vs_xflow-general_v02_master_edited-az

MSC Software Corporation | Международный Авиационно-Космический Салон | 16 - 21 августа 2011 года, г. Жуковский

Технологии будущего, доступные уже сегодня


2

• Бессеточное моделирование

Бессеточный подход (“Meshless approach”) к моделированию в рамках

XFlow основан на использовании метода частиц. Отличительной

особенностью данного метода, является то, что построение конечно-

элементной области, ограничивающей течение газа или жидкости, не

требуется и, соответственно, сложность геометрии не является

лимитирующим фактором при моделировании. XFlow является идеальной

расчетной средой при работе со сложными геометрическими объектами.

XFlow одинаково хорошо работает, как с абсолютно жесткими, так и с

упругими деформируемыми, а также движущимися телами. XFlow абсолютно

не требователен к качеству исходной геометрии объекта.

XFlow – это прорывная инновационная технология вычислительной

гидрогазодинамики (Computational Fluid Dynamics - CFD),использующая

запантентованный и основанный на методе частиц (“particle-based”)

лагранжев подход для решения традиционно сложных проблем

гидрогазодинамики на всех этапах проектирования и доводки будущих

изделий.

Корпорация MSC.Software представляет новый

программный комплекс XFLOW


• Большинство существующих в настоящее время CFD пакетов основаны на построении конечно-

элементных моделей

• Пользователи испытывают серьезные трудности как при построении конечно-элементных сеток,

так и при необходимости ремешинга - перестроении КЭ сетки в процессе численного

интегрирования из-за сильного изменения топологии объекта или граничных условий. Поэтому

серьезные трудности возникают при решении таких задач, как обрушение волн, раскрытие

парашюта, движущиеся лопатки насоса или компрессора и т.п.)

• Построение качественной конечно-элементной сетки, например, при моделировании

гидравлических сетей и проточных частей конструкции турбомашин, требует большого

количества инженерного времени и существенно затягивает процесс анализа конструкции

• Сходимость и качество получаемых результатов расчета сильно зависит от качества конечных

элементов, формирующих расчетную модель

Традиционные CFD решения


• тип анализа (structural/unstructural)

• типы и виды конечных элементов, области применения

• метод генерации КЭ сетки

• области сгущения/разрежения конечных/объемных

элементов

КЭ модель

Модели

турбулентности

Схемы

интегрирования

• RANS метод: большое разнообразие эмпирических моделей

• Необходимость постоянной коррекции численных констант в

ходе решения задачи

• Линейное/нелинейное изменение параметров

потока жидкости или газа

• постоянный подбор параметров для стабилизации

процесса численного решения

• и т.д.

• Надежность решения в существующих CFD пакетах чрезвычайно

зависит от способности инженера подбирать правильную

математическую модель для каждого расчетного случая:

Традиционные CFD решения


• CFD пакет XFlow избавляет пользователя от существующих

проблем моделирования и расчета

XFlow CFD

• тип анализа (structural/unstructural)

• типы и виды конечных элементов,

области применения

• метод генерации КЭ сетки

• области сгущения/разрежения

конечных элементов

• Линейное/нелинейное изменение

параметров потока жидкости или газа

• постоянный подбор параметров для

стабилизации процесса численного

решения

• и т.д.

Безсеточный (“particle-based”)

подход к моделированию

Adaptive refinement – автоматическое

изменение расчетной модели в проблемных зонах

Реализация LES метода

“метода крупных вихрей”

Лагранжева подход

к моделированию

Традиционные CFD

решенияXFlow

• RANS метод: большое

разнообразие эмпирических

моделей

• Необходимость постоянной

коррекции численных констант

КЭ модель

Модели

турбулентности

Схемы

интегрирования


Численные методы

Метод конечных

объемов

Метод конечных

элементов

“Сеточные” методы

Метод Монте-

Карло

Метод

решеточных

уравнений

Больцмана

SPH метод

VPM метод

Методы “частиц”

Molecular Mesoscopic Macroscopic

Уравнение Навье-

Стокса

Уравнение

Больцмана

Уравнение

Навье-Стокса


Обтекание цилиндра. Дорожка Кармана (2D постановка)

12/24/2011 7


Обтекание цилиндра. Дорожка Кармана (3D постановка)

12/24/2011 8


• Решение уравнения Больцмана

• Поведение жидкости моделируется на мезоскопическом уровне

• Базируется на кинетической теории газов

Кинетическая теория газов - физическая теория, которая объясняет

макроскопическое поведение и свойства газов из статистического

описания микроскопических молекулярных процессов

(L. Boltzmann, J.C. Maxwell, s. XIX)

Метод решѐточных уравнений Больцмана

(Lattice Boltzmann methods LBM)

Уравнение

Больцмана

Уравнение

Навье-Стокса

Уравнение

Эйлера



• Течение потока: Лагранжев перенос ,

при котором точно выполняются законы

сохранения.

• Столкновение частиц:

Перераспределение частиц

прибывающих одновременно в одну и ту

же точку пространства

D fi(r) / Dt = Ωi Ωi … оператор столкновений (модели Батнагара — Гросса — Крука)

LBM метод использует f - функцию вероятностного распределения,

описывающую движение частиц потока жидкости или газа



Моделирование турбулентности

• Прямое численное моделирование вихревых

течений эффективно лишь для малых чисел

Рейнольдса (Re)

• Для средних и больших Re, необходимо

использовать разные модели турбулентности

• Подавляющее большинство CFD комплексов

используют RANS модели (RANS - Reynolds-

averaged Navier-Stokes), имеющих следующие

особенности:

В большинстве случаев RANS модели пригодны для анализа

разного рода течений жидкостей и газов

Используют поля осредненных величин, с устранением

временной зависимости

Математические модели обычно нуждаются в отладке с

помощью подбора эмпирическиx величин и коррекции

численных констант.

Обладают низкой вычислительной стоимостью

Точность результатов, которую можно получить с помощью

таких методов, в значительной степени зависит от типа течения

Необходимость в проведении дополнительного числа натурных

испытаний

DNS Direct Numerical Simulation (DNS)

LES Large Eddy Simulation (LES)

RANS Reynolds-Averaged Navier-Stokes

(RANS)

RANS

DNS

LES



• В программном комплексе Xflow реализованы следующие

модели турбулентности:

Automatic model

Smagorinsky

Dynamic

SmagorinskySpalart-Allmaras

Wall-Adaptive-

Local-Eddy

(WALE)

LES


• LES модели, реализованные в XFlow:

Модель Смагоринского

Динамическая модель Смагоринского

WALE модель пристеночного слоя

(Wall-Adaptive-Local-Eddy)

Позволяет получить хороший результат как

вблизи стенки, так и на расстоянии для

ламинарных и турбулентных течений

Возможность восстанавления асимптотического

поведения турбулентного пограничного слоя

при реализации прямого численного решения

не добавляет искусственной турбулентной

вязкости в сдвиговых областях за пределами

турбулентного следа

• Xflow позволяет использовать LES методы (Large Eddy Simulation) для

моделирования турбулентности



Моделирование пограничного слоя

• XFlow использует эффективную

неравновесную функцию для

моделирования пограничного слоя

• Обобщенная модель для расчета

пристеночного слоя позволяет:

Учесть непрерывное смешивание

между вязким подслоем и

логарифмическим слоем

Благоприятные и неблагоприятные

градиенты давлений

Учесть кривизну и шероховатость

поверхности


Адаптивность


16

Адаптивность


17

XFlow поддерживает многопроцессорность - скорость

выполняемых расчетов с увеличением числа процессоров

растет практически линейно

Number of cores Times faster Seconds per time step

1 1 9200

2 1.98 4646

4 3.78 2434

8 7.58 1214

16 14.02 656

32 23.04 399

External aerodynamicsaround commercial vehicle

Range of resolved scales: (0.005m - 0.125m)

Number of elements: 111,8 millions

Peak memory usage: 25Gb

Hardware:

x3950M2 - Intel® Xeon® Processor X7350 (2.93GHz, 2x4MB L2 cache)

8 processors/32 cores

128GB of memory

2 * (4 * 73GB SAS Internal disks)

Масштабируемость


XFlow™ Technology overview - Innovative CFD for super-computer results on your desktop

Автомобильная промышленность


Аэродинамический анализ конструкции кузова легкового

автомобиля


Моделирование обгона движущегося грузового автомобиля

• Задача внешней аэродинамики

• Движение обьектов по аналитической траектории


21

Аэродинамический анализ конструкции кузова спортивного

автомобиля


KTM. Спорткар XBow

• Аэродинамика спорткара сильно зависит от клиренса автомобиля (особенно

на скорости 250 – 300 км/ч)

– Клиренс зависит от аэродинамических сил, а они в свою очередь зависят от

настроек подвески и скорости движения

– Традиционно, при испытаниях прототипа в аэродинамической трубе, его

вывешивают на стальных тросах на фиксированных длинах (соответствует

определенному положению подвески и клиренсу)

• При использовании «традиционных» CFD-пакетов, процесс отыскания

оптимальных настроек подвески и подбора клиренса является

итерационным и очень длительным и трудоемким

CFD Нагрузки Позиционирование/Перестроение сетки CFD

• XFlow способен решать такую задачу за один запуск!

12/24/2011 22


23

Xflow. Расчетная модель мотоцикла с водителем


Авиационная промышленность



Внешняя аэродинамика вертолета

12/24/2011 25

• Вихреобразование

при обтекании

вертолета

• Турбулентный

след имеет сложную

форму из-за

взаимопересекающи

хся плоскостей

вращения лопастей


Аэродинамический анализ конструкции планера истребителя


Аэродинамический анализ элементов шасси ЛА

Courtesy of MSC


29

Аэродинамический анализ элементов крыла ЛА


30

Моделирование течений на сверхзвуковых скоростях



Гражданское строительство


33

Анализ ветровой нагрузки на конструкцию мостового сооружения


Расчеты систем отопления, вентиляции и кондиционирования

офисных помещений



Энергетика


Газодинамический анализ воздушной турбины

Courtesy of Qpunkt


Pelamis Wave Power

• Гидроэлектростанция использующая энергию волн

12/24/2011 37

www.pelamiswave.com


Эффект обрушения волн

• За счет обрушения волн, притопленная под углом атаки пластина

поступательно движется в противоположном от волн направлении

12/24/2011 38


Клапаны. Насосы. Турбины. Счетчики

12/24/2011 39


Цунами

12/24/2011 40



Судостроение


Свободная поверхность. Движение катамарана по воде

12/24/2011 42


Танкер-газовоз. Свободная поверхность

12/24/2011 43



Биомедицина


Моделирование явления храпа (одышки)



Производство


Что такое XFlow

12/24/2011 49

• Моделирование сложных конфигураций граничных условий с подвижными частями

• «Чистое» производство

LCD-панелей

• При производстве

заготовки панелей очень

чувствительны к

температурным

градиентам и наличию

пыли в воздухе

• Полностью все сложные

граничные условия с

множеством подвижных

частей заданы в XFlow

• Задача труднореализуема

в традиционных CFD-

пакетах


Связанные задачи.

Тепло и внутренняя аэродинамика

12/24/2011 50


Форсунка-распылитель

• Практически не

реализуемая задача

для традиционных

CFD-пакетов

12/24/2011 52

vs_xflow-general_v02_master_edited-az

Documents

cfd msc software corporation

cfd cfd xflow

xflow number

cfd rans rans reynolds

meshless approach xflow

supercomputer results

cfdxflow rans

adaptive refinement