<<
>>

1.3 Обзор существующих CAD/CAE программных пакетов

Описанные выше интегральные методы расчета системы отопления и вентиляции дают лишь осредненные параметры потока, но не дают количественную картину (поля скоростей и температур) о самом течении в салоне автомобиля. Вследствие этого создание эффективно функционирующей системы отопления и вентиляции затруднительно, поэтому на современном этапе развития вычислительной техники, средства автоматизации инженерного анализа, основанные на численных методах, становятся неотъемлемой частью процесса проектирования системы отопления и вентиляции.

Многие из таких разработок реализованы в виде специализированных программных комплексов (вычислительных пакетов), позволяющих проводить моделирование сложных и дорогих для натурного эксперимента процессов.

Для успешного применения каждый пакет должен воплощать самые эффективные численные алгоритмы и предоставлять пользователю развитый набор сервисных функций по подготовке исходных данных и обработке результатов расчета. В зависимости от соответствия этим требованиям, программные средства подразделяются на легкие, средние и тяжелые. Степень «тяжести» в данном случае является показателем мощности и эффективности пакета.

В настоящее время «тяжелые» пакеты составляют неотъемлемую часть общей цепочки проектирования и создания новой техники CAD/CAM/CAE - технологии (Computer Aided Design/ Manufacturing /Engineering) и относятся к кругу CAE - технологии.

К числу пакетов, ориентированных на решение задач гидрогазодинамики и связанных с ними задач теплового нагружения конструкций относятся ракеты STAR-CD, CFX, FLUENT, PHOENICS и другие. При этом становится актуальным определение возможности решения задач из определенной предметной области средствами таких пакетов.

Современные инженерные задачи обладают рядом особенностей, к

числу которых можно отнести сложную геометрию расчетной области, сложные физико-химические процессы, протекающие в системе, а также существенные ограничения, накладываемые на работу таких систем (мощность, шум, загрязнение окружающей среды).

Одним из мощных инструментов инженерного анализа являются так называемые CAD/CAM/CAE - технологии, среди которых выделяют системы автоматизированного проектирования (САПР), которые предназначены для выполнения инженерно-конструкторских работ (например, Solid Works, Unigraphics, CATIA), и системы проведения расчетного анализа в различных областях машиностроения. Среди систем расчетного анализа можно выделить предпроцессоры и сеточные генераторы (например, ICAM, Gambit), расчетные модули (например, STAR-CD, FLUENT, ANSYS) и постпроцессоры, предназначенные для визуализации и обработке данных.

Для подтверждения заявляемых разработчиком возможностей независимые эксперты проводят сертификацию программного обеспечения. Сертификация программного комплекса позволяет не проводить собственной полной проверки работы того или иного пакета. Основная цель проведения тестовых расчетов состоит в выявлении особенностей постановки конкретной задачи, подбора подходящих граничных условий, разностных схем и других параметров для последующего решения более сложных, вытекающих из решения упрощенных и отлаженных на простых примерах, задач. На основе тестовых расчетов выявляются особенности работы пакета и те же требования, которые должны соблюдаться при выполнении расчетов в среде пакета.

В данной работе рассматриваются возможности использования пакета STAR-CD для решения задач внутренней аэродинамики отопителя в системе отопления и вентиляции легкового автомобиля.

Пакет STAR-CD представляет собой универсальный конечно- объемный вычислительный комплекс, предназначенный для решения задач

механики жидкости, газа и тепломассообмена в областях произвольной геометрической конфигурации.

Пакет разработан компанией Computational Dynamics Inc, основанной в 1987 г. Научную группу компании возглавляет А. Д. Госмен.

В структуру программного комплекса входят модуль пре- и постпроцессорной обработки ProSTAR и РгоАМ (в зависимости от версии пакета), вычислительный модуль STAR (Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region), компилятор языка Fortran (для операционных систем Windows и Linux). Версия пакета для Windows или Linux поставляется с компилятором Absoft Pro Fortran V6.0 и только с модулем ProSTAR. Версии пакета для UNIX требуют наличия компелятора, поставляемого с конкретной версией операционной системы ее производителем (SGI, HP, IBM, Sun, Compaq или другим). Имеется также облегченная версия пакета STAR-LT.

Модуль ProSTAR представляет собой интерактивную среду, в которой взаимодействие с пользователем осуществляется при помощи командной строки, панелей управления и навигационного центра NavCenter. В наиболее простом варианте работы (с помощью NavCenter) пользователь движется по древовидной структуре окон сверху вниз, начиная от построения геометрии расчетной области и задания параметров, определяющих постановку задачи, и заканчивая обработкой полученных результатов.

Модуль РгоАМ представляет собой расширенную версию ProSTAR, позволяющую производить автоматизированное построение сеток в произвольных трехмерных областях (в ProSTAR реализован блочный метод построения сеток). Дополнительно к РгоАМ предлагается широкий набор проблемно-ориентированных модулей.

Вычислительный модуль STAR работает независимо от модуля обработки ProSTAR. Такая структура пакета позволяет отделить создание моделей от решения задачи, а также полностью отказаться от стандартного

модуля пре- и постпроцессорной обработки и использовать более мощные специализированные программы, например ICEM или SAMM (Semi Automatic Meshing Methodology), поставляемые дополнительно (они могут использоваться и для версии пакета под UNIX).

Гибкость пакета обеспечиваются его открытой архитектурой, позволяющей подключать пользовательские процедуры, написанные на языке Fortran.

Одной из первых областей применения пакета была автомобильная промышленность, после чего STAR-CD получил широкое распространение и в других отраслях [55]. В настоящее время области применения пакета включают в себя аэрокосмическую промышленность (аэродинамика, охлаждение элементов систем, шум, воздухозаборники, камеры сгорания, выхлопы, терморегулирование); энергетику (гидрогазодинамнческие и тепловые процессы в энергетических установках, испарители, конденсаторы, теплообменники, камеры сгорания и топки котлов, охлаждение ядерных реакторов, расчетные исследования аварийных ситуаций); транспорт (аэродинамика транспортных средств, системы охлаждения двигателей и тормозов, шум, забор и фильтрация воздуха, системы впрыска и хранения топлива, двигатели внутреннего сгорания, радиаторы и теплообменники, вентиляторы, климат-контроль и безопасность пассажиров); химическую и обрабатывающую промышленность (смесители, реакторы, сепараторы, циклонные устройства, днетилляционные колонны, холодильные установки, системы газосушки, системы безопасности и очистные сооружения); и многие другие отрасли.

Пакет STAR-CD позволяет работать с сеточными структурами практически любой сложности. Подключение в качестве препроцессора программы SAMM, ICEM или ANSYS/Stractural представляет ряд дополнительных возможностей по работе с сеточными структурами:

- использование смешенных сеток, как из традиционных (например, гексагональных и тетраэдрических), так и уникальных срезанных

призматических элементов;

автоматизированное адаптивное сгущение узлов сетки, основанное на оценки ошибки расчета;

произвольные эйлерово- лагранжевы сетки, предназначенные для решения задач с переменными граничными условиями;

временно-зависимые (скользящие) сетки;

процедуры динамического внедрения и удаления групп элементов (изменение области интегрирования);

вращающиеся системы координат для моделирования процессов, происходящих в многоступенчатых турбинных насосах и вентиляторах;

процедуры автоматической сшивки полей параметров в смежных областях с несовпадающей разбивкой;

средства учета циклической симметрии или других видов периодичности для лопаточных и многоступенчатых машин с целью уменьшения размерности задачи.

Возможности пакета включают в себя моделирование стационарных и нестационарных течений; несжимаемых и сжимаемых течений (включая до-, транс-, и сверхзвуковые течения); течений ньютоновских и неиыотоновских жидкостей (имеется возможность подключения пользовательских моделей); турбулентных течений; процессов тепломассопереноса (включая конвективный и радиационный теплообмен); многокомпонентных и многофазных течений (на основе моделей Эйлера и Лагранжа); реагирующих течений газовых смесей; процессов горения газообразного, жидкого и твердого топлива; течений со свободными границами.

Для моделирования турбулентных течений используется либо решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, либо метод моделирования крупных вихрей.

Имеется обширная встроенная библиотека моделей химических реакций, материалов и математических моделей (для решения задач с горением и расчета газодисперсных потоков).

В качестве метода дискретизации используется метод конечного объема. Для дискретизации по времени предлагаются полностью неявная схема и схема Кранка-Николосона. Для пространственной дискретизации используется противопоточная схема 1-ого порядка; центрированная схема 2-ого порядка; схема MARS (Monotone Advection and Reconstruction Scheme) 2-ого порядка; схема QUICK 3-его порядка. Для решений разностных уравнений используются методы SIMPLE (для установившихся течений), PISO (процедура типа предиктор/многошаговый корректор), SMPISO (более устойчивая вычислительная процедура, используемая на неортогональных сеточных структурах) [9].

К другим возможностям пакета можно отнести графический и командный вывод; режимы работы, сопровождаемые интерактивными предупреждениями и средствами подсказки; широкий набор средств построения сеток; импорт геометрических моделей в форматах STL, IGES; разнообразные средства визуализации и обработки результатов (векторные, цветовые контурные заливки, изоповерхности, сечения, трассировки частиц, анимация); наличие интерфейсов к другим программам и пакетам, включая трансляцию конечно-элементных моделей и графическое представление результатов (ANSYS, ICEM, SAMM); экстраполяцию результатов на произвольного вида сетки и поверхности (для выдачи результатов в конечно-элементные пакеты); построение графиков и импорт их в форматы GIF, PS, EPS. Основной недостаток ProSTAR - слабый геометрический моделер, а следовательно и генератор сеток, что вынуждает обращаться к другим CAE программным пакетам, одним из которых является ANSYS.

ANSYS - многоцелевой конечно-элементный пакет для проведения анализа в широком круге инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм).

Препроцессор ANSYS позволяет создавать геометрические модели собственными средствами и импортировать готовые. Геометрическая модель в дальнейшем может быть модифицирована любым образом, поскольку при

импорте осуществляется перетрансляция данных в геометрический формат ANSYS и деталь не подменяется "неприкасаемой" конечно-элементной сеткой. Пользователь может удалять несущественные мелкие детали, достраивать определенные детали, проводить сгущение-разрежение сетки и другие важнейшие операции, без которых, порой, дальнейшее решение будет совершенно некорректно или вообще не сможет быть достигнуто. Построение поверхностной, твердотельной и каркасной геометрии и внесение изменений осуществляется средствами геометрического моделера.

Связь ANSYS с CAD-системамн осуществляется множеством способов, среди которых: прямой доступ к геометрии тяжелых пакетов, а также импорт множества стандартных форматов, что позволяет проводить расчёт и анализ конструкции построенной в любом из пакетов электронного геометрического моделирования. ANSYS также связан с большинством известных расчетных пакетов, что позволяет успешно выстраивать единый интегрированный процесс всестороннего анализа конструкции.

<< | >>
Источник: Матвеев Денис Викторович. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ижевск - 2006. 2006

Еще по теме 1.3 Обзор существующих CAD/CAE программных пакетов:

  1. Актуальность темы.
  2. 1.3 Обзор существующих CAD/CAE программных пакетов
  3. Выводы и задачи исследований
  4. 2.1 Методы построения геометрии модели и расчетной области объекта
  5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
  6. 3.1. Обзор существующих методов и средств моделирования
  7. 1.1. Искусственные нейронные сети. Их основные типы, используемые в физике.
  8. Платное программное обеспечение
  9. Условно-бесплатное программное обеспечение
  10. Компьютерный пакет SPSS
  11. 2.1. Обзор существующих подходов
  12. Информационные системы управления проектами
  13. 1.1.Программное обеспечение календарного планирования и контроля
  14. 3.3. Обобщённая блок-схема алгоритма программного комплекса экспертной системы имитационного моделирования
  15.   4.1. Общая характеристика программного комплекса 
  16. 2.1. Общая характеристика программного комплекса 
  17. ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ВЕДУЩИХ ФИРМ
  18. Воздействие фактора BTO на формирование новой инвестиционной среды в Российской Федерации
  19. Понятие «электронного лица»: обзор существующих подходов к наделению юнита искусственного интеллекта правосубъектностью