взаимодействия в гранулированных потоках. Для
некоторых многофазных явлений может использоваться модель дискретной фазы (DPM).
VOF-модели используются для расчета течений со свободной поверхностью. Модель
кавитации, включенная во FLUENT, позволяет моделировать работу подводных винтов,
насосов и топливных инжекторов.
Адаптация расчетной сетки позволяет получить точное решение для областей с большими
градиентами потока, например для пограничных слоев. Возможность адаптации позволяет
значительно сократить время на построение качественной сетки, решение численной
задачи и обработку результатов.
Постпроцессор FLUENT отображает результаты расчета в векторном и контурном видах,
а также способен отображать траектории движения частиц. Встроенный модуль создания
анимации позволяет обрабатывать результаты нестационарных расчетов.
В пакете FLUENT имеется возможность вводить функции, определенные пользователем
(UDF, User Define Function), которые позволяют настроить FLUENT, включить свои
модели и разработки.
Процесс генерации сетки является неотъемлемой частью любого инженерного расчета, в
котором используются CAE-технологии. От качества сетки напрямую зависят точность,
сходимость и скорость решения. И зачастую время, потраченное на построение сетки,
является лимитирующим фактором для всего процесса расчета. FLUENT предлагает
универсальное решение для создания расчетных сеток любых типов — набор
программных продуктов, состоящий из GAMBIT, Tgrid и G/Turbo. Последний является
своеобразным аналогом TurboGrid, но значительно уступает ему по функциональным
возможностям. Отметим, что в отличие от ANSYS CFX, FLUENT поддерживает
некомфорные сетки, сгенерированные в GAMBIT. В дополнение к указанным продуктам
FLUENT, Inc. предлагает несколько отраслевых программных комплексов: Icepak — для
расчета температурного состояния электронной аппаратуры, Airpak — для
проектирования инженерных систем зданий (системы вентиляции, отопления и пр.) и
MixSim — для проектирования смесителей и мешалок.
Качество получаемых на основе проведения вычислительного эксперимента результатов
напрямую зависит от качества построенной расчетной сетки. Предпроцессор GAMBIT
позволяет быстро создавать и обрабатывать геометрии исследуемых процессов. GAMBIT
имеет единый интерфейс для создания геометрических моделей и построения сетки.
Кроме того, в процессе его использования производится запись всех операций построения
в текстовый файл (журнал событий), что дает возможность пользователю легко
отслеживать путь создания геометрической модели, исправлять ошибки, перестраивать
модели и сетки, а также интегрировать результаты в другие программы.
GAMBIT может импортировать геометрию из различных CAD программ в форматах:
PARASOLID, ACIS, STEP или IGES и напрямую взаимодействовать с программами
CATIA V4 и Pro/E. Часто во время импорта геометрии возникают проблемы нестыковки
объектов. GAMBIT имеет встроенный модуль поиска и исправления подобных проблем,
что значительно упрощает процесс создания модели.
GAMBIT обладает мощными возможностями для создания двухмерных и трехмерных
расчетных областей непосредственно внутри программы, начиная от построения линий и
сплайнов, кончая созданием твердотельных объектов. Встроенный специализированный
модуль G/Turbo позволяет автоматизировать создание геометрических моделей
лопаточных машин.
Различные CFD проблемы требуют построения различных типов сетки. GAMBIT обладает
мощным генератором сеток, позволяющим создавать разнообразные типы сеток:
структурированную гексаидальную сетку, автоматическую (неструктурированную)
гексаидальную и тетраидальную сетки. Кроме того, в нем имеется возможность создания
пограничных слоев с комбинированными сетками. После построения сетки пользователь
имеет возможность проверить ее качество по разнообразным параметрам (скошенность
элементов, соотношение сторон).
В текущую версию пакета FLUENT — FLUENT 6.3 — было внесено более сотни
изменений и исправлений, из которых перечислим лишь некоторые. Добавлена новая
схема решения, основанная на методе коррекции давления (Pressure-Based Coupled Solver).
Она значительно улучшила расчет нестационарных течений, в том числе многофазных
реагирующих сред. Теперь FLUENT поддерживает использование полиэдральных сеток,
которые более экономно описывают геометрические объекты со сложной топологией, а
кроме того, ускоряют процесс сходимости. Что касается высокопроизводительных
вычислений, то добавлена поддержка 64-битной версии Windows. Улучшены
возможности FLUENT по работе с подвижными объектами, например с поршнями и
клапанами ДВС: FLUENT автоматически перестраивает сетку, отслеживая изменение
положения поршня. Помимо этого FLUENT может работать со множественными
скользящими областями. Внесены изменения в модели образования вредных веществ. Это
касается расчетов эмиссии SOx и NOx. Еще одно существенное улучшение связано с
моделированием капиллярных течений. Теперь пользователь может самостоятельно с
помощью UDF (пользовательские функции) задавать значение краевого угла. Таким
образом, FLUENT 6.3 сделал еще один уверенный шаг навстречу своим потенциальным
пользователям.
Предлагаемый электронный образовательный ресурс предназначен для подготовки
специалистов и магистров по направлениям «Математика и компьютерные науки»,
«Механика и математическое моделирование», «Техническая физика», «Прикладная
механика». Виртуальный лабораторный практикум предлагается студентам старших
курсов ММФ и ФТФ, изучившим дисциплины «Механика сплошных сред», «Методы
вычислений», «Современные методы решения больших задач на суперкомпьютерах».
Практикум опирается на использование приобретенного ТГУ в рамках инновационной
образовательной программы лицензионного пакета прикладных программ (ППП)
FLUENT, предназначенного для решения широкого круга задач механики жидкости и
газа, тепло- и массопереноса в областях сложной геометрии. ППП FLUENT снабжен
понятным пользовательским интерфейсом, позволяющим относительно легко строить
сложные неструктурные сетки и проводить расчеты на вычислительном кластере. В
результате вычислений пользователь получает большое количество информационного
материала – графическое представление распределений физических величин, которые по
своему усмотрению может использовать при анализе моделируемой ситуации и
написании аналитического отчета.
Пакет прикладных программ FLUENT
для решения задач механики жидкости и
газа, тепло и массопереноса
1. Построение сеток с использованием препроцессора
GAMBIT. Введение
Для проведения расчетов течений жидкости и газа по программе FLUENT необходимо
предварительно задать геометрию расчетной области и построить в ней разностную сетку.
Эта задача решается с помощью препроцессора GAMBIT.
1.1. Начало работы
Для входа в GAMBIT в операционной системе Windows необходимо запустить на
выполнение файл GAMBIT.EXE. Перед началом работы появится диалоговое окно
«Gambit Startup», в котором нужно задать следующие параметры:
• имя рабочей папки на диске (Working directory), в которую будут записываться
файлы с результатами работы;
• имя сессии (Session Id), значение которого будет использоваться в именах файлов с
результатами; если оставить без изменения предлагаемое значение «new session»,
то программа сама сформирует этот номер;
• дополнительная опция для указания предыдущей версии запуска программы – это
поле можно оставить без изменения.
Фактически в этом окне можно задать только имя рабочей папки. Это имя вместе с
полным путем нужно либо вписать в соответствующее поле, либо, нажав кнопку
«Browse», выбрать его в стандартном диалоговом окне системы «Windows».
После установки параметров необходимо нажать кнопку «Run». Спустя некоторое время
откроется основное окно программы GAMBIT.
Для запуска препроцессора GAMBIT, установленного на удалённой Linux машине, из
операционной системы Windows необходимо использовать программу PuTTY (или
другой SSH-клиент), чтобы связаться с удаленным сервером по шифрованному протоколу
SSH. Перед соединением с удалённым сервером следует активировать в PuTTY опцию
Enable X11 forwarding. После этого устанавливается соединение с удалённым сервером и
запускается эмулятор X-сервера – Exceed или X-Win 32. Если же предполагается, что
работа будет проводиться не в Windows, а в Linux, то нужно устанавливать соединение с
удалённой машиной командой ssh –X cyberia.tsu.ru. Далее в консоли на удалённом
сервере необходимо задать переменные окружения:
• export PATH=полный путь, куда установлен CFD пакет и препроцессор:$PATH;
• export LM_LICENSE_FILE=порт@сервер.
После этого можно запускать препроцессор GAMBIT, набрав в консоли команду gambit.
1.2. Общие сведения об управлении программой
В начале работы GAMBIT формирует «сессию», которая будет содержать все
выполняемые операции, такие как:
• импорт геометрической и сеточной информации;
• создание геометрических объектов;
• создание и улучшение сетки;
• определение типов различных зон расчетной области для последующего
использования в программе FLUENT;
• создание и модификация систем координат;
• изменение ориентации отображаемых геометрических объектов;
• другие операции.
Управление программой осуществляется с помощью команд с параметрами, задаваемыми
в командной строке. Дубликат команд и ответные сообщения программы помещаются в
специальное окно «Transcript». Команды дублируются либо пунктами меню, либо
кнопками, входящими в панель инструментов. Создаваемые геометрические объекты
отображаются в графическом окне.
По окончании работы результаты сессии сохраняются в трех файлах, которые
помещаются в заданную при запуске рабочую папку. Имена всех файлов одинаковы и
совпадают с определенным первоначально именем сессии. В текстовой файл журнала,
имеющий расширение jou, помещаются все выполненные во время сессии команды. В
текстовой файл с расширением trn выводятся сообщения программы, формируемые при
выполнении команд. Все команды и результаты работы помещаются в двоичный файл с
расширением dbs.
В процессе работы программы создаются различные геометрические объекты со своими
характеристиками. Этими объектами являются:
• используемые системы координат; по умолчанию всегда существует глобальная
декартова система координат, но можно использовать и другие системы – как
глобальные, так и локальные;
• vertices – точки-вершины, характеризующиеся своими координатами в одной из
систем координат, – 0-мерные объекты;
• edges – ребра-линии (не обязательно прямолинейные) – одномерные объекты;
• faces – поверхности-грани (не обязательно плоские) – двумерные объекты;
• volumes – объемы – трехмерные объекты;
• meshes – сетки;
• группы объектов.
Объекты создаются либо с помощью команд, либо путем использования диалоговых окон,
которые вызываются нажатием нужной кнопки на панели инструментов. В диалоговых
окнах задаются имена объектов и их характеристики. Допускается возможность загрузки
характеристик из заранее подготовленного файла. Над уже созданными объектами
допустимы различные операции, такие как объединение, пересечение, вычитание
(дополнение), разбиение на части, группирование и т.п.
1.4. Основное окно программы
Рис. 1.1. Основное окно программы
В заголовке окна кроме имени программы отображается имя текущей сессии (ID).
Ниже располагается основное меню программы.
Основную часть главного окна занимает графическое окно, в котором отображаются
созданные объекты и основная система координат. В общем случае это окно разделено на
4 части, в каждой из которых можно использовать свою ориентацию отображения
созданной геометрической модели. На пересечении разделяющих эти части линий
расположен бегунок (небольшой серый квадратик), перемещая который с помощью
мыши, можно изменять размеры этих частей.
Ниже графического окна располагается окно «Transcript», в которое выводятся все
выполняемые команды и сообщения GAMBIT.
В нижней части окна находится командная строка («Command»), в которую можно
вписывать необходимые для выполнения команды. Если команда выбирается мышью на
панели инструментов, то ее текстовой вид отображается в командной строке.
В правой верхней части главного окна, правее графического окна, находятся две группы
кнопок, составляющих панель инструментов. Верхняя группа «Operation» соответствует
верхнему уровню дерева панели инструментов, каждая кнопка соответствует группе
кнопок более низкого уровня. Вторая группа расположена ниже, она соответствует группе
кнопок второго, более глубокого уровня дерева панели. Ее заголовок, количество и вид
кнопок меняются в зависимости от того, какая кнопка выбрана в группе «Operation». При
нажатии какой-либо кнопки этого уровня ниже появляются группы кнопок более
глубокого уровня, каждая из которых соответствует отдельной команде. При нажатии той
или иной командной кнопки появляется одно или несколько диалоговых окон, в которых
нужно задать параметры команды.
В правом нижнем углу основного окна программы находится группа кнопок «Global
Control», с помощью которых можно регулировать отображение объектов в графическом
окне, а также отменять последние выполненные команды или повторять отмененные
ранее.
Между окном «Transcript» и группой «Global Control» расположено окно «Descripton»,
в котором отображается текст, поясняющий назначение того элемента окна программы,
над которым в данный момент находится курсор мыши.
1.5.1. Панель инструментов. Часть 1
Панель инструментов содержит кнопки, с помощью которых можно выполнить
управляющие команды программы и задать ее параметры. Кнопки организованы в виде
дерева, на каждом уровне которого расположена своя группа кнопок.
Выбор с помощью левой кнопки мыши любой из кнопок верхнего, первого уровня
приводит к отображению группы соответствующих кнопок второго уровня:
– вызывает группу кнопок «Geometry», предназначенных для создания и
модификации геометрических объектов;
– вызывает группу кнопок «Mesh», предназначенных для создания и
модификации сеток;
– приводит к появлению группы кнопок «Zones», позволяющих задать тип
областей внутри расчетной области и тип граничных условий на ее границах;
– вызывает группу «Tools», в которой собраны другие операции, не вошедшие в
предыдущие группы.
Кнопки второго уровня чаще всего также вызывают группы более глубокого, третьего
уровня.
Группа кнопок «Geometry»:
– вызывает группу «Vertex», в которой сосредоточены операции с точками-
вершинами;
– вызывает группу «Edge», в которой собраны операции с линиями-ребрами;
– соответствует группе «Face» с операциями над поверхностями-гранями;
– соответствует группе «Volume» с операциями над объемами;
– соответствует группе «Group» c операциями группирования созданных ранее
объектов.
Группа кнопок «Mesh»:
– вызывает группу кнопок «Boundary Layer», с помощью которой
можно работать с так называемыми сеточными «пограничными
слоями», в которых происходит сгущение сетки около какой-либо
линии или поверхности;
– каждая из кнопок вызывает группу, соответствующую построению
сеток на одномерных (линиях), двумерных (поверхностях) и
трехмерных объектах соответственно;
– вызывает группу кнопок для построения сеток в группах объектов.