ANSYS Advantage. Русская редакция 5'2007

От идей к решениям™

Инженерно-технический журнал. Русская редакция

Весна 2007

ТранспортГЛАВНАЯ ТЕМА:

Расчет динамики твердых и деформируемых тел в модуле DesignSimulation

Новые возможности ANSYS CFX версии 11.0

Численное моделирование течения в центробежном компрессоре

Генерация сетки в ICEM CFD

Energomash (UK) LimitedЭнергетика

Россия www.energomash.ru

ANSYS ICEM-CFD ® ™

CFD–сетка

CAD–модель камеры сгорания (сверху)

и лопатки ВГТ (слева)

FEA–сетка

© 2007 ANSYS, Inc. , ЗАО «EMT P» www.ansys.msk.ru

О компании

Резюме

Группа компаний «Энергомаш» является одним из крупнейших производителей энергетического оборудования на российском рынке.

Кроме разработки и производства оборудования для различных типов электростанций, насосов и котлов, компания «Энергомаш» занимается эксплуатацией собственных газотурбинных установок (ГТУ) и выработкой электрической и тепловой энергии.

Создание расчетных сеток хорошего качества (гладких и близких к равномерным и ортогональным) является одним из ключевых этапов решения любой задачи вычислительной гидродинамики, поскольку корректность и точность результатов численного эксперимента во многом определяются качеством сеточной структуры. При этом временные затраты на ее построение зачастую превосходят все остальные этапы численного исследования.

Использование сеточного генератора ANSYS ICEM CFD позволило значительно повысить качество расчетных сеток, а также сократить время на их построение за счет хорошей интеграции с CAD–системами и возможностей ICEM CFD по параметрическому перестроению сеток.

Данные возможности ICEM CFD особенно актуальны при проектировании таких сложных объектов, как газотурбинные двигатели, которые включают камеры сгорания, компрессоры, регенераторы и другие ответственные узлы.

Дмитрий Борисов,руководитель IT–департамента

Объект моделирования

Мы использовали ANSYS ICEM CFD для построения расчетных сеток для таких объектов, как камера сгорания ГТУ, охлаждаемая лопатка турбины высокого давления.

Полученные сетки применялись для выполнения газодинамических расчетов и расчетов НДС.

Технологии ANSYS

Для построения сетки мы использовали сеточный генератор ANSYS ICEM CFD/ Hexа, что позволило нам:• применять в расчетах полностью гексаэдрические структурированные сетки с возможностью адаптации сетки в интересующих нас местах;• использовать прямые интерфейсы с CAD–системой;• применять одни и те же блочные структуры для близких по топологии геометрических объектов.

Преимущества

Использование гексаэдрических сеток позволило нам повысить качество элементов, сократить размерность расчетных моделей и улучшить сходимость решаемых задач.

Наличие в ICEM CFD прямых интерфейсов с CAD–системами упростило процесс передачи геометрии с сохранением ее качества.

Значительно уменьшилось время создания сеточных структур для типовых объектов.

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD, ASAS, AQWA, FLUENT являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» является торговой маркой компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками

соответствующих фирм.

«ANSYS Solutions. Русская редакция»

Инженернотехнический журнал

Выходит 4 раза в год Весна 2007 (5)

Учредитель:ЗАО «ЕМТ Р»

Генеральный директор:Локтев Валерий

Руководитель проекта:Хитрых Денис

[email protected]

Над номером работали:Кабанов ЮрийЛарин Михаил

Плыкин МихаилЧернов Александр

Переводчики:Дорфман АлександрЛистопадов Дмитрий

Интернетгруппа:Николаев Александр

Адрес редакции111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,Тел.: (495) 644-0608Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.Цена свободная

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007www.ansyssolutions.ru

От идей к решениям ™

ВЕСНА 2007

© 2007 ANSYS, Inc. © 2007 ЗАО «ЕМТ Р»

Teхнологии

Технологии/FLUENTANSYS Fluent: стратегия лидерства в CFD приложениях ................................... 2

Проектирование системы противообледенения гражданского самолета ......................................................................................... 4

Моделирование входа космического аппарата в атмосферу планеты ............................................................................................. 7

Технологии CFD в задачах гидроэнергетики ....................................................... 9

Технологии/ANSYS MultiphysicsОпыт применения ANSYS Mechanical в дизельном локомотивостроении ...................................................................... 12

Термопрочностной анализ элементов конструкции искусственного спутника ..................................................................................... 14

Мифы о контактных элементах. Часть 3 ............................................................ 17

Нефть и газ. Обзор решений ANSYS ................................................................. 19

Технологии/CFXЧисленное моделирование течения в центробежном компрессоре ............................................................................. 22

Новые возможности ANSYS CFX и ICEM CFD версии 11.0 .............................. 28

Мастер-класс

Мастер класс/Вы спрашивали — мы отвечаем Расчет динамики твердых и деформируемых тел в модуле DesignSimulation ................................................................................... 33

Мастер класс/Изучаем самиПроектирование лопаточных машин. Часть 1 ................................................... 37

Оптимизация конструкций в среде DesignXplorer ............................................. 41

Контактные технологии в действии. Часть 1 ..................................................... 45

Аппаратное-обеспечение

Параллельные возможности ANSYS .................................................................. 47

Перепечатка опублико-ванных материалов только с письменного разрешения редакции, за исключением кратких цитат в материа-лах информационного ха-рактера. Мнение редакции может не совпадать с мне-нием авторов

�

Технологии

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна �007www.ansyssolutions.ru

1 мая 2006 года компания ANSYS, Inc. объ-явила о завершении сделки по приобре-тению Fluent Inc., штаб-квартира которой находится в городе Лебанон (шт. Нью-Хемпшир, США). Компания Fluent — при-знанный лидер на рынке CAE-технологий и специализируется в области создания программного обеспечения для решения задач вычислительной гидродинамики. В практическом плане это задачи, в кото-рых присутствуют тепло- и массообмен, многофазные и реагирующие потоки, турбулентность. Это приобретение в оче-редной раз подтвердило стремление ком-пании ANSYS, Inc. предлагать пользова-телям лучшие в своем классе расчетные технологии, отвечающие их запросам.

Краткая история Fluent, Inc.В далеком 198� году, когда проблемы вычис-лительной гидродинамики (CFD) интересова-ли весьма узкий круг специалистов, инженеры Creare, Inc. (США) совместно с группой уче-ных из Шеффилдского университета (Sheffield University, Великобритания) под руководством д-ра Ферита Бойсана (Ferit Boysan) решили со-здать простой в использовании, интерактивный CFD-код для инженерных расчетов. Первый ре-лиз продукта под названием FLUENT вышел в октябре 1983 года. Этот проект оказался столь успешным, что в 1990 году Creare, Inc. лишилась большого числа сотрудников во главе с леген-дарным Бхаратаном Пателом (Bharatan Patel). Инженеры ушли и создали собственную компа-нию Fluent, Inc.Расширение бизнеса Fluent происходило очень быстрыми темпами, и уже в мае 1996 года ком-пания приобрела Fluid Dynamics International (США) — разработчика отраслевого програм-много продукта FIDAP и своего главного конку-рента. В 1997 году компания Fluent дополнила свою линейку продуктов новым пакетом POLY-FLOW (разработчик — Polyflow S. A.), ориен-тированным в первую очередь на потребности химической промышленности (производство из-делий из полимеров, пластмасс, резины и т.п.), цветной и черной металлургии.

В сентябре �000 года компания получила сертификаты ISO 9001 и TickIT.

Составляющие успехаШирокий спектр физических моделей FLUENT позволяет решать самые разнообразные зада-чи — от обтекания крыла самолета до горения в коксовых печах, от расчета процессов в бар-ботажных колоннах до производства стекла, от течения жидкости в кровеносных сосудах до из-готовления полупроводниковых приборов и т.п. Такие возможности FLUENT, как постоянно раз-вивающиеся модели турбулентности, горения, многофазных течений и течений со свободными границами, а также подвижные (деформируе-мые) и перестраиваемые сетки, значительно расширяют область его применения.

В настоящее время компания предлагает следующий пакет программ для решения за-дач вычислительной гидродинамики: FLUENT, FIDAP и POLYFLOW — для промышленного ис-пользования и FloWizard — для экспресс-ана-лиза гидравлических характеристик проекти-руемой конструкции. Кроме того, существует специальная версия FLUENT, интегрированная в CAD-систему CATIA V5. Для учебных целей об-

ANSYS Fluent: стратегия лидерства в CFD-приложениях

Главный редактор Денис Хитрых в гостях у компании Fluent, Inc. (Германия, апрель 2007 г.)

Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

3


разовательным учреждениям предоставляется программный комплекс FlowLab.

Процесс генерации сетки является неотъ-емлемой частью любого инженерного расчета, в котором используются CAE-технологии. От качества сетки напрямую зависит точность, схо-димость и скорость решения. И зачастую вре-мя, потраченное на построение сетки, является лимитирующим фактором для всего процесса расчета. Fluent предлагает универсальное ре-шение для создания расчетных сеток любых типов — набор программных продуктов, состо-ящий из GAMBIT, Tgrid и G/Turbo. Последний является своеобразным аналогом TurboGrid, но значительно уступает ему по функциональным возможностям. Отметим, что, в отличие от CFX, решатель FLUENT поддерживает некомфорные сетки, сгенерированные в GAMBIT.

В дополнение к указанным продуктам Flu-ent, Inc. предлагает несколько отраслевых про-граммных комплексов: Icepak — для расчета температурного состояния электронной аппара-туры, Airpak — для проектирования инженерных систем зданий (системы вентиляции, отопления и пр.) и MixSim — для проектирования смесите-лей и мешалок.

В текущую версию — FLUENT 6.3 — было внесено более сотни изменений и исправлений, из которых перечислим лишь некоторые.

Добавлена новая схема решения, основан-ная на методе коррекции давления (Pressure-Based Coupled Solver). Она значительно улучши-ла расчет нестационарных течений, в том числе многофазных реагирующих сред.

Теперь FLUENT поддерживает исполь-зование 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.

Рис. 1. Эскизы рабочего окна программного комплекса FLUENT 12.0 (FLUENT 6.4)

Конференция NAFEMS «Применение CАЕ в промышленности» 7 мая, Санкт-Петербург

Конференция «ANSYS Autodyn: Проек-тирование систем безопасности, обороны и вооружения» 5 июня, Москва

Семинар «ANSYS в авиастроении» 7 июня, Казань

Семинар «ANSYS в судостроении»�6-�9 июня, Санкт-Петербург

Семинар «ANSYS в строительстве»�4-�7 сентября, Санкт-Петербург

Семинар «ANSYS в энергетике: Атомная энергетика, электротехника и энергетичес-кое машиностроение»9-11 октября, Москва

5-я Международная конференция пользо-вателей ANSYS30-31 октября, Москва

Организаторы: компании ANSYS, Inc. и ЗАО «ЕМТ Р»

За дополнительной информацией обращай-тесь в офис компании ЗАО «ЕМТ Р»:

Москва, ул. Суздальская, 46,Тел.: (495) 644-0608Факс: (495) 644-0609E-mail: [email protected]

Web: www.emt.ru, www.ansys.msk.ru

Дни ANSYS в России(май — октябрь 2007)

4



Улучшены возможности FLUENT по рабо-те с подвижными объектами, например с порш-нями и клапанами ДВС: FLUENT автоматически перестраивает сетку, отслеживая изменение положения поршня. Помимо этого FLUENT мо-жет работать со множественными скользящими областями.

Внесены изменения в модели образования вредных веществ. Это касается расчетов эмис-сии SOx и NOx.

Еще одно существенное улучшение свя-зано с моделированием капиллярных течений. Теперь пользователь может самостоятельно с помощью UDF (пользовательские функции) за-давать значение краевого угла.

Таким образом, FLUENT 6.3 сделал еще один уверенный шаг навстречу своим потенци-альным пользователям.

Что касается следующего релиза FLUENT, то его выход запланирован на июнь �008 года. Сейчас еще рано говорить о том, чего мы мо-жем ожидать от FLUENT версии 1�.0, но уже точно известно, что он будет интегрирован в среду Workbench. Во-вторых, ANSYS планирует усовершенствовать интерфейс этого програм-много продукта. Примерный вид рабочего окна FLUENT 1�.0 показан на рис. 1. Кроме того, будет реализована односторонняя связь меж-ду FLUENT и ANSYS для решения задач с FSI. Будут улучшены параллельные возможности продукта, по крайней мере в части усовершенс-твования алгоритмов разбиения (partitioning) для решения задач большой размерности (~ 1 млрд элементов). Также следует ожидать появления переходной модели турбулентности, которая уже существует в ANSYS CFX.

Испытания гражданских самолетов на обледенение сначала в лабораторных, а затем в естественных условиях являются важной частью любых сертификацион-ных испытаний. В статье рассказывается о результатах численного моделирова-ния процесса соударения капель воды и твердого тела, например крыла самоле-та, в условиях естественного обледене-ния. Расчеты были выполнены в коммер-ческом программном комплексе FLUENT с использованием двух разных физичес-ких моделей. Обе модели дали похожие результаты, которые хорошо согласуют-ся с известными экспериментальными данными1.

Анализ процесса обледенения самолета начи-нается с расчета столкновения капель жидкости с корпусом самолета и эффективности захвата капель при заданных условиях полета. Эффек-тивность захвата может быть определена как отношение массового расхода капель, соуда-ряющихся с корпусом, к массовому расходу набегающего потока. Ее величина зависит от

многих факторов, например от формы и разме-ра капель, характеристик течения среды вблизи поверхности и др. Зная значение этой величины при различных условиях, можно оценить ско-рость нарастания льда на элементах корпуса са-молета (крыле, гондоле) и соответственно выра-ботать эффективные меры для предотвращения этого процесса.

Поскольку объемная концентрация капель воды в воздухе, как правило, невелика (менее 1%), расчет столкновений обычно проводится после моделирования обтекания тела внешним потоком при заданных полетных условиях.

На каплю воды, движущуюся в воздухе, действуют две основные силы: сила тяжести и сила аэродинамического сопротивления. Чем меньше радиус капель, тем меньше их масса и инерция, а следовательно, меньше вероят-ность столкновения с твердым телом. И наобо-рот — чем больше радиус капель, тем меньше искривление их траектории. Правильный рас-чет столкновений способствует корректному расчету эффективности захвата капель поверх-ностью твердого тела. Кроме того, можно с достаточной достоверностью прогнозировать

Проектирование системы противообледенения

гражданского самолета

1 См.: Papadakis, M., Elongonan, R., Freund, G. A. Jr. et al. An Experimental Method for Measuring Water Droplet Impingement Efficiency on Two- and Three-Dimensional Bodies: NASA Contractor Report 4257. 1989.

5


максимальное количество столкновений и пре-делы изменения этой величины, а также место на поверхности, где столкновения не наблюда-ются (рис. 1).

В настоящей статье будет рассказано о том, как методы вычислительной гидродинами-

ки используются для получения характеристик столкновений. Подобные расчеты позволяют сократить число экспериментов, необходимых для определения характера обледенения при различных условиях.

Хорошо известно, что эффективность за-хвата зависит от геометрии обтекаемого тела. Тонкие объекты более подвержены обледене-нию, чем массивные части самолета. Толщина льда на передней кромке тонкого крыла боль-ше, чем у толстого. Поэтому мы исследовали несколько объектов на предмет расчета эф-фективности захвата. Результаты были получе-ны с применением как модели дискретных фаз (DPM), так и модели Эйлера для многофазных сред. Обе модели реализованы в программном комплексе FLUENT в виде пользовательских функций. В основе модели DPM лежит подход Лагранжа к изучению движения сплошной сре-ды. Напомним, что лагранжев подход заклю-чается в исследовании изменения величин, описывающих состояние и движение сплошной среды (например, скорости) для каждой из ее индивидуальных точек. С помощью этого мето-да можно изучать траекторию движения частиц (или группы частиц), отличающихся размерами или начальными координатами. Подобные ис-следования позволяют выяснить, какие частицы осаждаются на корпусе, а какие уносятся пото-ком вокруг тела.

Точка зрения Эйлера на изучение движе-ния сплошной среды заключается в исследо-вании изменения величин, описывающих дви-жение и состояние среды для каждой из точек пространства, в которые с течением времени могут приходить различные индивидуальные точки. Таким образом, в рамках эйлерова подхо-да капли воды трактуются как непрерывная или сплошная среда, отделенная от воздуха и взаи-модействующая с ним. Для капель жидкости и воздуха решаются отдельные уравнения пере-носа. На выходе получают объемную концентра-цию жидкой воды в воздухе.

Оба подхода применимы как для двумер-ных, так и для трехмерных расчетов. Преиму-щество DPM состоит в возможности моделиро-вания капель или частиц, размеры которых по-падают в определенные диапазоны. Подобное допускает и модель Эйлера, но в данном случае требуются большие вычислительные ресурсы. Поэтому при использовании модели Эйлера ограничиваются одним или двумя диапазонами размеров капель.

Расчет эффективности захвата в дан-ном исследовании был построен следующим образом. Сначала рассчитывалось движение воздушной среды без учета ее вязкости (иде-альный газ) или с учетом вязкости среды.

Рис. 2. Распределение объемной концентрации воды по длине профиля NACA-0012 при числе Маха = 0,4

Рис. 3. Векторы скоростей сталкивающихся капель

Рис. 1. Сравнение расчетной эффективности захвата при использовании двух разных моделей многофазности

6



После этого поле скоростей как бы «замора-живалось» и выполнялся расчет для капель с применением одной из двух моделей — DPM или модели Эйлера. Такой подход вполне до-пустим, если содержание жидкой воды в воз-духе невелико.

В обоих случаях вблизи застойных зон строилась сетка с достаточным разрешением для корректного расчета локальных характерис-тик столкновения.

На рис. � показано распределение объ-емной концентрации капель воды диаметром 16 мкм вокруг профиля NACA-001� при угле ата-ки в 5° и M = 0,4. В этом примере воздух рас-сматривался как идеальный газ и использова-лась модель Эйлера. Из рисунка видно, что лед образуется на передней кромке крыла. Кроме того, хорошо заметно влияние профиля на тра-ектории движения частиц воды. Профиль ис-кривляет их траектории, так что на верхней его поверхности соударений не происходит.

На рис. 1 показан график распределения эффективности захвата по координате (рассто-яние по нормали к хорде) y капель диаметром 16 мкм. Использовались обе модели многофаз-ных сред. Результаты хорошо согласуются друг с другом, что позволяет сделать вывод о том, что при малых концентрациях воды могут быть применены оба подхода. На рис. 3 показаны векторы скоростей капель, ударяющихся в пе-реднюю кромку крыла. Эта иллюстрация взята из расчетов по модели Эйлера, позволяющей исследовать поле скоростей капель отдельно от воздуха.

На рис. 4 и 5 приведен вид трехмерного изображения крыла сверху и снизу. Механиза-ция крыла выпущена. Поверхность крыла рас-крашена в соответствии с эффективностью за-хвата капель диаметром 16 мкм. В этом примере применялась модель Эйлера. Крыло обтекается дозвуковым потоком с углом атаки 8°.

Из-за наличия рециркуляционного тече-ния за предкрылком для воздуха использова-лась модель вязкой жидкости. Большинство капель оседает на передней кромке предкрылка (см. рис. 4). Умеренное количество столкнове-ний наблюдается на нижней поверхности пере-дней кромки основной части крыла со смещени-ем к хвосту и на закрылке (см. рис. 5).

На рис. 6 показано распределение эф-фективности захвата гондолы двигателя «Боинга 737-300» при числе Маха M = 0,�353 и нулевом угле атаки, полученное с использова-нием эйлерова подхода для капель диаметром 3�,�6 мкм.

На рис. 7 и 8 представлены результаты рас-чета эффективности захвата для гондолы двига-теля с применением модели DPM. Для описания

распределения капель жидкости по диаметрам (от 5,� до 46,5 мкм) была выбрана формула Ро-зина — Раммлера. Средний диаметр капель был принят равным 16,4 мкм. На рисунках приведе-ны два варианта расположения гондолы. График на рис. 7 соответствует нулевому курсовому

Рис. 4. Распределение эффективности захвата на передней кромке крыла

Рис. 5. Распределение эффективности захвата на нижней поверхности крыла

Рис. 6. Распределение эффективности захвата на гондоле двигателя «Боинга-737»

7


углу, а на рис. 8 — углу в 45°. На обоих рисунках результаты численного моделирования хорошо согласуются с известными экспериментальными данными�.

В этих исследованиях программный комплекс FLUENT применялся для изучения основных закономерностей осаждения частиц воды из потока на различные препятствия, та-кие как крыло самолета или гондола двига-теля. Располагая данными по эффективности захвата, всегда можно оценить скорость на-растания льда на интересующем пользова-теля участке корпуса самолета. Сложности в проведении трехмерных экспериментов, свя-занных с обледенением, приводят к тому, что для исследования многих сотен возможных

полетных условий приходится полагаться на аналитические расчеты и численные экспери-менты.

Для прогнозирования характера обледе-нения использовались две различные моде-ли многофазных сред FLUENT. Полученные с их помощью результаты отлично согласуются друг с другом — частично за счет того, что объемная концентрация воды в воздухе была небольшой. Это дает основание инженерам, занимающимся исследованием обледенения самолетов в широком диапазоне полетных ус-ловий, сократить число испытаний в аэродина-мической трубе и в ряде случаев заменить их численными экспериментами с применением CFD-пакетов.

Рис. 7. Эффективность захвата капель поверхностью гондолы двигателя при нулевом курсовом угле. Красным цветом отмечены результаты численного эксперимента, а черным — результаты натурных испытаний в аэродинамической трубе

Рис. 8. Эффективность захвата капель поверхностью гондолы двигателя при курсовом угле в 45°; использовалась модель DPM

2 См.: Papadakis, M., Elongonan, R., Freund, G. A. Jr. et al. Указ. соч.

Исследователи Dipartimento di Scienza e Ingegneria dello Spazio (DISIS) из Universitа degli Studi di Napoli (Италия) применили FLUENT для моделирования вхождения космического аппа-рата в атмосферу Марса.

Условия марсианской атмосферы на Земле моделируются с помощью ударных труб, плаз-матронов, высокоэнтальпийных дуговых уст-ройств. Для решения этой задачи инженеры DI-SIS доработали стандартный симулятор входа

Моделирование входа космического аппарата

в атмосферу Марса

8



космических аппаратов в атмосферу (в англ. — SPES), в результате чего он приобрел способ-ность моделировать существенные тепловые и гидродинамические нагрузки, характерные для входа космических аппаратов в атмосферу планет. SPES представляет собой плазменную аэродинамическую трубу мощностью 40 кВт, в которой можно воспроизводить температуры и газовые смеси различного состава, типичные для процесса входа космических аппаратов в атмосферу планет. В частности, для модели-рования марсианской атмосферы с удельны-ми энтальпиями, соответствующими условиям свободного полета, можно использовать смеси из углерода, кислорода и азота в разных мо-лекулярных формах. Температуры в установке SPES могут достигать 15000 K, а плотности — 0,005 кг/м3.

Была проведена верификация FLUENT на предмет корректного прогноза неравновесных эффектов, наблюдаемых при высоких темпера-турах в сверхзвуковых аэродинамических тру-бах типа SPES. Результаты численного модели-рования сравнивались с экспериментальными данными.

При нормальных условиях свободного по-тока марсианская атмосфера состоит в основ-ном из CO� и N�. Но при движении объекта со сверхзвуковой скоростью на его передней (го-ловной) части образуется скачок уплотнения. Температура в этом месте резко повышается, что вызывает процессы диссоциации и рекомби-нации. В результате появляются еще шесть до-полнительных соединений. Подобные явления наблюдаются и при возвращении космических кораблей на Землю.

Атмосфера Земли состоит в основном из O� и N�. Высокие температуры, возникающие при входе в плотные слои атмосферы, вызыва-ют реакции, в результате которых образуются и другие молекулы.

Модель FLUENT, имитирующая условия атмосферы Марса и SPES, включала восемь молекул (CO�, CO, C, O, O�, N�, N и NO), между которыми протекало четырнадцать реакций.

Большинство плазменных аэродинами-ческих труб не приспособлены для масштабных продувок макетов, поскольку в них невозможно одновременно воспроизвести все безразмерные параметры, например число Маха, Рейнольдса и Дамкелера. Поэтому при продувках в аэродина-мических трубах инженеры обычно интересуют-

Распределение температуры вокруг космического зонда при входе в атмосферу Марса со скоростью 6 км/с

Газовый состав атмосферы Марса на линии торможения космического зонда

9


ся только одним конкретным параметром потока. Например, для тестирования системы тепловой защиты обшивки летательного аппарата они мо-

гут воспроизводить один и тот же тепловой поток и полную удельную энтальпию. Но даже в этом случае при равной полной энтальпии наблюда-ются различия между условиями свободного полета и продувки в аэродинамической трубе, вызванные неравновесными эффектами.

Если CFD-пакет способен корректно моде-лировать эти явления в масштабе лабораторного эксперимента, то его данные можно экстраполи-ровать для действительных условий свободного полета при входе в атмосферу.

При высоких температурах материал по-верхности зонда может выступать в роли ката-лизатора, способствующего рекомбинации ато-мов. Граничные условия, заданные во FLUENT, учитывали результаты экспериментальных из-мерений каталитических свойств различных материалов обшивки. Это позволило исследо-вателям решить одну из главных задач экспе-римента, которая состояла в оценке тепловых потоков в точке торможения при использовании в обшивке зонда материалов с различными ка-талитическими свойствами. Полученные ре-зультаты свидетельствуют, что каталитические свойства поверхности оказывают большое вли-яние на протекающие вблизи корпуса реакции в атмосфере, подобной марсианской.

Температуры и линии тока вокруг модели капсулы в экспериментальной камере SPES (в условиях «марсианской» атмосферы)

Водоприемники водозаборов ГЭС распо-лагаются перед турбинами и выравнивают поток на входе в них. Кроме того, для защиты водо-

приемных устройств от мусора, который всегда присутствует в воде, наносов и т.п. используют-ся сороудерживающие решетки. Улучшая пара-метры течения в водозаборах, нельзя забывать, что вода — это среда обитания различных видов рыб, для которых необходимо предусмотреть возможность обхода водозаборов.

Компания ASL-AQFlow, Inc. разработала акустический сцинтилляционный расходомер (ASFM) для бесконтактного измерения скоро-сти и расхода жидкости через водоприемники низконапорных гидроэлектростанций. Эти из-мерения позволяют гидроинженерам оценивать эксплуатационную эффективность турбин и сте-пень влияния рыбозащитных устройств на про-изводительность водозаборов. Погрешность из-мерения полного расхода жидкости при помощи ASFM составляет приблизительно 1%.

Технологии CFD в задачах гидроэнергетики

Latif Bouhadji, ASL-AQFlow, Inc. (Канада)

Плотина Lower Monumental в Келотусе (шт.Вашингтон, США)

10



На точность измерения расхода с помощью ASFM влияет множество факторов. В первую очередь это сложная структура течения в эле-ментах водозабора. Разнообразные препятст-вия в виде сороудерживающих и рыбозагради-тельных решеток, а также измерительных стоек вносят дополнительные возмущения в поток. Это увеличивает разброс значений замеров ско-рости на разных участках.

Для лучшего понимания данных процес-сов были выполнены численные исследования структуры течения в водозаборах (в двумерной и трехмерной постановке) с помощью программ-ного комплекса FLUENT. По результатам иссле-дования были определены оптимальные условия применения новой акустической измерительной системы.

Натурные испытания ASFM проводились на нескольких водозаборах североамерикан-ских ГЭС. Для каждого из них в ICEM CFD были построены отдельные расчетные сетки c локаль-ным измельчением. В качестве модели турбу-лентности были выбраны стандартная k-ε- и SST k-ω-модели. Сравнивались их возможности по прогнозированию характеристик осредненного течения и турбулентности. Моделирование осу-ществлялось с использованием параллельных вычислений на небольшом кластере на плат-форме Linux.

Первый расчет был выполнен на модели водозабора ГЭС Lower Monumental (шт.Вашинг-тон, США), где ранее были получены очень хорошие результаты тестов ASFM. Сороудер-живающая решетка на входе в три пролета во-дозабора состоит из шести модулей размером 8 м в ширину и 3,94 м в высоту. Каждый модуль образован несколькими рядами горизонтальных

и вертикальных балок. Плоскость измерений ус-тройства ASFM располагалась приблизительно на ��,�5 м ниже по течению от сороудерживаю-щей решетки. Моделирование проводилось для трех значений расхода, который варьировался в пределах от 113 до �07 м3/с. Эти значения слег-ка отличались от данных измерений ASFM.

Ряд двумерных расчетов продемонстриро-вал хорошее согласование с результатами изме-рений ASFM для всех использовавшихся значе-ний расхода.

Оказалось, что сороудерживающая ре-шетка увеличивает скорость в придонной об-ласти водозабора и замедляет течение в верх-ней части. Уменьшение скоростей, вызванное толстыми горизонтальными балками, проявля-ется ниже по течению вплоть до плоскости из-мерений прибора ASFM. Чем больше расходы, тем более очевиден этот эффект. Трехмерные расчеты выявили, что пространственное вли-яние на пограничный слой на боковых стенках ограничивается областью в нижней части паза

На плотине гидроэлектростанции Lower Monumental сороудерживающая решетка построена из шести панелей, установленных одна на другую. Каждая панель состоит из шести горизонтальных двутавровых балок и трех вертикальных брусьев

Распределение средней горизонтальной скорости при расходе в водозаборе плотины Lower Monumental равном 113 м3/с. Видно, что сороудерживающая решетка вносит в поток большие возмущения, распространяющиеся далеко вниз по течению. Измерительные стойки располагались на расстоянии 20 м от решетки

Распределение средней горизонтальной скорости вблизи верхней (слева) и нижней плоскости измерений

11


гидротехнического затвора (на высоте до 1,5 м от дна). В оставшейся расчетной области прак-тически во всей плоскости измерений толщина пограничного слоя на боковых стенках почти не изменяется.

Следующим объектом исследований стала ГЭС Hydro Kennebec (шт.Мэн, США). На ней име-ются два примыкающих друг к другу водозабора турбин с различной геометрией на входе.

Цель данного исследования — оценить важность условий на входе для результатов из-мерений, учитывая тот факт, что стенка одного из каналов является криволинейной.

Моделирование обнаружило большие воз-мущения в потоке за сороудерживающей решет-

кой. На входе в водозабор второго блока, как и ожидалось, наблюдалась значительная рецир-куляция течения. В первом блоке отрыв потока отсутствовал, а профиль скорости, полученный в FLUENT, очень хорошо согласовывался как с данными прибора ASFM, так и с результатами доплеровских измерений.

Однако для второго блока были выявлены расхождения между данными измерений и чис-ленным прогнозом. Это потребовало проведе-ния тщательного анализа и изменения методики применения ASFM.

После этого исследовались водозаборы на еще одной крупной гидроэлектростанции. Их ре-зультаты использовались для оптимизации раз-мещения датчиков ASFM и предсказания воз-можной погрешности их показаний в сложных гидравлических условиях в каждом конкретном случае.

Гидроэлектростанция Hydro Kennebec состоит из двух блоков. Первый блок изображен на переднем плане слева. У него входной канал с большой кривизной завершается прямым водозабором. Второй блок расположен на заднем плане. Его отличительной особенностью является прямая стена перед входом. Оба блока разделены стеной толщиной 1,8 м, высотой на входе в водозабор около 15 м и шириной приблизительно 7 м. Сороудерживающая решетка состоит из пяти толстых двутавровых балок и ряда тонких вертикальных и горизонтальных брусьев, которые в расчет не принимались. Измерительные стойки располагались на расстоянии около 9 м за сороудерживающей решеткой

Сравнение профилей нормализованных амплитудных значений скорости на водозаборах Hydro Kennebec, полученных с помощью ASFM и программного комплекса FLUENT. Различия для второго блока (слева) заставили повысить точность измерений при помощи устройства ASFM

Плотина Hydro Kennebec в Уинслоу (шт.Мэн, США)

12



Компания Electro-Motive Diesel (EMD) является крупнейшим в мире производителем электро-дизельных локомотивов для коммерческого железнодорожного транспорта, включая грузо-вые перевозки, междугороднее и пригородное пассажирское сообщение. С начала 30-х годов компания выпустила более 58 тыс. локомотивов для потребителей из более чем 70 стран. Кроме того, EMD поставляет по всему миру судовые дизельные двигатели, приводы для морских и наземных нефтедобывающих буровых устано-вок, а также стационарные газотурбинные дви-гатели. Штаб-квартира, конструкторское бюро и основные производственные мощности EDM расположены в г.Лагранж (шт.Иллинойс, США). Но окончательная сборка локомотивов прово-дится в Лондоне (провинция Онтарио, Канада). Отсюда изделия отгружаются заказчикам.

Одна из главных новинок компании — электровоз переменного тока SD70ACe с силой тяги порядка 698 кН (тс), что позволяет эксплуа-тировать его для вождения грузовых поездов, а также высокоскоростных поездов при перевозке контейнеров. Возможен вариант исполнения для работы на железнодорожных путях, электрифи-цированных на постоянном токе.

Компания EMD был вынуждена приступить к разработке локомотива SD70ACe, чтобы со-хранить позиции лидера отрасли. В новом элек-

тропоезде должны были сочетаться требования эффективности, надежности, экономичности топлива, безопасности и эргономичности.

Локомотивы должны оставаться безопасны-ми и экономичными на протяжении многих деся-тилетий, перевозя тяжелые грузы в суровых ус-ловиях при минимальных простоях. Большинство машин накручивает миллионы километров уже за первые шесть лет эксплуатации. Срок их служ-бы составляет приблизительно 30 лет, причем некоторые узлы и агрегаты работают и свыше 50 лет. Главной проблемой является долговечность деталей, подверженных многоцикловой усталос-ти от неустранимых динамических нагрузок.

Достижение этих целей при сокращении цикла разработки и максимально ускоренном выходе на рынок чрезвычайно важны для про-изводителя локомотивов. Однако эти большие и сложные машины требуют длительных и доро-гостоящих натурных испытаний. Отдельные ком-поненты и сборочные узлы отличаются массив-ностью, для их перемещения требуется тяжелое подъемно-транспортное оборудование. Напри-мер, стальная конструкция несущей рамы раз-мером 21,3Ѕ3Ѕ0,61 м, соединяющая колесные пары с корпусом локомотива, весит около 33,5 т.

На заключительном этапе транспортные средства проходят испытания на железнодорож-ном полигоне Министерства транспорта США.

Опыт применения ANSYS Mechanical

в дизельном локомотивостроении

Локомотив SD70ACe

С помощью ANSYS была подтверждена несущая способность всех подкрепляющих конструкций на растягивающие и сжимающие ударные нагрузки в 1 млн фунтов

13


Подобные тесты весьма дорогостоящие, и заказывать их нужно заблаговременно. Про-блемы, выявленные во время испытаний, могут потребовать существенных доработок конс-трукции и дополнительных испытаний, что, в свою очередь, повлечет за собой экспоненци-альный рост затрат и существенное увеличе-ние срока выпуска готового изделия.

Компания EMD нашла выход из этой ситу-ации: она применила средства CAE на всех эта-пах проектирования, начиная со стадии эскизно-го проекта. Расчеты проводились для полнораз-мерной 3D-модели локомотива, включающей основные узлы и агрегаты. Благодаря этому EDM удалось свести к минимуму объем натур-ных испытаний, сократить цикл разработки и оп-тимизировать конструктивные характеристики электровоза SD70ACe.

Программный комплекс ANSYS Mechanical стал ключевым инструментом реализации этой стратегии моделирования. Например, перед из-готовлением несущей рамы в металле компания EMD с помощью ANSYS провела проверку, вы-держит ли эта крупногабаритная конструкция при минимизации ее массы растягивающие и сжимающие ударные нагрузки, отвечающие тех-ническим условиям.

ANSYS использовался также для деталь-ного анализа динамики подвески, изолирующе-го крепления кабины и других подсистем в усло-виях вибрации. Кроме того, он применялся при разработке таких узлов двигателя локомотива, как картер, головки цилиндров, шатуны и другие детали, задействованные в возвратно-поступа-тельном движении.

На протяжении всего цикла разработки SD70ACe конструкторы и расчетчики тесно со-трудничали между собой, поэтому инженеры могли в первом приближении анализировать от-дельные детали на ранних стадиях проектирова-ния и оперативно вносить в них изменения.

В повседневной работе группа расчетчиков использовала компьютеры HP X-класса. Полная модель локомотива прогонялась на рабочих станциях HP J6000 под управлением ОС UNIX.

Повсеместное применение ANSYS на про-тяжении всего цикла проектно-конструкторс-ких работ позволило компании EMD выпустить SD70ACe точно в срок и в пределах выделенных средств. Исследуя альтернативные варианты, расчетная группа могла принимать обоснован-ные решения, к примеру добиваясь компромис-сов между требованиями к жесткости, массе и собственным частотам.

Проведенные расчеты сыграли ключевую роль в повышении топливной экономичности изделия при сохранении долговечности и обес-печении комфортных условий для машиниста за счет повсеместного снижения вибрации. Но-вое изделие построено на базе надежных ло-комотивов EMD, которые приводят в движение тяжеловесные составы на железных дорогах всего мира.

Сейчас компания EMD поставила 20 локо-мотивов SD70ACes корпорации CSX и заканчи-вает выпуск партии из 115 локомотивов для же-лезной дороги Union Pacific Railroad. Кроме того, корпорация BHP Billiton Iron Ore Pty. Ltd заказала 14 локомотивов для горных работ на северо-вос-токе Австралии.

В США 16 машин приобрела транспортная компания Montana Rail Link (MRL). Ею были про-ведены испытания электровоза SD70ACe для вождения тяжеловесных составов и подтверж-дена топливная экономичность. Выигрыш соста-вил более 20%.

«Нам не удалось бы создать конкурен-тоспособную конструкцию локомотива без ши-рокого применения CAE-технологии, начиная с формулировки концепции и заканчивая выпус-ком в производство, — заявил руководитель расчетного отдела компании EMD R. Thomas Scott. — Натурные испытания этих больших и сложных конструкций должны быть сведены к минимуму, и нам удалось это благодаря техно-логии численного моделирования, что позволи-ло сориентировать проектные работы в нужном направлении, проверить, выполняются ли тех-нические условия, и оценить окончательный вариант».

Полная трехмерная КЭ-модель локомотива SD70ACe

14



Для изучения поведения защитного ко-жуха из композитного материала, закры-вающего электронные узлы, инженеры финской компании Componeering, Inc. воспользовались расчетными технологи-ями ANSYS. Это позволило им за корот-кий срок разработать новую конструкцию кожуха, которая оказалась на 30% легче своего алюминиевого аналога.

Для научно-исследовательских и разведыва-тельных полетов часто используются низкоор-битальные сверхмалые спутники. Эти системы гораздо меньше крупных космических объек-тов, задействованных в сфере телекоммуника-ций. Их внутреннее пространство очень ограни-ченно, что затрудняет теплоотвод от плотно упа-кованных электронных устройств. Традиционно корпуса электронных узлов спутника изготав-ливаются из алюминия. Это достаточно легкий материал, он обладает приемлемой теплопро-водностью и обеспечивает хорошую защиту от внешней радиации.

В одном из исследований, проведенных недавно Европейским космическим агентст-вом (ESA), изучалась возможность изготовле-ния этих корпусов из композитных материа-лов. Основная задача была сформулирована следующим образом: способны ли подобные материалы при меньшей массе обеспечить та-кой же теплоотвод, что и алюминий? Для этого исследования бельгийская компания Verhaert Design and Development предоставила базовый образец — алюминиевый корпус системы уп-равления информационным и энергетическим оборудованием (ADPMS) сверхмалого спутника Probe 2 (рис. 1 и 2).

Проблемы проектирования изделий из композитных материаловПроектирование конструкций из слоистых ком-позиционных материалов (типа «сандвич») или из многослойных твердых ламинатов связано со многими трудностями, в первую очередь с ани-зотропией упругих свойств материала. Кроме того, проектирование осложняется множеством дополнительных факторов, таких как подбор ма-териалов, определение количества слоев, вза-имная ориентация слоев, последовательность их укладки.

Термопрочностной анализ элементов

конструкции искусственного спутника

Harri Katajisto, Componeering, Inc. (Финляндия)

Рис. 1. Сверхмалый спутник Probe 2 оборудован приборами для наблюдения за солнечной активностью и выполнения прочих метеорологических измерений

Рис. 2. Защитный кожух со снятой задней панелью. Видна слоистая структура композитного материала, а также алюминиевые клиновые фиксаторы и монтажные шины

15


В процессе исследования к корпусу из ком-позитного материала предъявлялись такие же эксплуатационные требования, как и к корпусу из алюминия. Например, защита от радиации на низкой околоземной орбите у него должна быть такой же, как у алюминиевой конструкции с тол-щиной стенок 2 мм. Это условие было выполне-но при помощи вольфрамовой пленки, включен-ной в армированный слоистый пластик (CFRP) наружной панели корпуса. Также необходимо было добиться идентичных алюминиевому кор-пусу механических сопряжений как снаружи (для компоновки кожуха на спутнике), так и внутри (для размещения печатных плат и разъ-емов) конструкции. Эти ограничения усложнили проектирование композитной конструкции, для которой предпочтительной является гладкая форма.

Для улучшения теплоотвода композитная конструкция была снабжена дополнительными слоями пластика, армированного углеродными волокнами K1100. В сочетании с пластиковой матрицей, создающей слоистую основу, эти во-локна обеспечивают в направлении их укладки коэффициент теплопроводности, который в че-тыре раза выше, чем у обычных алюминиевых сплавов. Кроме того, черный цвет углепластика CFRP обеспечивает высокую излучательную способность. Однако в конструктивном плане недостатком волокон K1100 является их очень низкая гибкость. Они легко ломаются при гибке с малыми радиусами.

Еще одна проблема была связана с не-соответствием коэффициентов теплового расширения корпуса из композитного мате-риала, алюминиевых клиновых фиксаторов и опорных конструкций спутника, что при изме-нении температуры приводит к деформации конструкции.

Все это не позволяло использовать тра-диционные методы расчета температурного баланса, НДС конструкции и резонансных час-тот для корпуса. Из-за неизбежных упрощений процедуры расчета многие конструктивные особенности учитывались бы не полностью, поэтому результаты могли оказаться недосто-верными.

Продвинутые расчетные технологииДля решения указанных задач был использован программный комплекс ANSYS Mechanical. Для исследования поведения ламината под воздей-ствием температуры применялась модель, со-стоящая из элементов типа SOLID70 (рис. 3). Анализ результатов показал, что в стационар-ной задаче для тонких ламинатов можно ис-пользовать однослойные элементы, например

SHELL131 с продольной теплопроводностью. Механические сопряжения и клеевые соеди-нения моделировались при помощи тепловых элементов LINK33. Контактное сопротивление определялось в зависимости от характера со-единяемых материалов, шероховатости поверх-ности и контактного давления.

Кроме теплопроводности, в расчетах учитывалась передача тепла посредством из-лучения. Для этого на поверхность элемента SHELL131 накладывался элемент SURF151.

Программный комплекс ANSYS позволяет применять в качестве исходных граничный усло-вий для расчета НДС температуры в узлах «теп-ловой» модели. ANSYS преобразует результаты температурного анализа, записанные в файл *.rth, в эквивалентные векторы сил и моментов, кото-рые используются КЭ-моделью для расчета НДС.

Поскольку неравномерность распределе-ния температур в ламинатах во время работы была незначительной, температурный изгиб был исключен из числа рассматриваемых факторов. Однако его необходимо учитывать при моде-лировании технологических процессов, когда конструкции из ламината соединяются с алюми-ниевыми клиновыми фиксаторами при высоких температурах. В этом случае удалось получить отличные результаты с использованием элемен-тов SHELL181.

Расчеты в ANSYS показали, что при про-дольном расположении слоев волокон K1100 величина теплоотвода частично уменьшается, как это показано на рис. 4. При ориентации волокон K1100 под углом ±30° получается бо-лее равномерное температурное поле, однако сохраняются максимальные значения темпе-ратуры; конструктивно такая укладка волокон допускается.

Рис. 3. Репрезентативная трехмерная модель иллюстрирует изменение температуры по толщине ламината (слева) и большое тепловыделение в двух слоях K1100

16



Для придания жесткости конструкции в материал корпуса было добавлено несколько слоев углепластика M40J. Ориентация и по-следовательность укладки слоев K1100 и M40J выбирались с учетом обеспечения жесткости и приемлемого коэффициента температурного расширения.

Ламинат был спроектирован с помощью специализированного программного продук-та ESAComp (www.esacomp.com). Комплекс ESAComp отлично взаимодействует с ANSYS. Раскладка слоев ламината и данные о мате-риалах могут экспортироваться в ANSYS для композитных твердотельных элементов и обо-лочек. Более того, результаты конечно-элемент-ного анализа в ANSYS могут быть переданы в ESAComp для постпроцессинга. Эта возмож-ность использовалась, например, для изучения критических напряжений в ламинате при меж-слойном сдвиге. Применение APDL облегчило создание расчетных моделей, которые пере-давались в ESAComp для оптимизации конс-трукции. С помощью APDL любое стороннее программное обеспечение может быть включе-но в цикл проектирования.

После анализа температурного состо-яния конструкции в ANSYS Mechanical были выполнены расчеты НДС и собственных час-тот и форм колебаний конструкции вплоть до 800 Гц (рис. 5).

Результаты анализа форм колебаний при случайных вибрациях позволили определить уровни ускорений, необходимые для последу-ющего анализа отказов. Конструкция должна была выдерживать нагрузки с коэффициентом запаса равным двум. Это типичное значение для композитных материалов, используемых в кос-мических аппаратах.

Для расчета НДС конструкции из слоисто-го материала применялись элементы SHELL99,

предназначенные для расчета НДС много-слойных оболочек. Они пригодны для расчета тонких ламинатов, но при этом предусмотрена возможность поперечного сдвига. Болтовые соединения и вставки моделировались с помо-щью элемента BEAM4, позволяющего выделить напряжения смятия ламината и добавить уси-лия отрыва.

Преимущества численного моделированияТермические испытания проводились в ваку-умной камере Европейского центра косми-ческих исследований и технологий (ESTEC) в Нидерландах. Условия соответствовали макси-мальной температуре нагрева оборудования. Результаты испытаний подтвердили правиль-ность оценки уровня теплоотдачи корпуса из композитного материала, полученной при чис-ленном моделировании. Испытания модели на электромагнитном вибростенде были выпол-нены в лаборатории Бельгийской королевской военной академии (г.Брюссель). Исследова-лась реакция на синусоидальные колебания и случайные вибрации. Корпус из композитного материала оказался более жестким, чем его алюминиевый аналог. В целом поведение сис-темы соответствовало результатам численного моделирования.

Совместное использование программных комплексов ANSYS и ESAComp обеспечило на-дежные и достоверные результаты как при рас-чете НДС, так и при анализе температурного со-стояния конструкции. Масса защитного кожуха была уменьшена на 29%. На реализацию проек-та ушло всего 18 месяцев.

Все иллюстрации к данной статье публи-куются с разрешения фирм Verhaert Design and Development и LLS/HUT.

Рис. 4. Температурное состояние верхней части корпуса в зависимости от ориентации волокон в ламинате

Рис. 5. Для расчетов температурного состояния и НДС конструкции использовалась одна и та же модель

17



В данной статье мы расскажем о новых возможностях программного комплекса ANSYS и ANSYS Workbench, связанных с моделированием реального поведения контактирующих тел.

Точный и корректный расчет различных вариан-тов контакта двух и более тел является чрезвы-чайно важной задачей при проектировании сбо-рок с сопрягаемыми деталями, преднапряженных узлов, сварных соединений и т.п. Такие виды кон-тактного анализа должны учитывать далеко не только CAD-геометрию и допуски на размеры.

Во-первых, область контакта в общем случае неизвестна до начала решения задачи. В зависимости от нагрузок, свойств материа-лов, граничных условий и других факторов, по-верхности могут входит и выходить из контакта непредсказуемо и внезапно. Во-вторых, в боль-шинстве контактных задач необходимо учиты-вать трение. Существует несколько законов и моделей трения, и все они являются нелинейны-ми. Реакция на трение может быть хаотической, что значительно усложняет сходимость задачи. Кроме того, многие контактные задачи могут включать различные связанные эффекты, та-кие как теплопроводность, электрические токи и магнитный поток через области контакта.

Как показано в таблице, программный ком-плекс ANSYS содержит полный набор инстру-ментов контактной технологии для проработки различных вариантов контакта и моделирования сборок. Они хорошо работают с нелинейными и

линейными элементами, с широким диапазоном материалов (от металлов до резин), а также со связанными физическими задачами, включая акустику, пьезоэлектричество, термопрочност-ные и термоэлектрические задачи, жидкостно-структурное взаимодействие.

Моделирование контакта в ANSYS WorkbenchANSYS Workbench представляет собой общую платформу для всех расчетов ANSYS и обес-печивает двустороннюю ассоциативную связь с CAD-системами для параметризации анализа. Простая в использовании, эта расчетная среда позволяет конструктору в короткие сроки выпол-нять анализ конструкции и вносить в нее изме-нения по результатам моделирования.

ANSYS Workbench предлагает различные возможности по контактному анализу: автома-тическое определение контакта на CAD-геомет-рии, автоматическое изменение размера расчет-ной сетки в области контакта, предварительное определение поведения контактной поверхности и установки контакта, просмотр и анализ резуль-татов контактного взаимодействия (контактное давление, напряжение, статус и т.д.), а также локальный просмотр результатов для выбран-ных контактных поверхностей.

Workbench предлагает инструменты для ав-томатизации и углубленного анализа контактных задач, что позволяет уменьшить время подготов-ки, расчета и анализа результатов больших сбо-рок на этапе проектирования. В процессе импорта

Мифы о контактных элементах

Часть 3Achuth Rao, ANSYS, Inc.

Technology Node-node Node-surface Surface-surface Line-lineSliding Small Large Large LargePure Lagrange + + + +Augmented Lagrange + + + +Lagrange (normal)/penalty (tangent) + + + +MPC + + +Contact stiffness update Semi-auto Semi-auto Semi-auto Semi-autoLower order + + + +Higher order + (2-D) + +Rigid-flexible + + + +Flexible-flexible + + + +Thermal contact + + +Electric/magnetic contact + + +

«Контактные» возможности ANSYS

18



геометрии из CAD-системы детали в сборке авто-матически проверяются на возможность генера-ции контакта между различными сопрягаемыми поверхностями. По умолчанию контактные пары обрабатываются как bonded contact. Посредством панели установок опций контакта каждая пара может быть настроена индивидуально под требу-емый тип анализа: изменение поведения контакт-ной поверхности, контактный алгоритм, а также такие параметры, как коэффициенты трения и др.

В Workbench также существуют инструмен-ты для контроля качества расчетной сетки при измельчении элементов в локальных контактных областях, интересных в плане конечных результа-тов. Локальный просмотр результатов (Scoped Re-sults) позволяет детально анализировать резуль-таты расчета на отдельных контактных парах.

В последние годы в ANSYS постоянно рас-ширяются возможности контакта применитель-но к целому классу инженерных задач: начиная с возможности моделирования точечной сварки с помощью метода многоточечных связей (MPC-алгоритм) и заканчивая реализацией контакта типа «балка — балка».

Многоточечные связи и точечная сваркаЕсли в модели должно быть учтено трение, а взаимодействие между телами носит связанный характер, то можно применять свойства MPC-алгоритма для создания различных типов кон-тактных сборок и ограничений поверхностей.

Традиционное моделирование точечной сварки требует соответствия расчетных сеток кон-тактирующих поверхностей (совпадения узлов), что представляет значительные трудности и часто сводится к ручному разбиению модели. Причем данный подход не учитывает радиус точечной сварки, что является типичной причиной недо-оценки прочности точечного сварного соедине-ния в тех случаях, когда размер радиуса точечной сварки сопоставим с размером элемента сетки.

Использование технологии MPC для моде-лирования точечной сварки является хорошей альтернативой традиционному подходу. Она позволяет пользователю легко моделировать тонкие листовые детали, которые соединяются между собой точечной сваркой, заклепками или иным крепежом. Точечная сварка может быть создана в любом месте между соединяемыми деталями независимо от характера разбиения на конечные элементы и взаимного расположе-ния узлов. Каждый точечный сварной узел мо-жет соединять две или более поверхностей.

Данная технология имеет ряд важных пре-имуществ:• основное сварное соединение легко опреде-

ляется двумя скрепляемыми поверхностями

и одиночным узлом, называемым узлом сварной точки, на одной из поверхностей;

• учитываются эффекты от радиуса сварной точки, заданного пользователем. ANSYS будет создавать внутренние MPC-связи че-рез две ранее определенные контактные пары, располагающиеся на соединяемых точечной сваркой поверхностях. Внутрен-ние уравнения связи (force-distributed con-straints) связывают совместными переме-щениями узлы на поверхностях, что обес-печивает перемещение сварной точки;

• сварная точка может быть жесткой (по умолчанию) или деформируемой. Задавая деформируемую сварную точку, пользова-тель просто определяет тип элемента как деформируемая балка перед генерацией сварной точки.

Контакт типа «балка — балка»Контакт между балками, которые подвержены существенным перемещениям, встречается во многих практических приложениях: водородные датчики, линии водоснабжения, трубопроводы атомных электростанций, кабели проводов и ка-тушки, производство ткани и сетки для теннис-ных ракеток.

Последние достижения в контактной техно-логии позволяют моделировать двумерный кон-такт типа «балка с балкой» с помощью двумер-ных контактных элементов типа «поверхность с поверхностью», а также трехмерный контакт типа «балка — балка» с помощью новых кон-тактных элементов типа «линия с линией» в про-граммном комплексе ANSYS.

Существует три различных варианта пред-ставления трехмерного контакта типа «балка — балка»:• внутренний контакт, при котором одна балка

скользит по внутренней поверхности другой;• внешний контакт, при котором две балки

можно считать приблизительно параллель-ными, а контакт происходит по их наруж-ным поверхностям;

• внешний контакт, осуществляющийся меж-ду внешними поверхностями балок в точке (скрещивающиеся балки).Контактные и целевые элементы могут быть

прикреплены к трехмерным балкам или к трубам, которые представляют собой элементы 1-го или 2-го порядка. Контакт между двумя балками мо-жет быть как упруго-податливым (flexible-flexible), так и жестко-податливым (rigid-flexible).

В оригинале статья имеет название «Advances in Contact Technology». Перевод Ю.Кабанова (2007) специально для журнала «ANSYS Solutions. Русская редакция».

19



В настоящее время около 60% добываемых ресурсов углеводородов используется в качестве топлива. В то же время нефть и газ служат сырьем для различных отраслей промышленности. Таким образом, нефтегазовая отрасль является ключевым элементом нашей повседневной жизни и важнейшей составляющей мировой экономики.

В наши дни США являются крупнейшим потребителем нефти (25%) и газа (15%). В сентябре 2006 года суточное потребление нефтепродуктов в США составляло 20,5 млн баррелей (~ 2,7 млн т). Прогнозируемый мировой рост потребления углеводородов в следующем десятилетии составляет 22%. Основной рост придется на развивающиеся рынки Китая и Индии. Только эти две страны за период с 1990 года по настоящее время увеличили годовое потребление углеводородов более чем в два раза. Кроме того, согласно прогнозу China’s Sinopec Development Research, ожидается удвоение суточного потребления нефти Китаем в последующие 15 лет до 10 млн баррелей (~ 1,3 млн т).

Наряду с ростом потребления увеличиваются и инвестиции в нефтегазовую отрасль. В отчете известной консалтинговой компании Booz Allen Hamilton отмечено, что из 20 ведущих компаний, с которыми она работает, 80% предполагают увеличение инвестиций в нефтегазовую отрасль в ближайшие пять лет, включая запланированный рост на 30% только в 2006 году.

Риски и неопределенностиДобыча, переработка и транспортировка газа и жидких углеводородов связаны со многими рисками. Это риски пожаров и взрывов, обусловленные взрывоопасностью сырья, и риски, связанные с возможностью загрязнения окружающей природной среды нефтепродуктами и химическими реагентами в случае разрушения трубопроводов или резервуаров. Все это заставляет активно использовать в нефтегазовой отрасли технологии численного моделирования.

Технология бурения и конструкция морских платформ постоянно модернизируются, что увеличивает протяженность бурения, его скорость и эффективность, причем в таких местах, которые ранее считались недоступными. Сегодня рекорд глубины морского бурения превышает 3 тыс. м,

активно разрабатываются месторождения углеводородов на шельфе.

Трубопроводы диаметром более 1 м ежедневно транспортируют свыше миллиона баррелей нефти. Они способны работать в экстремальных условиях, включая температурные перепады от арктического холода до экваториальной жары, а также противостоять сминающим нагрузкам и подводным турбулентным течениям. Крупнотоннажные танкеры способны выдерживать большие продольные и поперечные нагрузки, что делает эти суда безопасными не только для команды, но и для окружающей среды. Постоянно совершенствуется технология переработки нефти и газа.

Применение численного моделирования в нефтегазовой отрасли играет ключевую роль в увеличении добычи нефти и газа, их транспортировки и переработки в продукцию, от которой так сильно зависят люди, компании и государства во всем мире.

Увеличение глубины морского буренияНачало добычи углеводородов на шельфе относится к 1887 году, когда впервые приступили к морскому бурению на тихоокеанском шельфе на расстоянии 100 м от берега. Постепенно глубина добычи нефти увеличивалась, и в связи с этим росло количество инженерных проблем. В настоящее время наибольшая глубина добычи для морской стационарной эксплуатационной платформы составляет 400 м.

Проблема бурения на больших глубинах была решена путем создания плавучих платформ, таких как полупогружные морские платформы (semisubmersible), оснований с натяжным креплением (TLP), платформ типа SPAR и буровых судов (FPSO).

Плавучие платформы работают в тяжелых океанических условиях. При разработке новых проектов учитываются волновые и ветровые нагрузки, океанические течения, соленость воды.

Программный комплекс ANSYS используется большинством крупных проектных организаций, занимающихся проектированием морских платформ и сооружений, например J. Ray McDermott Engineering (JRME) с проектами в Южной и Северной Америке, на Ближнем Востоке, на Каспии и на шельфе Тихого океана.

Нефть и газ Обзор решений ANSYS

20



Изначально использование численного моделирования в нефтегазовой отрасли ограничивалось научноисследовательскими работами и специализированными проектами. Теперь условия возросшей конкуренции требуют модернизации процессов проектирования и производства буровых платформ для создания более эффективных конструкций при низких производственных затратах. Компания JRME ежедневно применяет различные программные модули ANSYS во всех проектах. Процесс проектирования морских платформ включает расчеты НДС конструкций при разных нагрузках, а также согласование с промышленными стандартами.

На практике затраты на инженерные расчеты составляют около 10% от всей стоимости проекта для мелководных платформ и около 50% — для глубоководных и плавучих буровых оснований.

Исследование океанического влиянияПостоянно растущая потребность в газе во всем мире требует поиска новых решений по его транспортировке.

Лихтеровка — перегрузка нефти или газа с больших танкеров на более мелкие суда и дальнейшая перевозка сырья по назначению — является экономичным, а иногда и единственно возможным способом выполнения грузовых операций в портах с узким фарватером, на мелководье или у небольших причалов.

Компания Single Buoy Moorings (SBM) со штабквартирой в Нидерландах и техническими центрами в Монако и Хьюстоне спроектировала плавучее хранилище и регазификатор газа (LNG FSRU), позволяющие производить отгрузку сжиженного газа. Кроме того, была разработана новая система параллельной швартовки для танкеровметановозов со стандартной системой крепления и сетью трубопроводов. В Maritime Research Institute Netherlands были проведены модельные испытания двух параллельно стоящих судов. Грузовые операции моделировались для глубины моря 60 м. Целью калибровки было точное воспроизведение взаимного перемещения судов при нерегулярном волнении. Полученные данные использовались для построения математической модели движения судов в программном комплексе ANSYS AQWA. Корректный расчет относительно малых дрейфовых перемещений двух судов является важной задачей при проектировании системы отгрузки сжиженного газа.

Модельные испытания проводились в закрытом бассейне, в котором создавались колебания с мнимой длиной волны, но с периодом приближенным к истинному. Низкочастотная составляющая колебаний была измерена и отделе

на от теоретической низкочастотной составляющей волнового поля. Затем были рассчитаны и импортированы в ANSYS AQWA добавочные силы от этих паразитных колебаний (с учетом динамики изменения).

Результаты расчета продольных перемещений (сноса) танкеров хорошо согласуются с экспериментальными данными. Калибровка математической модели включала корректное описание волнового поля в бассейне и его изменений, связанных с взаимодействием двух близкостоящих судов.

Компания SBM активно использует результаты подобных численных экспериментов при проектировании безопасного оборудования для грузовых операций и разработки перспективных систем швартовки.

Охрана окружающей средыЕжегодно более 120 млн т сжиженного газа транспортируется между 40 газоприемниками и терминалами с регазификаторами, разбросанными по всему миру. В этом процессе задействовано около 130 крупнотоннажных судов. При подобной статистике велика вероятность взрывов и пожаров, а следовательно, и риск для жизни людей и окружающей среды. Для исследования различных сценариев развития аварийных ситуаций, связанных с транспортировкой или хранением природного газа, может быть использован программный комплекс FLUENT.

FLUENT способен моделировать такой сложный процесс, как горение, отслеживая изменение во времени и пространстве параметров течения: давления, скорости, температуры и концентрации реагентов. На нижнем рисунке показан пример такого расчета. Моделировалась утечка криогенной жидкости из пробоины в танкере и ее растекание по поверхности воды, в том числе расчет процессов испарения, рассеивания плотных газов, воспламенения и горения.

Конечно-элементная модель баржи, построенная средствами PREP7 ANSYS

21


Расчетная область представляла собой полусферу с моделью танкера, «атмосферой» и «океаном». В качестве граничных условий задавались давление, скорость и температура на соответствующих поверхностях. Основным поражающим фактором в данной задаче было тепловое излучение от факела горящей смеси, которое может привести к воспламенению объектов. Численное моделирование позволяет измерить температуру в любой точке. Модель может быть легко изменена для решения множества задач с различным параметрами, такими как переменные погодные условия или размеры пробоины. Кроме того, может быть построена и исследована модель любого рельефа местности. Это помогает правильно выбирать места для строительства газовых терминалов и планировать эффективные меры противопожарной безопасности.

Проектирование оборудования для нефтеперегонных заводовПосле того как нефть обнаружена, извлечена и транспортирована, она попадает в сложную систему трубопроводов, колонн и резервуаров, что, по сути, и является нефтеперегонным заводом. Нефть представляет собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов. Кроме того, в нефти присутствуют различные органические соединения. Получение сырья для производства из нефти многочисленных продуктов различного назначения происходит путем разделения нефти на фракции и группы углеводородов, а также изменения ее химического состава. Все это сложные, многоступенчатые процессы.

Petrobras — бразильская государственная нефтяная компания, одна из крупнейших в мире. Ее исследовательское подразделение CENPES совместно с инженерной компанией ESSS (Engineering Simulation and Scientific Software Ltda) начиная с 2000 года разрабатывает все проекты с применением методов вычислительной гидродинамики (CFD). В большинстве приложений

присутствуют такие явления, как массообмен и передача тепла через межфазную поверхность. Результаты подобных исследований используются для разработки новейшего нефтеперегонного оборудования: установок для коксования, вакуумных ректификационных колонн и пр. Пример расчета ректификационной колонны для разделения подготовленной нефти на различные фракции показан на рисунке.

С помощью CFX была усовершенствована конструкция впускного тракта ректификационной колонны, вакуумного распылителя, оросителя, а также всего внутреннего пространства колонны. С использованием модели свободной поверхности CFX была оптимизирована конструкция коллекторных поддонов и распределителей жидкости керосиновой и дизельной секций.

Помимо этого CENPES успешно решила еще несколько сложных задач, в которых присутствовали многофазные и многокомпонентные потоки и использовались методы VOF, Эйлера — Эйлера и Эйлера — Лагранжа.

Полученные положительные результаты стимулируют Petrobras к расширению практики применения ANSYS CFX для решения разнообразных инженерных задач.

Модельные испытания FSRU (слева) и LNGC в бассейне

Геометрия факела через 2 с после воспламенения (показана изоповерхность минимальной концентрации CO2, раскрашенная температурой)

Ректификационная колонна

22



В статье рассказывается о результатах численного моделирования трехмерного течения в одноступенчатом центробежном компрессоре с диффузором с изменяемой геометрией. Все расчеты были выполнены с использованием программного продукта ANSYS CFX версии 10.0. Рассматривались варианты стационарного и нестационарного течения. В качестве моделей турбулентности применялись модели с двумя уравнениями класса RANS. Расчеты установившегося течения в компрессоре были проведены для двух лопаточных диффузоров с различными радиальными зазорами. Было получено хорошее согласование рассчитанного поля скоростей на выходе из лопаточного аппарата с результатами экспериментальных продувок.

ВведениеЦентробежный компрессор является одним из ключевых узлов газовых турбин, реактивных двигателей, насосов и других устройств. Эф-фективность и надежность компрессора в зна-чительной мере зависит от характера течения в проточной части, которая и будет объектом на-шего исследования.Хорошо известно, что взаимодействие между рабочим колесом и диффузором в центробеж-ном компрессоре существенно влияет на ха-рактер течения и характеристики обоих узлов компрессора. Особенно сильно диффузор под-вержен влиянию течения на выходе из рабочего колеса, что является причиной заметной нерав-номерности потока в области радиального зазо-ра между выходом из рабочего колеса и входом в лопаточный диффузор. Современные техноло-гии численного моделирования нестационарных процессов позволяют корректно спрогнозиро-вать структуру течения в лопаточных диффузо-рах компрессора.

Все расчеты были проведены при помо-щи коммерческого CFD-кода ANSYS CFX 10.0.

Они выполнялись на нескольких гексаэдричес-ких сетках. Точное решение было получено для расчетной области, которая включала два кана-ла рабочего колеса и три канала диффузора, а также для полной 360-градусной модели комп-рессора.

Обзор условий экспериментаСтупень компрессора (рис. 1) состоит из рабоче-го колеса без покрывного диска с 15 лопатками и из диффузора с 23 клиновидными лопатками. Рабочее колесо разработано фирмой MTU Aero Engines.

Диффузор предоставляет возможность плавной независимой регулировки установоч-ных углов лопаток, обозначенных как угол входа в лопаточный диффузор α4SS, и радиального за-

Численное моделирование течения в центробежном

компрессореПавел Смирнов, НТС (Россия)

Thorsten Hansen, Florian R. Menter, ANSYS Germany GmbH (Германия)

Рис. 1. Общий вид ступени компрессора [1]

Рис. 2. Регулируемые геометрические параметры α4SS и r4/r2 [1]

23


зора между выходом из рабочего колеса и вхо-дом в лопаточный диффузор, который задается отношением радиусов r4/r2 (рис. 2).

На рис. 3 в виде жирных линий показаны плоскости замеров. В плоскостях 2М, 7М и 8М были осуществлены замеры параметров уста-новившегося режима. Большая часть замеров была выполнена при частоте вращения ротора около 80% от номинальной.

На рис. 4 показаны характеристики комп-рессора при исследуемой геометрии на задан-ной частоте вращения.

Испытательный компрессорный стенд был спроектирован по замкнутой схеме.

Начальные значения полного давления и полной температуры на входе в компрессор были 0,6 бар и 296 К соответственно. Все изме-ренные величины были приведены к парамет-рам международной стандартной атмосферы (МСА, р = 1,013 бар, Т = 288,15 К). То же самое было сделано и для полученных расчетных дан-ных во время их обработки.

Геометрия и сетка

Стационарная задачаВ данной работе расчеты течения в стационар-ной постановке были сделаны для отношения радиусов r4/r2 равного 1,14 и 1,04. При обоих зна-чениях радиального зазора угол входа в лопа-точный аппарат диффузора α4SS равнялся 16,5°.

Расчетная область для вариантов r4/r2 = 1,14 и r4/r2 = 1,04 является идентичной и показана на рис. 5. Принимая во внимание периодичность процессов, обусловленных вращением рабочего колеса, моделировался только один канал про-точной части как для рабочего колеса, так и для лопаточного диффузора. Торцевой зазор при моделировании по всей длине лопатки считал-ся постоянным. Для всех расчетов его величина была принята равной 0,7 мм (как для холодного и неподвижного ротора).

Для расчетной области с отношением ра-диусов r4/r2 = 1,14 были сгенерированы три топо-логически идентичные гексаэдральные сетки. Полное количество элементов в расчетной об-ласти для грубой, средней и точной сеток рав-но 188 361, 762 695 и 3 001 271 соответственно. Грубая и средняя сетки были сгенерированы под использование пристеночных функций, а точная сетка была построена таким образом, чтобы по-лучить в расчете значение у+ порядка 1.

Для расчетной области с отношением ра-диусов r4/r2 = 1,04 была сгенерирована только средняя сетка, содержащая 745 718 гексаэдри-ческих элементов.

Рис. 3. Плоскости замеров [1]

Рис. 4. Рабочие точки и замеренные характеристики компрессора на частоте вращения 80% от номинальной[1]

Рис. 5. Расчетная область для стационарной задачи

24



Расчетные сетки для впускного и диффу-зорного трактов были построены в ANSYS ICEM CFD. Сетки для рабочего колеса были созданы при помощи программного продукта ANSYS Tur-boGrid. На рис. 6 показаны фрагменты средней расчетной сетки для r4/r2 = 1,04.

Нестационарная задачаРасчеты нестационарного течения были выпол-нены для диффузора со следующими геометри-ческими параметрами: r4/r2 = 1,14 и α4SS = 16,5°. Были опробованы два различных вычислитель-ных подхода.

В первом случае условия периодичности распространялись на два канала рабочего коле-са и три канала диффузора. Сетка для вычис-лений была получена простым копированием грубой сетки из стационарной задачи в направ-лении периферии необходимое число раз. Раз-мерность расчетной сетки составила 444 172 элементов.

Во втором случае использовалась 360-гра-дусная модель ступени компрессора. Количест-во элементов в расчетной сетке для 360-градус-ной модели равняется 2 765 495.

Общие установкиЗа редким исключением, настройки решателя и начальные условия для стационарных и неста-ционарных задач являются идентичными. Поэто-му описанные далее установки одинаковы для обеих задач, если специально не оговаривается иное.

Для расчета компрессора в ANSYS CFX был выбран воздух — идеальный газ (Air Ideal

Gas), а также модель теплообмена Total Energy, учитывающая дополнительный нагрев воздуха, обусловленный сжатием.

Модель турбулентности SST [2] наилуч-шим образом подходит для подобных вычис-лений, а несколько задач были рассчитаны с использованием моделей турбулентности типа k-ε и k-ω. Все указанные модели турбулентнос-ти поддерживают метод пристеночных функ-ций, которые связывают параметры течения с расстоянием от стенки. Это позволяет избе-жать применения очень мелких сеток вблизи стенки.

На входе в компрессор задавалось равно-мерное поле полного давления и полной тем-пературы. Значения этих величин были равны 0,6 бар и 296 К соответственно. Допущение о нормальном угле входа потока вполне коррект-но, так как пограничный слой из входного устрой-ства в значительной мере разрушается перед рабочим колесом. Распределение характерис-тик турбулентности за входным устройством также было принято равномерным со значением интенсивности турбулентности 5%, отношение турбулентной вязкости к молекулярной было принято равным 10.

На стенках налагались условия трения, при расчете уравнения энергии стенки счита-лись адиабатными. На выходе был задан рас-ход газа.

При моделировании одной ступени усло-вия периодичности налагались в направлении вдоль окружности (периферийное направле-ние). Элементы рабочего колеса и диффузора связывались интерфейсной моделью Stage, в которой используется осреднение потоков по окружности с дискретным шагом. Шаг по време-ни был выбран равным 0,003 с, что соответству-ет 15 об./с.

В задаче с двумя каналами рабочего ко-леса и тремя каналами диффузора использова-лась модель интерфейса Transient Rotor-Stator для моделирования реального поведения вра-щающихся деталей.

Моделирование 360-градусной задачи не требовало задания условия периодичности.

Для геометрии диффузора r4/r2 = 1,14, α4SS = 16,5° и r4/r2 = 1,04, α4SS = 16,5° была получе-на сходимость решений в точках [P1, P2, M, S2] и [P1, P2, M] соответственно. Для нестационарной задачи была получена только точка Р1.

Результаты расчетов

Геометрия r4/r2 = 1,14, стационарная задачаСравнение с экспериментальными данными начинается с построения характеристик комп-рессора. Отношение полных давлений и изоэн-

Рис. 6. Фрагменты средней расчетной сетки для r4/r2 = 1,04

25


тропический КПД вычислялись по следующим формулам:

,

.

В эксперименте степень повышения дав-ления рассчитывалась между входным ресиве-ром, где производился замер полного давления и полной температуры, и выпускным каналом. Однако при моделировании входной ресивер и выпускной канал не входили в расчетную об-ласть. По этой причине степень повышения дав-ления и изоэнтропический КПД были рассчита-ны в других геометрических сечениях. Выходное сечение при моделировании располагалось на том же радиусе, что и плоскость замеров 8М

(см. рис. 3), а следовательно, эксперименталь-ные данные снимались с этой плоскости.

На рис. 7 показаны рассчитанные и изме-ренные значения степени повышения давления и изоэнтропического КПД в зависимости от рас-хода воздуха. Сравнивая расчетные значения, полученные на различных сетках, можно отме-тить, что интегральные значения величин, оп-ределенные на средних и точных сетках, очень близки друг к другу.

На рис. 8 приведено сравнение статичес-кого и полного давлений в плоскости 2М, нахо-дящейся на выходе из рабочего колеса. Здесь зависимость от сетки очень слабая. Кроме того, полное и статическое давление было немного выше, чем в эксперименте, но отличие от экс-периментальных данных было постоянным для всех рабочих точек, что говорит о достаточно точном расчете давлений.

Рис. 7. Степень повышения давления πt и изоэнтропический КПД ηstt

Рис. 8. Статическое и полное давление в плоскости 2М

26



На рис. 9 представлены рассчитанные и измеренные (и осредненные по времени) поля скоростей в плоскости 2М. Все двумерные рас-пределения на графиках соответствуют рабочей точке Р1. Расчетные величины были получены на средней сетке.

Можно отметить, что в плоскости, близкой к выходу из рабочего колеса (2М), большинство полей скорости потока смоделировано очень хо-рошо.

Прогнозируемая относительная скорость показывает вихревую структуру, довольно ти-пичную для рабочих колес с обратной круткой лопаток. Таким образом, рассчитанная вихревая зона, представленная областью низких относи-тельных скоростей, больше распространена в периферийном направлении и центр вихревой зоны смещен в сторону повышенного давления. Возможной причиной этого является то, что те-чение через торцевой зазор при моделировании более интенсивное, поскольку реальный тор-цевой зазор не является константой по длине лопатки и уменьшается по мере приближения к выходу из рабочего колеса.

Как экспериментальное, так и расчетное распределение меридиональной скорости име-ет область низких скоростей, расположенную на фронтальной стенке, но при расчете эта область

больше. Распределение окружной скорости ха-рактеризуется областью низких скоростей рядом со ступицей колеса, и снова эта область боль-ше при моделировании, чем при эксперименте. Точка с высокой окружной скоростью рядом со входом в колесо воспроизводится при модели-ровании достаточно хорошо. Распределение аб-солютных скоростей потока качественно схоже с распределением окружных скоростей, поскольку квадратичная составляющая окружной скорости вносит в абсолютную скорость больший вклад, чем меридиональная скорость.

Геометрия r4/r2 = 1,04, стационарная задачаОсновываясь на сравнении результатов, полу-ченных ранее на сетках с различным количест-вом ячеек, вычисления для геометрии диффузо-ра r4/r2 = 1,04 были выполнены только на средней сетке. Во всех расчетах использовалась модель турбулентности SST.

На рис. 10 показаны рассчитанная и изме-ренная степени повышения давления для гео-метрии диффузора r4/r2 = 1,04, α4SS = 16,5°.

Для определения степени повышения давления снова использовалась плоскость 8М, как место с наибольшим радиальным зазором. На том же рисунке для сравнения приведен график для геометрии диффузора r4/r2 = 1,14,

Рис. 9. Скорости в плоскости 2М, данные для рабочей точки Р1: cлева — экспериментальные данные, справа — результаты расчетов в CFX

27


α4SS = 16,5°. Можно отметить, что для r4/r2 = 1,14 градиент распределения степени повышения давления расположен ближе к рабочей точке М, в то время как для r4/r2 = 1,04 градиент на-ходится между рабочими точками Р1 и Р2. Возможно, это связано с тем, что в использо-ванной расчетной модели получаются слишком высокие значения углов атаки при малых вели-чинах зазора, особенно при больших расходах воздуха.

ВыводыРезультаты расчета стационарного течения для радиального зазора r4/r2 = 1,14 можно охаракте-ризовать следующим образом. Распределение степени повышения давления и изоэнтропичес-кого КПД было рассчитано удовлетворительно, по крайней мере для рабочих точек вдали от точки запирания. Абсолютные значения этих характеристик компрессора несколько завы-шены. Распределение интегральных значений давления в радиальном зазоре полностью со-гласуется с результатами эксперимента, и сно-ва абсолютные значения несколько завышены. Средняя сетка состоит примерно из 800 тыс. гексаэдральных элементов, чего вполне доста-точно для расчетов характеристик компрессора и интегральных значений.

На выходе из рабочего колеса получены хо-рошие результаты расчета поля скоростей. Мо-дель турбулентности SST, которая являлась ба-зовой для расчетов, обеспечила лучшее согла-сование окружной и абсолютной скоростей, чем k-ε- и k-ω-модели. Измеренные и рассчитанные меридиональные компоненты скорости хорошо согласуются при всех моделях турбулентности.

В непосредственной близости от входной кромки лопатки диффузора, выше по потоку, все модели дают схожее распределение абсо-лютной скорости. Общее расхождение между результатами эксперимента и расчетами состо-ит в том, что в расчетах максимальное значение скорости смещено к стороне лопатки с повы-шенным давлением.

Для геометрии r4/r2 = 1,04 можно сделать похожие выводы. Снова рассчитанное поле ско-ростей на выходе из рабочего колеса хорошо согласуется с результатами эксперимента. Ниже по потоку, после диффузорного канала, замече-но строгое соответствие между рассчитанным полем скоростей и рабочей точкой компрессора. Лучшая рабочая точка компрессора Р1 рассчи-тана хорошо. Распределение степени повыше-ния давления рассчитано хуже, чем в варианте с большим зазором.

Результаты, полученные для 360-градусной модели и для расчетной области с двумя канала-ми рабочего колеса и тремя каналами диффузо-ра, очень близки. Это позволяет сделать вывод, что для дальнейших расчетов нестационарных течений в компрессоре разумно использовать периодическую конфигурацию «2 в 3», приме-няя более мелкую сетку вместо 360-градусной модели.

[1] Ziegler K.U., (2003), Experimentelle Untersuchung derLaufrad-Diffuser-Interaktion in einem Radialverdichtervariabler Geometrie, D 82 (Dissertation RWTH Aachen),ShakerVerlagAachen,inGerman.

[2] F.R.Menter,M.Kuntz,andR.Langtry.,(2003),TenYearsofExperiencewiththeSSTTurbulenceModel.In:K.Hanjalic,Y.Nagano,andM.Tummers,editors,Turbu-lence,HeatandMassTransfer4,pages625-632,BegellHouseInc.

Рис. 10. Измеренные и рассчитанные значения степени повышения давления для геометрии r4/r2 = 1,04 (слева) и r4/r2 = 1,14

28



В начале этого года вышла новая версия программного комплекса ANSYS, в со-став которого входят, в том числе, гид-рогазодинамический пакет ANSYS CFX и сеточный генератор ICEM CFD. В текущей версии появилось много новых возмож-ностей, наиболее существенные из кото-рых мы и рассмотрим в данной статье.

Новое в ICEM CFD 11.0Основное улучшение связано с появлением дополнительных методов построения сетки (рис. 1‑3). Метод Best Fit Cartesian представляет собой измененный тип декартового метода, ко‑торый входил в 10‑ю версию. В текущей версии с помощью Best Fit Cartesian можно создавать сетки, адекватно описывающие поверхностную

геометрическую информацию. Более устойчи‑выми стали и другие методы получения смешан‑ных гексаэдрических сеток.

Одним из самых ожидаемых методов яв‑ляется Multi‑Zone Meshing, сочетающий в себе традиционный подход к созданию структуриро‑ванной гексаэдрической сетки с автоматичес‑ким Tetra‑методом. Последовательность рабо‑ты здесь следующая: пользователь производит операцию построения топологии на геометрии, затем в автоматическом режиме строит повер‑хностную блочную структуру: Initialize Blocks →2D Surface Blocking. Далее поверхностные бло‑ки с помощью команды 2D to 3D с опцией Fill преобразуются в объемные. Кроме того, если это необходимо, указываются компоненты, вок‑руг 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 аэ‑родинамики.

Новые возможности ANSYS CFX и ICEM CFD версии 11.0

Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

Рис. 1. Метод Best Fit Cartesian

Рис. 2. Метод Hex-Сore с призматическим слоем

Рис. 3. Метод Multi-Zone Meshing

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

29


Для некоторых случаев адаптации гекса‑эдрической блочной структуры возможно при‑менение структуры, которая показана на рис. 4. В данном случае происходит соединение блоч‑ной сетки с разницей размеров в три раза.

Новое в ANSYS CFX 11.0Изменения в новой версии коснулись прежде всего интерфейса пре‑ и постпроцессора. Кро‑ме того, были улучшены показатели быстро‑действия работы как отдельных модулей, так и расчетов в параллельном режиме.

Все основные окна в рабочем проекте не претерпели никаких изменений, дерево мо‑дели теперь имеет полностью древовидную структуру, без закладок. Для решения связан‑ных 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 пол‑ностью интегрирован в среду Workbench. В те‑кущей версии добавилась возможность прово‑дить DOE‑оптимизацию моделей ANSYS CFX с использованием встроенного модуля Design Explorer (рис. 6). Для этого в препроцессоре не‑обходимо определить в качестве входных один или несколько параметров, а в постпроцессоре указать выходные переменные. После этого про‑водится стандартная DOE‑оптимизация или ана‑лиз чувствительности в модуле Design Explorer.

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

Рис. 5. Панель Define Run с закладкой MuliField

Рис. 6. Задание параметра в ANSYS CFX для оптимизации

Рис. 7. Точки интегрирования

Рис. 8. Внешний вид полиэдрической сетки

30



Многочисленные физические модели до‑полнились в 11‑й версии новой моделью тур‑булентности SAS (Scale Adaptive Simulation), относящейся к классу вихревых. Основное отличие от DES‑модели — меньшие требо‑вания к разрешению сетки, что позволяет во многих случаях сократить размерность моде‑ли. Существенно расширился набор моделей взаимодействия основного потока и частиц, в том числе с полидисперсными средами.

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

В многофазных расчетах стал возможен расчет как равновесного, так и неравновес‑ного фазового перехода, в том числе для за‑критических параметров среды и полидиспер‑сных фаз (рис. 9). Для моделирования пара могут использоваться как ранее применявши‑еся RGP‑таблицы, так и стандарт IAPWS‑IF97. Поддерживается переохлажденное и перегре‑тое состояние пара. Моделирование фазовых переходов включает модели образования, укрупнения и дробления частиц в полидисперс‑ных смесях.

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

При расчете связанных задач крайне важ‑но при больших деформациях сетки обеспечить нормальное качество элементов. Специально для этого был улучшен механизм задания так называемой жесткости сетки, или Mesh Stiff‑ness (рис. 10). В зависимости от выбранной оп‑ции предел появления нерасчетных элементов отодвигается.

Кроме того, была улучшена схема дискре‑тизации 2‑го порядка точности для случаев с де‑формируемой сеткой.

Новые возможности также появились в традиционной области применения ANSYS CFX — турбомашиностроении. В препроцессор была включена опция, автоматически определя‑ющая 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.

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

Рис. 9. Неравновесная конденсация пара в сверхзвуковом сопле

Рис. 10. Примеры задания различных опций Mesh Stiffness

Рис. 11. Постпроцессор ANSYS CFX

31


Для более удобной обработки результатов предусмотрен мощный генератор отчетов. В от‑чет могут бы включены все объекты визуализа‑ции, а также созданная пользователем таблица с любыми операциями над расчетными величина‑ми. Кроме того, для более удобной классифика‑ции 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 про‑сматривать 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.

При работе в среде Workbench доступна передача температур и давлений в качестве на‑грузок для расчета НДС в модуль Design Simula‑tion. Это позволяет проводить так называемую одностороннюю передачу данных 1‑way FSI не‑посредственно в среде Workbench (рис. 13 и 14). Для задания двусторонней передачи данных не‑обходимо определить поверхности и задать для них интерфейс Fluid‑Solid Interface, который в дальнейшем будет определен как место переда‑чи геометрической и физической информации. Остальная часть настроек делается при созда‑нии 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 парал‑лельном режиме большую роль играет как эф‑фективность разбиения задачи на части, так и действенность самого решателя. Специально для подобных задач был усовершенствован ме‑тод разбиения, позволяющий уменьшить коли‑чество перекрываемых элементов и оптимально распределить модель по расчетным узлам.

В ANSYS CFX 11.0 появилась поддержка операционной системы Windows XP 64. Это сни‑мает ограничения адресации памяти для преды‑дущей 32‑разрядной платформы. Максимальный теоретический размер адресуемой памяти для Windows XP 64 составляет 16 384 байт, что со‑ответствует 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.

В модули, предназначенные для профи‑лирования и генерации сетки в турбомашинах, тоже внесены дополнения. BladeModeler теперь полностью интегрирован в среду Workbench, что позволяет передавать геометрическую инфор‑мацию после профилирования как в TurboGrid, так и в Design Modeler для получения твердо‑тельной структурной модели.

Рис. 12. Сравнение результатов расчета в ANSYS CFX

Рис. 13. Расчет температурных полей в ANSYS CFX

Рис. 14. Расчет термопрочностной задачи

32



Модуль Vista‑CCD, позволяющий произ‑водить 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 доба‑вились опции определения направления вытяж‑ки лопатки.

В опциях построения периодичных поверх‑ностей предусмотрена возможность выбора меж‑ду 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 возмож‑ность создания сетки для лопаточных машин с подрезанными лопатками, или splitters (рис. 17). Обновились опции по работе с ножевыми и пря‑моугольными кромками и по изменению тополо‑гии сетки.

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 мно‑гофазными и многокомпонентными течениями с химическими реакциями. Решение связанных термопрочностных и жидкостно‑структурных задач позволяет перейти на качественно новый уровень точности расчета.

Больше узнать о новых возможностях про‑дуктов ANSYS вы можете на наших семинарах или у наших специалистов в офисе.

Рис. 15. Панель модуля Vista-CCD

Рис. 16. Выбор между трехгранным типом и сплошным

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

33



В 11-й версии ANSYS Workbench в расчет-ном модуле DesignSimulation появился ре-шатель для проведения кинематического анализа абсолютно жестких тел, а также реализована возможность решения НДС одного из тел как деформируемого при расчете динамики, когда остальные тела в исследуемой системе являются абсо-лютно жесткими.

В DesignSimulation (DS) в разделе дерева, ко-торый описывает геометрическую модель (по умолчанию он называется Geometry), задается определение для тел — деформируемые они или абсолютно жесткие (Flexible/Rigid). Примеры описания абсолютно жесткого и деформируемо-го тела представлены на рис. 1.

Далее необходимо задать новый расчет New Analysis и выбрать соответствующий тип расчета. На рис. 2 показаны опции окна свойств расчета, соответствующие расчету кинематики (Rigid Dynamic) в DS.

Эта технология использует конечный элемент многоточечных связей MPC184 Joint Element, в котором реализована возможность задания кинематических связей между узлами. Более подробная информация об элементах MPC184 Joint Element изложена в документации к программному комплексу ANSYS 11.0.

При кинематическом расчете абсолют-но жестких тел в расчетной модели объемные звенья представляются элементами MASS21. Если наложенная кинематическая зависимость требует решения задачи для соприкасающихся поверхностей (например, для кинематической зависимости поступательного скольжения тяги

в гидроцилиндре — MPC184 Translational Joint Geometry), то могут создаваться оболочечные элементы типа SHELL181. Пример конечно-эле-ментной модели механизма показан на рис. 3.

В разделе Connections, описывающем взаимодействие тел друг с другом, необходимо

Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

Рис. 1. Описание тела: а — абсолютно жесткого; б — деформируемого

Расчет динамики твердых и деформируемых тел в модуле

DesignSimulation

Вы спрашивали —мы отвечаем

A

б

34



создать кинематические связи (Joints). Преду-смотрена возможность автоматического опре-деления связей. Для этого в контекстном меню правой кнопки мыши при выборе раздела Con-nections надо выбрать пункт Create Automatic Joints. Затем, если некоторые связи определи-лись неверно, необходимо вручную их отредак-тировать для правильного описания работы зве-ньев всего механизма.

На практике более удобно задавать кине-матические связи вручную, используя средства контекстной панели Connections, которая по-является при выборе этого раздела в дереве. Средства создания кинематических связей кон-текстной панели Connections представлены на рис. 4.

Для проверки правильности задания кине-матической связи лучше использовать опцию Configure (рис. 5).

Обратите внимание, что в окне свойств для выбранной на рис. 5 кинематической связи

Translational — gidrocilindr To tyaga отсутствуют параметры трения. Для задания параметров трения для элемента MPC184 Translational Joint можно использовать объект Commands. При-мер задания параметров трения указанным спо-собом показан на рис. 6.

Далее задается граничное условие для одной из кинематических связей. В зависи-мости от типа кинематической связи это мо-жет быть перемещение, скорость, ускорение, сила, угол вращения, скорость вращения, ускорение вращения или момент. Доступные опции для объекта Joint Condition представ-лены на рис. 7.

Пример задания изменения силы поступа-тельного движения тяги от времени представлен на рис. 8.

После задания кинематических связей в разделе Analysis Settings задаются параметры решателя. Один из вариантов настройки пара-метров решателя показан на рис. 9.

Рис. 2. Выбор типа расчета Rigid Dynamic

Рис. 3. КЭ-модель механизма

Рис. 4. Список доступных кинематических связей

Рис. 5. Пример работы опции Configure

Рис. 6. Пример использования объекта Commands

Рис. 7. Опции объекта Joint Condition

35


Для абсолютно жестких тел проводится ки-нематический анализ, после чего можно ознако-миться с типовыми результатами теории машин и механизмов (рис. 10).

Результаты расчета могут быть представле-ны как в виде контуров, так и в табличном виде по всей длине временной шкалы Timeline (рис. 11). Доступна анимация работы механизма.

Далее рассмотрим пример расчета НДС од-ного из звеньев механизма 3D-модели, постро-енной в модуле DesignModeler (рис. 12). Предпо-лагается выполнить расчет НДС вилки (рис. 13).

Выбираем тип анализа — Flexible Dynamic и определяем вилку как деформируемое тело (см. рис. 1б и 14).

Расчетная КЭ-модель в данном случае будет содержать, помимо элементов MASS21 и MPC184, необходимых для расчета кинемати-ки, объемные элементы SOLID187 для решения

Рис. 8. Пример задания силы поступательного движения тяги от времени

Рис. 9. Настройки решателя

Рис. 10. Результаты расчета кинематики

Рис. 11. Результаты кинематического расчета

Рис. 12. 3D-модель механизма

36



НДС. Пример КЭ-модели для раздела Flexible Dynamic показан на рис. 15. Все необходимые опции решения НДС вилки в динамике Analysis Settings представлены на рис. 16.

Данные для изменения силы поступатель-ного движения тяги от времени при расчете НДС задаются иначе, чем при расчете кинематики абсолютно жестких тел. Пример задания изме-нения силы поступательного движения тяги от времени показан на рис. 17.

На рис. 18 приведены результаты расчета НДС вилки в динамике.

Заметим, что данная статья носит лишь ознакомительный характер и не претендует на полное и детальное изложение процедуры рас-чета динамики твердых и деформируемых тел (ANSYS Rigid & Flexible Dynamics 11.0) в модуле DesignSimulation среды ANSYS Workbench 11.0.

Рис. 13. Модель вилки

Рис. 14. Выбор типа анализа

Рис. 15. Конечно-элементная модель вилки

Рис. 16. Опции решения НДС вилки в динамике

Рис. 17. Пример задания изменения силы поступательного движения тяги от времени

Рис. 18. Результаты расчета НДС вилки

37



Среди промышленного оборудования значительную часть занимают различ-ные лопаточные машины: газовые комп-рессоры и турбины, жидкостные и пуль-повые насосы. Различают три основных типа лопаточных машин: осевой, ради-альный и диагональный.Лопаточная машина обычно состоит из нескольких функциональных узлов: ста-тора, ротора и корпуса. Лопатки ротора могут иметь как консольную конструк-цию, так и различные варианты закрытой конструкции. Эффективность работы ло-паточной машины, ее основные парамет-ры сильно влияют на эффективность ра-боты всей установки.

Традиционно в программный комплекс ANSYS CFX входят специализированные модули для проектирования лопаточных машин различ-ных типов. В данный момент эта линейка состоит из следующих продуктов: BladeMod-eler — модуль для создания геометрии, Tur-boGrid — модуль для создания гексаэдричес-кой сетки и ANSYS CFX Turbo PrePost — спе-циальный режим работы пре- и постпроцес-сора CFX.

Создание геометрии в BladeModelerBladeModeler (BM) позволяет профилировать геометрию лопаточной машины и получать на выходе параметризованную модель. Для этого в BM есть набор исходных шаблонов геометрии. Примеры шаблонов показаны на рис. 1-3.

В этой панели задаются основные точки для построения меридионального сечения лопа-точной машины. Осью вращения по умолчанию является ось Z.

Проектирование лопаточных машин

Часть 1

Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

Рис. 2. Шаблон для осевой машины

Рис. 1. Шаблон для центробежного компрессора Рис. 3. Шаблон для центростремительной турбины

38



В зависимости от типа машины и исходных данных по профилированию толщины лопаток используются два основных метода: Ang/Thk (угол/толщина) и Prs/Sct (спинка/корытце). В первом из них задается изменение толщины по длине хорды и закрутка лопатки относительно оси вращения (рис. 4), а во втором — основные лопаточные углы, а профиль определяется зада-нием сплайна (рис. 5).

Здесь же указывается количество лопаток и количество сечений по высоте лопатки для построения объемной модели и для дальнейше-го экспорта. После подтверждения задания ис-ходной геометрии BM генерирует исходный вид лопаточной машины.

Рабочая область состоит из нескольких окон: в верхнем левом углу показывается ме-ридиональная проекция, справа вверху — вне-

Рис. 4. Задание закрутки и толщины лопатки Рис. 5. Пример использования метода Prs/Sct

Рис. 6. Рабочее окно проекта

39


шний вид машины, внизу расположены графи-ки изменения установочных углов и толщины лопаток в текущем сечении (рис. 6). Для изме-нения геометрических характеристик можно пользоваться непосредственно сплайнами на графиках (рис. 7).

Также можно редактировать координаты точек (узлов) сплайна. Для этого необходи-мо навести курсор мыши на точку и дважды щелкнуть по ней. При необходимости в кон-текстном меню можно изменить тип сплайна (рис. 8).

Рис. 8. Выбор типа сплайна

Рис. 9. Профиль лопатки

Рис. 10. Доступные форматы экспорта данных

Рис. 11. Импорт геометрии в TurboGrid

Рис. 12. Интерфейс TurboGrid

Рис. 7. Редактирование сплайнов

40



В случае задания профилирования методом Ang/Thk в нижних окнах выводятся лопаточный угол и толщина по длине хорды. Если использу-ется метод Prs/Sct, то в нижнем окне показыва-ется профиль в текущем сечении (рис. 9).

Образующие профиля также редактируют-ся изменением положения опорных точек сплай-нов или изменением углов. Для переключения активного сечения применяется контекстное меню на окне с общим видом модели.

После редактирования модели и создания требуемой геометрии выполняется экспорт дан-ных в формат передачи геометрии для сеточно-го генератора.

Экспорт данных возможен как в форматы сеточных генераторов TurboGrid и ICEM CFD, так и в стандартные форматы CAD-систем (IGES, DXF и др.) — рис. 10.

При экспорте в формат TurboGrid создает-ся несколько файлов, содержащих информацию по профилю и меридиональным обводам. Далее эти файлы импортируются в TurboGrid.

Создание сетки в TurboGridИмпорт данных из BladeModeler осуществляет-ся через меню Load Curves (рис. 11). Необхо-димо указать файлы с расширением *.curve для трех типов: hub — втулка, shroud — периферия

и blade — лопатка. Затем нужно задать общее количество лопаток и тип обработки входных и выходных кромок: радиусное скругление, ноже-вая кромка или торцевание.

После этого TurboGrid генерирует поверх-ности для создания сеточной топологии.

Рабочая область TurboGrid включает окно с моделью и деревом проекта (рис. 12).

Для создания сетки нужно выбрать топо-логию структуры в меню Topology set и ука-зать необходимое количество узлов в сетке в Mesh Data. Там же настраиваются параметры «О»-сетки в пристеночной области. После под-тверждения создается сеточная структура, в которую можно вносить изменения, перемещая узлы топологии (рис. 13).

Генерация сетки производится в меню Сreate → Mesh. Для созданной сетки необходи-мо выполнить операцию анализа качества Mesh analysis (рис. 14).

Расчетная сетка не должна содержать от-рицательных объемов. В случае их наличия вы-водится предупреждение сразу после создания сетки. Все остальные критерии определяются пользователем. Иногда элементы в пристенных областях выходят за пределы диапазона критери-ев при анализе качества. Следует помнить, что к данным элементам такой подход не применяется.

В случае необходимости можно изменить не только общий размер сетки, но и количест-во элементов по отдельным направлениям. Для некоторых случаев может потребоваться созда-ние дополнительных входных и выходных зон. Это можно сделать через меню Mesh topology, включив опции Inlet domain и Outlet domain.

Экспорт полученной сетки осуществляется через меню File→Save Mesh. Кроме имени фай-ла, необходимо указать размерность единиц сетки (рис. 15).

Расчетная сетка импортируется в ANSYS CFX через формат файла *.gtm.

Рис. 13. Блочная структура и внешний вид сетки

Рис. 14. Статистика для сетки

Рис. 15. Выбор решателя и единиц измерения

41



При проектировании сложных конс-трукций одной из актуальных задач является оптимизация ее элементов. В расчетной среде ANSYS Workbench начиная с версии 7.0 присутствует спе-циализированный модуль для решения задач оптимизации — ANSYS DesignX-plorer. Этот модуль постоянно развива-ется и дополняется новыми алгоритма-ми оптимизации. В данной статье будут изложены основные принципы работы и взаимодействия различных модулей среды ANSYS Workbench при решении несложной типовой задачи оптимиза-ции конструкции.

В качестве примера рассмотрим поиск оптимальных значений размеров выбранных поперечных сечений элементов конструкции опоры самоподъемного морского бурового основания для достижения минимального веса конструкции при условии соблюдения заданных прочностных характеристик.

Модель строится из балок средствами Concept модуля DesignModeler (рис. 1).

Обратите внимание на окно системы управления параметрами (рис. 2), в котором ключом ds_ отмечены те параметры, которые могут быть в дальнейшем использованы при оптимизации конструкции. Например, параметр ds_h_yarus позволяет задавать высоту ярусов фермы. На рис. 3 показаны результаты изменения значения этого параметра в модели с 5 (см. рис. 3а) до 2 м (см. рис. 3б).

Параметр ds_tol_prof регулирует толщину поперечного сечения профиля основных вертикальных стоек фермы (рис. 4а и б).

Далее построенная геометрическая модель автоматически загружается в расчетный модуль ANSYS DesignSimulation, в котором рассчитываются параметры с ключом ds_ в имени.

Параметры, которые участвуют в оптимизации, помечаются флагами P. Затем генерируется расчетная сетка, задаются граничные условия и определяются объекты результатов расчета.

Поскольку реальная модель фермы имеет 28 ярусов, а следовательно, КЭмодель получается довольно большой, изменим значение параметра ds_n_yarusov на 6. Причем сделаем это в расчетном модуле DesignSimulation и удостоверимся, что изменения произойдут и в геометрической модели модуля DesignModeler (рис. 5 и 6).

Выбранная опция Update: Use Simulation Parameter Values позволяет перестроить геометрическую модель на основе изменения па

Оптимизация конструкций

в ANSYS DesignXplorerАлександр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

Рис. 1. Окно модуля DesignModeler с моделью из линий (балок) и с дополнительным окном параметров

Рис. 2. Окно системы управления параметрами модуля DesignModeler

42



раметров в расчетном модуле DesignSimulation. Опция Update: Use Geometry Parameter Values, наоборот, изменяет расчетную модель в модуле DesignSimulation на основе изменений в геометрической модели.

После расчета определим максимальное значение напряжений (зависящее от значений напряжений растяжениясжатия и изгибных напряжений) как минимизируемую целевую функ

Рис. 3. Изменение величины параметра, описывающего высоту яруса фермы, с 5 (а) до 2 м (б)

Рис. 4. Изменение параметра, описывающего толщину профиля стоек, с 0,01 (а) до 0,05 м (б)

Рис. 5. Расчетная модель фермы в модуле ANSYS DesignSimulation с переданными параметрами

Рис. 6. Обновление значений параметров в DesignModeler

Рис. 7. Результаты расчета для балочной модели и задание максимальных значений Combined Stress в качестве целевой функции

A б

A б

43


цию (рис. 7). В качестве второй целевой функции выберем вес конструкции (рис. 8). Таким образом, мы будем проводить многокритериальную оптимизацию конструкции опоры.

После этого в окне проекта (рис. 9) можно выбрать один из способов генерирования входной популяции переменных.

Далее в окне модуля DesignXplorer определим, какие исходные переменные будут использоваться при оптимизации конструкции, и зададим диапазоны изменения этих переменных (рис. 10).

Далее выполняется решение для заданных диапазонов входных параметров и для ряда вариантов входных параметров (в данном примере — 15 вариантов Design Point). После решения можно построить диаграммы изменения целевых функций в зависимости от популяции входных параметров. На рис. 11 показана диаграмма, описывающая изменение целевой функции (массы) в зависимости от изменения двух входных параметров, определяющих размеры поперечных сечений.

Рис. 8. Задание массы конструкции как целевой функции

Рис. 9. Задание популяции входных переменных методом планирования эксперимента (Design of Experiments, DOE)

Рис. 10. Окно модуля DesignXplorer, в котором задаются диапазоны изменения входных переменных

Рис. 11. Диаграмма изменений целевой функции

Рис. 12. Диаграмма, описывающая долю влияния трех входных параметров на целевую функцию (массу конструкции)

44



После анализа отклика целевых функций на изменение входных данных задаются приоритеты (Importance) или весовые характеристики для входных параметров и целевых функций (рис. 13). Кроме того, необходимо решить, к какому значению следует привести входные параметры и целевые функции (максимальному, минимальному или среднему). В терминах модуля DesignXplorer — это Goal Driven Optimization.

Мы задали следующие приоритеты для поиска наиболее оптимальных вариантов:• для двух внутренних диа

метров поперечных сечений труб необходимо получить максимально возможные размеры; приоритет этой задачи — средний;

• для толщины прямоугольной трубы необходимо получить максимально возможное значение; приоритет этой задачи — средний;

• для значения массы — значение минимальное с высоким приоритетом задачи;

• для значений напряжений, описывающих совокупное НДС для балок Combined Stress, — минимальное значение; уровень важности этой задачи — средний.Задан диапазон вариантов

для обработки выборки Sample Generation — 10 000.

После этого можно выполнить поиск наиболее удачных вариантов по заданным критериям.

Заключительный этап процесса оптимизации — это оценка полученных результатов и выбор наиболее приемлемого варианта конструкции с точки зрения ее технологичности (рис. 14).

В данной статье мы рассмотрели только один алгоритм оптимизации — Design of Experiment, но, кроме него, в DesignXplorer реализованы следующие алгоритмы: Variational Technology, Six Sigma Analysis, MonteCarlo Analysis и NPQL.

Модуль оптимизации позволяет работать с входными файлами ANSYS, написанными на APDL (рис. 15). Предусмотрена также возможность подключения программ других разработчиков (рис. 16). Доступны примеры оптимизации в DesignXplorer КЭмоделей, созданных в ANSYS ICEM CFD.

Рис. 15. Использование файлов APDL

Рис. 13. Задание приоритетов для генерации наиболее удачных вариантов из выборки

Рис. 14. Три варианта геометрии Candidate Designs, наиболее подходящие к заданным критериям

Рис. 16. Схема взаимодействия сторонних программ с DesignXplorer

45



В настоящей статье приводится описание новых контактных элементов ANSYS 11.0.

Последняя версия ANSYS 11.0 представляет собой дальнейшее развитие единой среды программного комплекса ANSYS и включает интегрированный набор продуктов ANSYS, ANSYS CFX и ANSYS ICEM CFD, а также новые улучшения расчетной среды ANSYS Workbench. Все это позволяет пользователю работать в объединенной среде моделирования и решать широкий круг промышленных и научных задач, в том числе выполнять расчет вращающихся машин, композитов, литья и штамповки металлов, микроэлектронных устройств, нестационарных турбулентных течений и создавать расчетные сетки для тонкостенных конструкций с учетом сварных швов. Кроме того, появились новые возможности для моделирования и расчета контактных задач благодаря улучшениям, внесенным в основные контактные алгоритмы, и появлению новых контактных элементов.

Основные свойства элементов типа «Линия с поверхностью»В ANSYS 11.0 появился новый контактный элемент CONTA177, позволяющий моделировать трехмерный контакт между деформируемыми сегментами линии или кривой и сегментами трехмерной поверхности (TARGE170). Элемент CONTA177 можно применять как для моделирования контакта между трехмерными балочными и твердотельными, так и между оболочечными и твердотельными конструкциями (контакт между

ребром оболочечного элемента конструкции и гранью твердого тела). В этих случаях элемент CONTA177 может создаваться на основных элементах типа Beam или Pipe и на ребрах оболочечных элементов (Shell).

Элемент CONTA177 (см. рисунок) используется совместно с элементами BEAM4, BEAM24, BEAM188, BEAM189, PIPE16, PIPE20 и оболочками первого и второго порядка SHELL181 и SHELL281.

Элемент CONTA177 определяется двумя узлами в случае, если основные балочные или оболочечные элементы модели не имеют срединных узлов, либо тремя узлами в случае квадратичных элементов. Каждый узел элемента имеет три степени свободы: линейные перемещения UX, UY, UZ. Ось Х направлена вдоль линии, соединяющей узлы I и J. Корректное расположение узлов контактного элемента CONTA177 играет важную роль при генерации контактной пары. Узлы должны быть упорядочены равномерно по длине линии.

Элемент CONTA177 поддерживает нелинейности, большие прогибы, опцию рождения и смерти элементов, а также функцию debonding, которая будет описана далее.

Учет тренияЭлемент CONTA177 поддерживает изотропную и ортотропную модели трения Кулона. В случае изотропной модели трения задается один коэффициент трения MU с помощью команды ТВ (рекомендуется) или MP. Ортотропная модель трения требует учета двух коэффициентов трения MU1 и MU2, соответствующих главным направлениям.

Основные допущения и ограниченияПри работе с элементом CONTA177 необходимо учитывать следующие особенности:• при задании величины перемещения кон

тактной поверхности CNOF учитывается эффект толщины основных балочных элементов со стороны контактной поверхности;

Контактные технологии в действии

Часть 1

Юрий Кабанов, ЗАО «ЕМТ Р»

Элемент CONTA177

46



• учитывается толщина основных оболочечных элементов со стороны целевой поверхности путем установки опции элемента KEYOPT (11) равной 1;

• поскольку элемент CONTA177 является нелинейным, требуется применение полного метода Ньютона — Рафсона в опциях решателя (NROPT = Full NR);

• коэффициент нормальной контактной жесткости FKN не должен быть слишком большим во избежание появления численной неустойчивости решения;

• параметр FKN должен быть достаточно малым по величине в случае применения расширенного алгоритма Лагранжа (Augmented Lagrange Method) и задания допуска на проникание FTOLN;

• для таких типов анализа, как модальный, при анализе потери устойчивости считается, что начальный статус элемента не изменяется;

• элемент CONTA177 подходит для применения в нелинейном статическом и в полном нелинейном переходном анализах (nonlinear full transient analyses).

DebondingНовая операция debonding применяется для моделирования процесса расслоения материала, состоящего из нескольких слоев, контакт между которыми определялся как bonded с опциями контактного алгоритма Augmented Lagrange Method или на основе метода Pure Penalty Method. Зона когезии (сцепления) слоев материала должна быть использована для определения поведения сцеплениярасцепления контактного интерфейса. Функцию debonding поддерживают следующие контактные элементы: CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174, CONTA175, CONTA176 и CONTA177.

Улучшения в MPC-алгоритмеИзменения в контактных и целевых элементах, внесенные в ANSYS 11.0, значительно улучшили выполнение контактного анализа на основе многоточечных связей (MPCcontact). Предыдущая версия MPCконтакта с возможностью большого вращения основывалась на допущении относительно малых шагов вращения. Это ограничение в 11й версии ANSYS было устранено, что позволило повысить точность и сходимость решения на основе МРСконтакта с типом контакта bonded или no separation.

Опция KEYOPT (4) элементов TARGE169 и TARGE170 позволяет контролировать индивидуальные степени свободы при работе с большими сборками, состоящими из оболочечных или твердотельных элементов с МРСконтактом.

47


Аппаратное обеспечение

Подавляющее большинство пользователей программных продуктов ANSYS в ходе их освоения и использования рано или поздно приходит к решению задач большой размерности. Во многих расчетных случаях дальнейшее увеличение точности расчета возможно лишь при учете всех особенностей геометрии или работы в составе сборки. В процессе поиска оптимального решения порой необходимо рассмотреть десятки, а иногда и сотни вариантов для нахождения требуемого критерия, что ведет к увеличению как размерности расчетной модели, так и времени счета.

Для многих пользователей одним из важнейших критериев при выборе программных продуктов фирмы ANSYS, Inc. является возможность решать в них задачи подобного класса, используя технику параллельных вычислений на различных платформах.

Для решения задач большой размерности в ANSYS, кроме значительных вычислительных ресурсов, требуются еще и лицензии для распараллеливания на дополнительные ядра (подробнее см. «Параллельные вычисления» в разделе «Решения» на сайте www.ansys.msk.ru).

В настоящей статье будут рассмотрены два программных продукта ANSYS: решатель ANSYS и решатель ANSYS CFX.

Обращаем внимание читателей на то, что начиная с версии 11.0 изменяется лицензирование распараллеливания решателя. Решатель ANSYS 11.0 использует лицензию на распараллеливание решения ANSYS Mechanical HPC (High Performance Computing, HPC). Теперь это лицензия на каждый дополнительный процессор/ядро после второго. Как и ранее, при применении двух процессоров/ядер для решателя ANSYS дополнительная лицензия на параллельность не требуется.

Изменена также процедура запуска решателя ANSYS как в режиме распараллеливания с общей памятью Shared Memory Parallel (SMP), так и в режиме распределенной памяти Distributed Memory Parallel (DMP).

Для распараллеливания решателя ANSYS удобнее применять вычислительные системы, в которых используется режим распараллеливания с общей памятью Shared Memory Parallel (SMP), так как при этом не требуется покупать и конфигурировать высокоскоростной сетевой интерконнект (Infiniband, Myrinet, Quadrics) и настраивать специальное программное обеспечение для управления передачей данных между вычислительными узлами Message Passing Interface (MPI).

В дистрибутивах ANSYS для операционных систем Microsoft Windows есть бесплатная свободно распространяемая реализация MPI — MPICH2. Для установки MPICH2 на операционных системах Microsoft Windows необходимо применять MS Development Environment, Visual

Параллельные возможности ANSYS

Михаил Плыкин, Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

Сергей Абузаров, Александр Буров (директор по маркетингу),

ETegro Technologies

Александр Анциферов (технический директор по продуктам SGI), Юрий Дроненко (генеральный директор),

Михаил Назаров, ARBYTE Computers

Виталий Сайфуллин (старший консультант), Novell, Inc.

Таблица 1. Возможности распараллеливания решателей ANSYS

Solvers/Feature Shared-Memory Distributed ANSYSPCG Да ДаJCG Да ДаDistributed sparse – ДаAMG Да –Sparse Да Да*

ICCG Да –

Формулировки элементов и вычисление результатов

Да Да

*Работает в режиме shared-memory parallel только на локаль-ном компьютере. Формулировки элементов и вычисление результатов при этом будут выполняться в режиме distributed-memory parallel.

48



Studio или gcc для компиляции C/C++ MPIпрограмм и Intel Fortran 8.0 или g77 для компиляции Fortran MPIпрограмм. Также можно использовать Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI) для Windows 64bit / Windows Server 2003 x64 и Windows Compute Cluster Server 2003.

Для Linux Intel (включая EM64T) и AMD (32 и 64 бит) применяется HP MPI 2.2.2.

Для других операционных систем сведения приведены в документации ANSYS.

При выборе типа решателя следует принимать во внимание следующие соображения.

Решатель PCG оперирует малыми значениями операций вводавывода дисковой системы (I/O), поэтому его использование на одном компьютере при решении нескольких процессоров дает хорошее быстродействие, так как эти процессоры оперативно обмениваются информацией друг с другом по общей системной шине. Решатель DSPARSE по умолчанию работает в режиме вне диапазона оперативной памяти. При этом он оперирует большими значениями операций вводавывода дисковой системы (I/O).

Запуск решателя ANSYS в режиме распараллеливания возможен в двух вариантах: с командной строки в пакетном режиме и с помощью ANSYS Product Launcher. Для Windows x64 при использовании Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI) необходимо применять Job Scheduler, а при использовании ANSYS Workbench — Remote Solve.

В данной статье представлены результаты тестов решателей ANSYS 11.0 и CFX 11.0, выполненных совместно компанией ЗАО «ЕМТ Р», официальным дистрибьютором ANSYS, Inc. в России, и ее партнерами по аппаратновычислительным комплексам — компаниями ARBYTE Computers и ETegro Technologies.

Тестирование ANSYSДля тестирования распараллеливания аппаратновычислительных комплексов с использованием решателя ANSYS была выбрана модель кронштейна забустерной части управления несущего винта вертолета. Конечноэлементная сетка для модели показана на рис. 1.

Модель состоит из 949 218 элементов SOLID185 c четырьмя узлами. Размерность задачи составила 578 498 степеней свободы (DOF). Последовательно рассматривалось пять вариантов нагружения.

Тип анализа — статический. Применялся решатель SPARSE MATRIX DIRECT SOLVER в режиме Shared Memory Parallel (SMP).

Решение осуществлялось как на рабочих станциях и серверах начального уровня под управлением различных операционных систем, так и на мощных серверах.

Результаты тестирования для рабочих станций и сервера начального уровня приведены на рис. 2. Высота столбцов диаграммы показывает время решения задачи в минутах.

Результаты тестирования на мощных серверах представлены на рис. 3. Решения на платформе AMD получены на серверах ETegro Technologies под управлением операционной системы Novell SuSE Linux Enterprise Server 10. Решения на платформе Intel Xeon получены на серверах ARBYTE Computers под управлением операционной системы Red Hat Enterprise Linux 4.

За рамками тестирования была успешно проведена настройка и конфигурирование решателя Distributed Memory Parallel (DMP) для двух вычислительных узлов на платформе AMD компании ETegro Technologies, соединенных с помощью высокоскоростного сетевого интерконнекта Infiniband под управлением операционной

Рис. 1. Объект тестирования параллельных возможностей решателя ANSYS на различных аппаратных платформах

Рис. 2. Результаты тестирования ANSYS для рабочих станций и сервера начального уровня

49


системы Novell SuSE Linux Enterprise Server 9. Виталием Сайфуллиным, старшим системным консультантом Novell, было сконфигурировано и настроено программное обеспечение для управления передачей данных между вычислительными узлами HP MPI 2.2.2, а также настроен сетевой интерконнект Infiniband через коммутатор SilverStorm 7000.

Для развертывания вычислительного кластера было предложено использовать операционную систему SuSE Linux Enterprise Server 9. Она обладает рядом характеристик, подходящих для решения поставленной задачи:• неприхотливость к ресурсам — для работы

ОС предъявляются минимальные требования;

• высокая производительность и надежность — система потребляет менее 1% ресурсов сервера; все ненужные на сервере приложения (графическая система, RPC и пр.) легко отключаются;

• масштабируемость — установка серверов легко тиражируется, добавление ресурсов дает практически линейный прирост;

• простота в управлении — основное управление сервером сведено к графической (и псевдографической) панели управления YaST. Для работы с сервером пользователю требуется квалификация сетевого инженера. Знание консольных команд Linux необязательно.Для межсерверного соединения применя

лось оборудование Infiniband. В поставке с ним идет пакет драйверов для SLES9 и подробное руководство по их установке. Внимательное пошаговое следование инструкции позволило в короткий срок настроить MPIсоединение.

Во время нагрузочного тестирования не возникало никаких проблем, все процессорные

ресурсы и 95% оперативной памяти были задействованы под вычислительные задачи. Дисковая подсистема и сетевые интерфейсы испытывали нагрузку менее 50% от пиковой.

Тестирование ANSYS CFXПрограммный комплекс ANSYS CFX предназначен для решения задач вычислительной гидродинамики. Он позволяет рассчитывать широкий диапазон течений по числу Маха, многофазные и многокомпонентные течения. С его помощью моделируют внешнее обтекание самолетов и автомобилей, проектируют турбины и компрессоры.

В реальных промышленных задачах расчетная модель должна обеспечивать точную передачу геометрии без упрощений, характерных для задач НДС. В ряде случаев даже наличие геометрической симметрии в модели не позволяет рассматривать половину модели вследствие несимметричности течения. Это приводит к серьезному увеличению как размерности, так и времени счета. Характерные размерности для задач внешнего обтекания могут составлять до 50 млн элементов и более в зависимости от детализированности геометрии и применяемых расчетных моделей.

В качестве тестовых рассматривались две модели различной размерности. Первая представляла собой сферу, находящуюся в потоке сверхзвукового идеального сжимаемого газа с числом Маха 3,5 (рис. 4). Ее размерность составляла миллион гексаэдров. В расчете применялась модель турбулентности SST, использующая для решения около 2 Гбайт оперативной памяти и допускающая запуск на решение на стандартном компьютере. Первую модель можно рассматривать как базовую для сравнения производительности серверов и стандартных

Рис. 3. Результаты тестирования ANSYS на мощных серверах

Рис. 4. Обтекание сферы сверхзвуковым потоком газа

50



настольных систем. Несмотря на то что решение столь небольших задач на серверах не рекомендуется, ускорение данного расчета представляет большой интерес при поиске оптимального варианта конструкции.

Вторая тестовая модель представляла собой упрощенную модель крылатой ракеты с оперением, находящуюся в потоке сжимаемого идеального газа с околозвуковой скоростью. Моделирование трансзвуковых течений — серьезная задача, требующая четкой проработки

модели для определения точных характеристик отрывных течений и положения сверхзвуковых скачков. Размерность данной задачи составила 5 млн гексаэдрических элементов. В расчете применялась модель турбулентности SST, использующая при решении порядка 8 Гбайт оперативной памяти.

Для всех тестов применялось фиксированное количество итераций. Сходимость первой модели происходила на 33й итерации, а второй — на 70й итерации. Критерий сходимости по невязкам устанавливался на 1,0е4.

Комплекс ANSYS CFX предоставляет возможность параллельных расчетов для всех физических моделей. Несмотря на большой размер модели, решатель при работе практически не использует дисковую систему. Благодаря этому применение дисковых систем на основе SCSI или SAS не приводит к существенному ускорению расчета. Лицензирование на парал

Рис. 5. Результаты тестирования CFX на первой модели

Таблица 2. Сводная таблица результатов тестирования CFX на первой модели

Pentium D 3,40 (Dual Core) RAM 4 SATA 4680

Intel Core 2 Duo E6300 1,87 GHz 2 Gb 4530

4 core AMD Opteron Dual Core 280 2,4 GHz RAM 16 Gb 3145




6 core Intel QuadCore Xeon 5345 2,33 GHz RAM 16 Gb 2789

8 core Intel QuadCore Xeon 5345 2,33 GHz RAM 16 Gb 2610

2 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb 4226



Таблица 3. Сводная таблица результатов тестирования CFX на второй модели

4 core AMD Opteron Dual Core 280 2,4 GHz RAM 16 Gb 19 480


8 core Intel QuadCore Xeon 5345 2,33 GHz RAM 16 Gb 12 960

4 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb 13 980

8 core Intel DualCore Xeon 5160 3,0 GHz RAM 16 Gb 6360Рис. 6. Результаты тестирования CFX на второй модели

51


лельность в ANSYS CFX также осуществляется по процессорам/ядрам.

Результаты тестирования серверов на первой модели представлены на рис. 5. Для сравнения на этом рисунке также приведены результаты тестирования на стандартных настольных системах на основе Pentium D и Core 2 Duo. Время указано в секундах. Более точные данные приводятся в табл. 2.

Результаты тестирования серверов на второй модели показаны на рис. 6 и сведены в табл. 3.

По результатам тестирования можно отметить стабильную работу программного комплекса ANSYS и ANSYS CFX на всех представленных платформах и операционных системах. Рекомендации по выбору оптимальной конфигурации программновычислительного комплекса можно получить в компаниях — участниках тестирования.

Описание компаний — участников тестирования

ETegro TechnologiesКомпания ETegro Technologies была основана летом 2005 года. Основной ее задачей является создание инновационных продуктов для работы в современной ИТинфраструктуре при одновременном предоставлении заказчикам запаса мощности и наращиваемости для выполнения задач завтрашнего дня.

Несмотря на то что компания начала работать относительно недавно, она сумела занять свою нишу на рынке серверного оборудования и систем хранения данных в России и продолжает успешно наращивать объемы производства и продаж. Таких результатов удалось достичь во многом благодаря разработке и продвижению систем, нацеленных на использование в областях CAM/CAD/CAE. ETegro Technologies активно сотрудничает с независимыми разработчиками соответствующего программного обеспечения (ISV) и компаниями, занимающимися внедрением подобных программных продуктов.

В последнее время вследствие развития современных технологий параллельных вычислений и многопроцессорности/многоядерности в продуктовой линейке ETegro Technologies появились системы, в которых наиболее полно реализуются возможности программного комплекса ANSYS 11.0.

Специалистами компаний ETegro Technologies (www.etegro.com), ЗАО «EMT P» (www.emt.ru) и Novell (www.novell.com) были проведены всесторонние тесты с целью выявления оптимальных конфигураций и бенчмаркинга серверов производства ETegro.

В ходе тестирования использовались двух и четырехпроцессорные системы в следующих конфигурациях:• рабочая станция ETegro Awelion DW350:

два двухъядерных процессора AMD Opteron 280 @ 2,4 GHz,

подсистема памяти 16 Gb DDR PC3200 ECC Registered,

дисковая подсистема 1×SCSI 73 Gb 10 000 rpm,

операционная система Novell SLES 10 64bit;

• сервер ETegro Hyperion RS570G2: четыре двухъядерных процессора AMD

Opteron 890 @ 2,8 GHz, подсистема памяти 32 Gb DDR PC3200

ECC Registered, дисковая подсистема 1×SCSI 73 Gb

10 000 rpm, операционная система Novell SLES 10

64bit.Кластер, созданный из серверов ETegro

Technologies на базе SuSE Linux Enterprise Server 9, продемонстрировал достаточный потенциал в инженерных расчетах. Не исключено, что в дальнейших тестах наряду с SMPсистемами будут сравниваться и кластерные системы.

Проведенное тестирование наглядно показало, что системы ETegro Technologies обладают отличными показателями по соотношению «цена/производительность». Вкупе с великолепными характеристиками расширяемости по ресурсам оперативной памяти, дисковой подсистемы (до 12 дисков в сервере Hyperion RS570G2) и процессорной мощности это делает их гибкими и надежными инструментами для расчетов, требующих значительных вычислительных ресурсов.

ARBYTE ComputersКомпания осуществляет деятельность на российском рынке начиная с 1991 года. Основной ее задачей является создание комплексных ИТрешений для корпоративного рынка.

Будучи партнером компании ЗАО «EMT Р», в последние несколько лет ARBYTE Computers проводит совместные тестирования новых программных продуктов ANSYS и аппаратных платформ ARBYTE, что позволяет находить оптимальные конфигурации для инженерных расчетов.

Специалистами компании ARBYTE Computers (www.arbyte.ru) при непосредственном участии специалистов ЗАО «EMT P» было выполнено тестирование программных продуктов ANSYS 11.0 на линейке серверов Alkazar производства ARBYTE Computers.

В качестве теста для комплекса ANSYS 11.0 была предложена реальная задача по рас

52



чету пяти вариантов нагружения кронштейна. Тестирование проводилось на двухпроцессорных платформах с двумя типами процессоров (двух и четырехъядерными). Результаты тестирования ANSYS 11.0 показали, что оптимальной по соотношению «цена/производительность» является следующая конфигурация сервера ARBYTE Alkazar:• 2 CPU Intel DualCore Xeon 5160;• 16 Gb FBRAM;• 73 GB 15 000 rpm SAS Hdd;• Red Hat 4.4 ES EM64T;• ANSYS 11 для Linux EM64T.

Результаты тестирования позволили сделать вывод, что использование четырехъядерных процессоров (например, Intel Quad Core Xeon 53ХХ) не дает существенного прироста производительности. А применение четырехпроцессорных платформ экономически неоправданно (цена на четырехпроцессорное решение в 23 раза выше при приросте производительности менее чем на 20%).

Затем было проведено тестирование программного продукта ANSYS CFX 11.0 на линейке серверов ARBYTE Alkazar для тестовой задачи «Трансзвуковое и сверхзвуковое обтекание крылатой ракеты». Результаты тестов показали, что оптимальной для этого программного пакета и данного типа задач является следующая конфигурация сервера ARBYTE Alkazar:• 2 CPU Intel Dual Core Xeon 5160;• 16 Gb FBRAM;• 80 Gb SATA II Hdd;• Red Hat 4.4 ES EM64T;• ANSYS 11 СFX для Linux EM64T.

Результаты тестирования показали, что для решателя ANSYS CFX существенный прирост производительности обеспечивает объединение двух и более узлов предложенной конфигурации в кластер. Использование четырехъядерных процессоров, как и для задач расчета НДС, на данный момент экономически нецелесообразно. Следует обратить внимание на то, что, в отличие от решателя ANSYS, замена дисков SATA на SAS или SCSI не дает прироста производительности для решателя ANSYS CFX.

Компания SGI в начале 2007 года представила новые, преконфигурированные кластеры Altix XE, построенные на базе двух и четырехъядерных процессоров Intel Xeon.

Одним из наиболее интересных решений для вычислительных узлов является сервер SGI Altix XE 310, который содержит до 16 ядер и до 64 Гбайт памяти в формфакторе 1 U. Данный сервер построен с использованием материнских плат половинного размера и содержит два независимых вычислительных узла, которые питаются от одного блока питания. Такая структура

построения вычислительных узлов позволила существенно снизить цену на кластер. Применение подобных серверов в качестве вычислительных узлов кластера позволяет достичь высокой плотности вычислений (до 476 ядер и 4,95 терафлоп на шкаф) при значительной экономии потребляемой энергии.

Еще одним интересным решением является использование водяного охлаждения в кластерных системах SGI.

Кластерные решения SGI, полностью интегрируемые на заводе компании, могут поставляться как с Gigabit Ethernet, так и с Infiniband в качестве вычислительного интерконнекта.

В качестве общего программного обеспечения для кластера могут применяться системы Red Hat Linux, SuSE Linux и Microsoft Windows Compute Cluster Server. Кластеры SGI комплектуются также дополнительным программным обеспечением, включающим средства управления кластером — Scali Management, параллельные библиотеки Intel MPI и средства управления Infiniband. Кроме того, предлагается SGI ProPack — надстройка над Linux, содержащая пакеты расширения функционала и повышения производительности, а также Altair PBSpro — средство управления пакетными задачами в кластерной инфраструктуре.

В области систем хранения данных компания SGI предлагает как высокопроизводительные и масштабируемые дисковые массивы серии InfiniteStorage (например, IS10000 — это 240 Тбайт в одном шкафу!), так и программное обеспечение по управлению данными (CXFS — кластерная файловая система, DMF — иерархическая система хранения данных), комплексные SAN и NASрешения.

Использование систем хранения и управления данными SGI InfiniteStorage позволяет решить вопрос высокопроизводительного одновременного доступа к данным в кластерных системах.

Полный спектр продукции SGI, а также техническую поддержку и обучение предоставляет национальный дистрибьютор компании SGI в России — компания ARBYTE.

ЗАО «ЕМТ Р»Компания ЗАО «ЕМТ Р» была основана в 1994 году и сегодня занимает лидирующие позиции на отечественном рынке систем инженерного анализа (CAE). Головной офис компании находится в Москве, а филиалы расположены в Иркутске и Киеве (ООО «ЕМТ У», Украина). Компания ЗАО «ЕМТ Р» является авторизованным дистрибьютором, инженерноконсалтинговым и учебным центром ANSYS, Inc. в России и странах СНГ.


ОБЗОР ANSYS, 71 с.Глава 1. Новости комплекса ANSYS 9Глава 2. Геометрический процессорГлава 3. Распределенные вычисленияГлава 4. Средства импорта

USER GUIDE OPERATIONS, 103 с.Глава 1. Введение в руководствоГлава 2. Среда ANSYSГлава 3. Вызов сеанса работыГлава 4. Использование графического интерфейсаГлава 5. Графическое указаниеГлава 6. Настройка комплекса ANSYSГлава 7. Использование протокола команд

USER Elements Reference, 99 с.Глава 1. СодержаниеГлава 2. Общие свойства элементов

USER GUIDE BASIC (часть 1), 407 с.Глава 1. Предварительная информация об использовании комплекса ANSYSГлава 2. Приложение нагрузокГлава 3. Проведение расчетаГлава 4. Обзор постпроцессоровГлава 5. Основной постпроцессор (POST 1)Глава 6. Постпроцессор просмотра результатов по времени (POST 26)

USER GUIDE BASIC (часть 2), 299 с.Глава 6. Постпроцессор просмотра результатов по времени (POST 26)Глава 7. Расчет задач устойчивостиГлава 8. Вызов средств графикиГлава 9. Общие настройки графикиГлава 10. Режим Power GraphicsГлава 11. Создание изображений геометрических объектовГлава 12. Создание изображений геометрических результатовГлава 13. Построение графиковГлава 14. АннотацииГлава 15. АнимацияГлава 16. Внешняя графикаГлава 17. Создание отчетаГлава 18. Управление файламиГлава 19. Управление памятью и конфигурация

USER GUIDE ADVANSED, 405 с.Глава 1. Оптимизация проектаГлава 2. Топологическая оптимизацияГлава 3. Создание проекта на основе случайных чиселГлава 4. Вариационная технологияГлава 5. Построение адаптивных сеток

Глава 6. Расчет циклически симметричных задачГлава 7. Расчет НДС в локальных зонахГлава 8. Использование суперэлементовГлава 9. Синтез форм компонентовГлава 10. Динамика жесткого тела и интерфейс ANSYS-ADAMSГлава 11. Рождение и смерть элементовГлава 12. Объекты. Программирование пользователем, нестандартное использование комплексаГлава 13. Параллельные вычисления

USER GUIDE MODELING, 521 с.Глава 1. Обзор методов создания моделейГлава 2. Постановка задачиГлава 3. Системы координатГлава 4. Создание геометрических моделейГлава 5. Импорт геометрических моделей (IGES)Глава 6. Создание сети КЭ на основе геометрической моделиГлава 7. Исправление моделиГлава 8. Прямая генерация узлов и элементовГлава 9. Модели трубопроводовГлава 10. Управление нумерацией элементовГлава 11. Связь узлов и уравнения ограниченийГлава 12. Объединение и архивирование

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 1), 421 с.Глава 1. Обзор методов расчета МДТТГлава 2. Расчет статических задач МДТТГлава 3. Расчет собственных колебанийГлава 4. Расчет вынужденных колебанийГлава 5. Расчет переходных динамических процессовГлава 6. Спектральные расчетыГлава 7. Расчет задач устойчивостиГлава 8. Расчет нелинейных задач МДТТГлава 9. Аппроксимация кривой деформированияГлава 10. Моделирование уплотнений

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 2), 495 с.Глава 11. Контактные задачиГлава 12. Механика разрушенияГлава 13. КомпозитыГлава 14. УсталостьГлава 15. Расчет статического НДСГлава 16. Расчет балокГлава 17. Расчет оболочек

ANSYS Parametric Design Language APDL, 193 с.

ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ANSYS НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ

Documents

ANSYS Advantage. Русская редакция 5'2007