НОВОВВЕДЕНИЯ В ANSYS FLUENT MESHING И ANSYS FLUENT ВЕРСИИ 2022R1

Технический специалист ООО «КАЕ Эксперт», к.т.н.

Дергунов И.М.

Введение

В данной статье представлен обзор наиболее интересных новых технологий, внедренных в программы ANSYS Fluent Meshing и ANSYS Fluent. Нововведения систематизированы по своему функциональному назначению: улучшение технологии построения сетки, повышение производительности и снижения затрат при проведении расчетов, повышение надежности и устойчивости (робастности) солверов, более удобное использование инструментов, улучшение графического интерфейса, добавление новых сущностей.

Модная в современном мире тенденция сокращения энергопотребления и «уменьшения углеродного следа» коснулась вычислительной гидродинамики (CFD). При представлении новой версии 2022R1 разработчики уделили в первую очередь внимание тем нововведениям, которые способствуют уменьшению времени построения сеток, подготовки геометрии и повышению скорости расчета или улучшению их сходимости, что в конечном счете выражается в снижении энергозатрат при проведении вычислений.

Улучшение технологии построения сеток

С учетом технологии работы с проектом CFD обзор нововведений в программах ANSYS Fluent и Fluent Meshing 2022R1 начнем с инструмента построения сеток. Довольно ощутимое количество нововведений появилось в флагманской программе построения сеток Fluent Meshing. Перечислим наиболее важные из них.

Общие изменения в программе Fluent Meshing

Теперь при работе с сеткой временная директория (то есть. FM_USER_##) создается в рабочей директории проекта вместо пользовательской директории для временных файлов, что позволяет уменьшить количество «мусора» на системном диске. Эту папку можно изменить на /temp или %TEMP% при необходимости в меню Preferences. Директория удаляется при выходе. Однако, когда сессия останавливается командой kill, директория остается.

При работе в мастере WTM – геометрия в формате *.pmdb сохраняется в папку workflow_files при сохранении сетки. Это позволяет портировать файлы на другой компьютер без необходимости использования CAD. То же самое происходит при работе в мастере FTM: геометрия в формате *.fmd сохраняется в задаче Part Management Task в папке workflow_files. Сохраненный файл *.fmd загружается при считывании сетки, что намного быстрее, чем загрузка *.scdoc.

В настройках программы File> Preferences> Meshing Workflow можно указать путь к папке для шаблонов рабочих процессов (workflow). Размещенные в папке шаблоны будут доступны в списке рабочих процессов.

Важное изменение коснулось отображения числовых параметров: теперь все размерные величины отображаются с единицами измерения. Отображаемые единицы измерения соответствуют размерности, выбранной при выполнении задачи Import/Part Management. Единицы измерения показываются в панелях параметров, консоли и графическом окне, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Отображение размерных величин.

При работе с проектами, содержащими большое количество сеточных зон выбор нужных объектов может оказаться непосильной задачей. Для удобства использования в новой версии Fluent Meshing добавлена возможность использования подстановочных символов и логических операторов в поле текстового фильтра. Доступны следующие операторы:

• ^ : функция NOT или отрицание;
• | : функция OR;
• & : функция AND.

В строке поиска можно использовать несколько операторов. Примеры использования приведены на рисунке 2.

Для улучшенной обработки призматических слоев, состоящих из многогранников, введена метрика «улучшенное ортогональное качество» (Enhanced Orthogonal Quality). Метрика активируется командой текстового интерфейса /report/enhanced-orthogonal-quality? yes.

По умолчанию эта метрика выключена.

Данные Enhanced Orthogonal Quality могут сохраняться только в структурированном формате CFF (Common Fluids Format)

Рисунок 2. Примеры использования текстового фильтра с операторами.

При использовании Enhanced Orthogonal Quality можно отделить призматический слой от объемной сетки, как показано на рисунке 3. Эта возможность так же поддерживается при использовании формата CFF.

Рисунок 3. Отделение призматического слоя.

Изменения в мастере Watertight Geometry Meshing

В мастере Watertight Geometry Workflow добавлена возможность более гибкого управления локальными размерами сеток. Теперь можно игнорировать параметр proximity, если модель содержит пустоты в виде тонких каналов, включив для параметра Refine Thin Regions значение «No», как показано на рисунке 4. При этом сетка не будет дробиться в окрестностях тонких пустот, как показано на рисунке 5.

Рисунок 4. Включение параметра Refine Thin Regions.

Рисунок 5. Работа опции Refine Thin Regions.

Вторая настройка, значительно снижающая размерность сеток Ignore Proximity Across Objects, выключает дробление на границах тел с общей топологией. На рисунке 6 показано, как включить опцию в интерфейсе, а на рисунке 7 приведены примеры сеток с включенной и выключенной настройкой Ignore Proximity Across Objects.

Рисунок 6. Включение параметра Ignore Proximity Across Objects.

Рисунок 7. Работа опции Ignore Proximity Across Objects.

Две перечисленные настройки значительно снижают размерность сеток, что позволяет сократить время решения задач с подобной топологией, например, расчет сопротивления решеток или анализ сопряженного теплообмена в различных устройствах.

Довольно часто возникает необходимость удаления мелких деталей геометрии, не влияющих на течение, но значительно повышающих количество ячеек сетки. Такая кропотливая работа иногда занимает много времени и стадия подготовки геометрии затягивается. Новая глобальная настройка Remove step предназначена для удаления ступенек, возникающих в месте состыковки деталей и существенно ухудшающих качество сетки. Опция доступна в двух задачах мастера Watertight Geometry Meshing: в Surface Mesh и Surface Mesh Improve. Предполагается, что пользователь, включив эту опцию, задаст максимальный размер ступеньки, а в задаче Surface Mesh Improve дополнительно предел по параметру Step Skewness Quality Limit. В результате использования этой настройки существенно повышается качество поверхностной сетки (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Качество сетки с выключенной и включенной опцией
Remove step

Новый способ создания сеточных интерфейсов на поверхностях с общей топологией Interface Connect имеет ряд преимуществ перед методом Join/Intersect, который был единственным до версии 2022R1.

Новая технология создания интерфейсов Interface Connect предполагает, что на поверхностях с общей топологией объединяются ребра и удаляется одна из перекрывающихся граней. Такой способ создания интерфейсов работает гораздо быстрее, если поверхности идеально совпадают. Допускается применение для периодических поверхностей.

Доступно три метода для создания интерфейса:

• Automatic Using Connect Topology — Доступно, если в SpaceClaim использовался инструмент Forced Share
• Manual
• Automatic — недоступно, когда Forced Share использовался в SpaceClaim.

На рисунке 9 представлены этапы создания интерфейса Interface Connect методом Automatic Using Connect Topology. Создается общая топология командой Force Share в SpaceClime — должны появиться именованные наборы (Named Selections) с названиями Connect TopologyN, где N – номер.

Рисунок 9. Создание интерфейса Interface Connect методом Automatic Using Connect Topology.

Когда модель с такими именованными наборами будет загружена в Fluent Meshing, в настройках задачи Apply Share Topology нужно выбрать метод создания интерфейса Interface Connect, метод выбора Automatic Using Connect Topology включится автоматически.

Метод ручного выбора поверхностей Manual предполагает, что контактирующие поверхности, определены в SpaceClime в виде именованных наборов. Это самый быстрый метод при небольшом количестве контактов.

Метод Automatic аналогичен старому методу создания общей топологии во Fluent Meshing.

Изменения в мастере Fault-Tolerance Meshing

В мастере Fault-Tolerance Meshing также добавлены новые сущности, упрощающие создание сеток.

Настройки импорта деталей теперь более гибкие, для компонентов сборки можно создать индивидуальные настройки Object Settings и сохранить эти настройки в дереве.

В задаче Generate Surface Mesh в дополнительных настройках можно включить автоматическое присвоение типов зон по именам, как показано на рисунке 10. Соответствие имен и типов представлено в таблице 1.

Рисунок 10. Настройка присвоения типа зон по именам.

Таблица 1. Соответствие имен и типов сеточных зон.

Имя границы содержит	Тип границы
*inlet*	inlet
*outlet*	outlet
*symmetry*	symmetry
*farfield*, *far-field*	farfield
*interface*, *internal*, *interior*	interface
*overset*	overset

В версии Fluent Meshing 2022R1 появилась очень полезная возможность — разделение призматических слоев. В задачах со сложной геометрией проблемы с сеткой нередко возникают именно на этапе построения призматических слоев. Новая технология позволяет строить один слой призм, а затем разделять его, причем этот подход можно использовать как для непрерывного призматического слоя, так и для ступенчатого. Допускаются неконформные перехода между слоями, как показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Неконформный переход в призматических слоях.

Для использования технологии разделения призм можно настроить несколько последовательных подзадач в задаче Add Boundary Layer. Первая задача используется для назначения параметров одного слоя призм, В последующих задаются параметры разбиения. В каждом случае сеточные зоны выбираются из списка. Пример для непрерывного слоя призм показан на рисунке 12.

Рисунок 12. Задание настроек пограничного слоя с разделением призм.

Особое место среди новинок в программе построения сеток Fluent Meshing занимает технология замены, добавления или удаления деталей без перестроения всей сетки. Эта задача добавляется после построения объемной сетки и позволяет быстрее перестроить сетку для другой конструкции.

Для этой технологии используются два метода:

• Volume Mesh Based — для этого метода требуется отдельная область, ограниченная дополнительными поверхностями, в которой будет перестраиваться сетка. Все изменения выполняются в пределах этой области. При локальном перестроении сетки допускаются неконформные интерфейсы между двумя жидкостными доменами.
• Surface Mesh Based — метод ограничивается локальными соединениями и требует перестроение объемных сеток.

Первый способ существенно быстрее второго.

Для создания области, окружающей заменяемую деталь, применяются два инструмента: Box и Offset. Первый предназначен для построение прямоугольного параллелепипеда (коробки), ориентированной вдоль координатных осей (см. рисунок 13). Второй — для создания охватывающей поверхности Offset Surface, как показано на рисунке 14.

Рисунок 13. Создание дополнительного объекта Box.

Рисунок 14. Создание дополнительного объекта Offset.

Технология автоматической заделки зазоров между деталями значительно сокращает время подготовки модели к расчету. Пользователю достаточно добавить задачу Create Gap Cover после задачи Choose Mesh Control Options, размер зазора будет вычислен из локального размерного поля (см. рисунок 15).

Рисунок 15. Создание и настройка задачи Create Gap Cover.

 

В результате зазор между деталями будет закрыт поверхностной сеткой, как показано на рисунке 16.

Рисунок 16. Закрытый зазор между деталями.

В программе Fluent Meshing имеются другие улучшения, повышающие стабильность и производительность мешера.

Так, например, при параллельном построении сетки производится расчет одного поля размеров для захваченной геометрии объекта и пересчет размеров с использование отношения этих размеров для целевой геометрии. В итоге это приводит к значительной экономии времени на вычисление поля размеров.

Импорт полей размеров вместо вычисления позволяет снизить затраты при повторном расчете поля размеров.

Повышение робастности для объединения внутренних карманов устраняет утечку сетки в области, где она не нужна, что сокращает время построения.

Характерный пример: общая экономия при построении сетки для промышленной автомобильной задачи — 13.2 ч вместо 25.1 ч.

Улучшения технологии расчетовУлучшение производительности расчетов

Прежде всего обратимся к тем технологиям, которые обеспечивают сокращение времени расчетов, как наиболее длительной стадии работы над проектом.

На первый план выходит поддержка параллельного расчета на нескольких графических ускорителях. Технологию расчета на нескольких графических ускорителях с общей или распределенной памятью допускается использовать для ограниченного набора физики:

• Дозвуковые сжимаемые течения,
• Идеальный газ,
• Материалы с постоянными свойствам,
• Турбулентность: стандартная модель k-e, GEKO k-w,
• Сопряженный теплообмен,
• Пористая среда.

Следует отметить, что с использованием перечисленных моделей можно проводить достаточно много расчетов. Каков же эффект от внедрения технологии Multi-GPU? На рисунке 17 представлен вид тестовой модели с сеткой из 105 миллионов ячеек, а на рисунке 18 показан график нормированного ускорения. Видно, что использование графических процессоров для задачи внешней аэродинамики значительно ускоряет расчет — в 5–33 раза в зависимости от количества графических плат.

Рисунок 17. Расчет внешней аэродинамики автомобиля, сетка 105 млн ячеек.

Рисунок 18. Нормированное ускорение для различных конфигураций вычислительной системы.

Такое значительное ускорение происходит на фоне снижения потребляемой мощности оборудования. Оценка снижения мощности может быть получена исходя из следующих данных: 1024 ядерный кластер имеет мощность 9600 Вт против 2400 Вт мощности, потребляемой шестью серверами V100 с графическими ускорителями.

Вычислительная мощность одной графической карты A100 с 80 Гб памяти приблизительно равна 640 ядрам AMD с архитектурой Милан на 5 узлах, соответственно 8 графических карт A100 будут соответствовать 3840 ядрам AMD Милан. Достигается эффективность распараллеливания 80%!

На сегодняшний день одно из самых перспективных направлений в развитии транспорта — переход на электрическую тягу. В этой связи в ANSYS Fluent несколько лет назад появились модели для расчета аккумуляторных батарей. В версии 2022R1 помимо новой модели для определения времени автономной работы аккумулятора, построенной на основе фундаментальных законов электрохимии, добавлены инструменты для повышения производительности расчетов аккумулятор и сборок аккумуляторных батарей.

Один из таких инструментов — средства создания моделей пониженного порядка (ROM) аккумуляторных батарей и их сборок, позволяющие в автоматизированном режиме создавать наборы данных по результатам нестационарных расчетов (см. рисунок 19). При достаточно высокой точности расчетов длительность вычислений по моделям пониженного порядка значительно сокращается до минут вместо часов.

Рисунок 19. Сравнение результатов расчета ANSYS Fluent и ANSYS Fluent ROM.

Второй важный инструмент для работы с аккумуляторными батареями Battery Pack Builder Tool — служит для создания и компоновки сборок из аккумуляторных модулей, реализует технологии масштабирования, копирования сетки и настроек проекта (см. рисунок 20).

Рисунок 20. Работа с аккумуляторными сборками в ANSYS Fluent 2022R1.

Специалистам, занимающимся моделированием многофазных течений хорошо известно, насколько иной раз трудно настроить солвер, чтобы задача хорошо сходилась. В новой версии 2022R1 внесены изменения, устраняющие нефизичные результаты и обусловленную ими плохую сходимость.

Для метода объема жидкости (VOF) в неявной формулировке устранена ложная генерация вторичной фазы (см. рисунок 21), в связи с чем улучшена сходимость для задач расчета водяных насосов, редукторов, гидравлических компонентов, диафрагм.

Рисунок 21. Улучшенная сходимость модели VOF в неявной формулировке.

При рассмотрении многофазных течений на основе модели объема жидкости в явной формулировке имеются проблемы, не имеющие способов обхода, а именно:

• ограничение по числу Куранта для первого шага по времени,
• проблемы с перезапуском, особенно для сжимаемого течения,
• чувствительность к изменению граничных условий течения во время решения,
• чувствительность в задачах массопереноса.

Для устранения перечисленных проблем реализована новая опция, подключаемая через TUI, — решение уравнения для объемной доли в конце шага по времени. Ниже приведена команда консоли для включения этой опции.

 

Рисунок 22.Заполнение флакона.

Расчет заполнения флакона, результат которого показан на рисунке 22, разваливается без использования упомянутой выше опции.

При использовании модели VOF для расчета капиллярных течений и течений с вращением возмущения, приводящие к развалу, могут генерироваться на выходной границе расчетной области. В новой версии ANSYS Fluent в граничном условии pressure-outlet для задания направления обратного потока используется опция From Neighboring Cell — направление течения определяется по близлежащему слою ячеек из поля скорости. Эта опция теперь задается по умолчанию!

В различных устройствах, особенно электротехнических, нередко используется тонкие слои диэлектрических материалов в качестве электрической изоляции. При моделировании теплового состояния устройства наличие тонких изолирующих слоем приводит к значительному увеличению размерности расчетной сетки. Технология подсеточного моделирования многослойных стенок позволяет значительно сократить размерность сеток и получить результаты расчета достаточно точности. В версии 2022R1 оболочечная модель может применяться к интерфейсным границам: конформным и неконформным. На рисунке 23 представлен пример такой задачи — модель обмотки электродвигателя с тонкими слоями изоляции, а на рисунке 24 — поля температуры для конформной и неконформной оболочки. Видно, что результаты расчета весьма близки.

Рисунок 23. Конструкция обмотки электродвигателя (сектор 5°).

Рисунок 24. Результаты расчета температуры обмотки электродвигателя: слева неконформная оболочка, справа — конформная.

Усовершенствование Fluent Turbo

Для повышения удобства постановки задачи расчета течения в турбомашинах и автоматизации обработки результатов в ANSYS Fluent 2022R1 внедрен мастер постановки задач Turbo Workflow, показанный на рисунке 25. Эта сущность реализует программированный подход в работе, что позволяет устранить повторный или ошибочный ввод данных пользователем. С помощью мастера реализуются следующие операции.

• Постановка для осевых/радиальных компрессоров и турбин.
• Загрузка нескольких сеточных файлов в форматах *.msh, *.def, *.gtm.
• Преобразование жидкостных сеточных зон: копирование, поворот и сшивание.
• Использование турбо-топологии и специальной геометрии для обработки результатов.
• Настройка отчетов и системных мониторов.

Рисунок 25. Мастер постановки задач Turbo Workflow.

В новой версии ANSYS Fluent 2022R1 получили свое развитие инструменты для моделирования турбомашин. В частности, изменения коснулись специального интерфейса Mixing Plane. На рисунке 26 показаны поверхности, на которых можно задавать это граничное условие. Кроме того, для в работу этого интерфейса внесены следующие изменения.

• Консолидированы два существовавших ранее метода: intersection-based и side-based.
• Добавлены новые типы геометрии турбомашин.
• Улучшена консервативность.
• Повышена производительность при расчете радиальных машин.

Рисунок 26. Поверхности, на которых можно задавать условия Mixing Plane.

Для расчета течения в паровых турбинах добавлена новая модель влажного пара в соответствии с отраслевым стандартом IAPWS97 в виде таблиц свойств реального газа (RGP). Данная модель является альтернативой встроенным термодинамическим свойствам влажного пара. Используется тот же формат, что и в модели реального газа CFX.

Для использования модели необходимо включить режим Turbo, затем включите модель влажного пара и считать файл RGP через команду меню file/table-manager/read-rgp-file. Подключение модели осуществляется выбором в меню define/models/multiphase/wet-steam/set/rgp-tables.

Для решения задач аэродинамического демпфирования создан новый графический интерфейс для задания периодического смещения, повышающий удобство постановки задачи. Интерфейс позволяет считывать и настраивать несколько форм мод, которые могут быть активированы выборочно для анализа аэродемпфирования.

Рисунок 27. Настройка периодического смещения для задачи аэродемпфирования.

Для расчета аэродемпфирования венца лопаток следует выбрать Метод бегущей волны (Traveling Wave Method), в остальных случаях None.

На рисунке 28 показано сравнение результатов расчета аэродемпфирования в программах CFX и Fluent, а на рисунке 29 —деформация лопаток и распределение статического давления.

Рисунок 28. Сравнение результатов расчета аэродемпфирования в CFX и Fluent.

Рисунок 29. Деформация лопаток (слева) и распределение статического давления (справа).

В версии ANSYS Fluent 2022R1 усовершенствована модель пленочного охлаждения лопаток газовых турбин. Для моделирования охлаждения лопаток турбомашин используется виртуальная геометрии и специальные граничные условия. Для создания виртуальной геометрии из файла профиля импортируются координаты и параметры отверстий (см. рисунок 30). Отверстия могут быть круглые или прямоугольные, а направление потока задается, как по нормали к поверхности, так и в определенном направлении. Новый интерфейс пересекает виртуальную геометрию с поверхностью для формирования виртуальных граничных условий.

Рисунок 30. Постановка задачи пленочного охлаждения лопаток.

Фактически этот интерфейс работает аналогично традиционным сеточным интерфейсам: перекрывающееся поверхности становится входными и выходными условиями для потока массы, а неперекрывающиеся остаются стенками.

Для того, чтобы задействовать модель необходимо включить режим Turbo.

Внесены исправления и изменения в функцию периодического копирования (см. рисунок 31), необходимую для обработки и отображения результатов расчета турбомашин в периодической постановке. В частности, исправлены ошибки отображения скопированных сущностей. Добавлено автоматическое распознавание поверхностей.

Рисунок 31. Окно периодического копирования.

Пользователям доступно три режима отображения: один экземпляр при нажатии на кнопку Clear All (рисунок 32 а), отображение полного колеса, показанное на рисунке 32 б), которое можно получить при нажатии на кнопку Detect Surfaces и настраиваемый режим, представленный на рисунке 16 в), позволяющий задать отображение для каждого компонента отдельно, указывая поверхности, количество копий и направления. Прямое и обратное направления копирования определяются знаком «+» или «–», соответственно.

а)

б)

в)

Рисунок 32. Режимы отображения турбо-геометрии: а) — один экземпляр, б) — полное колесо, в) — настраиваемый режим.

Новая рабочая среда Fluent-Aero

Задачи внешней аэродинамики — традиционное поле для CFD-анализа в аэрокосмической отрасли. Эти задачи имеют свои особенности постановки и настройки солвера, применяются специальные граничные условия, модели турбулентности, уравнения состояния. В новой версии ANSYS Fluent 2022R1 реализована специализированная рабочая среда Fluent Aero, запуск которой осуществляется в окне Fluent Launcher (см. рисунок 33).

Рисунок 33. Fluent Aero в окне Fluent Launcher. Алгоритм решения задач.

Fluent Aero — это оптимизированный инструмент настройки и анализа CFD-проектов для аэрокосмической отрасли. Он имеет автоматизированные предопределенные настройки солвера, обработки результатов, таблиц и графиков, пригодные для широкого класса задач внешней аэродинамики, что сводит к минимуму необходимость настраивать модели и задавать параметры солвера. Алгоритм решения задач показан схематично на рисунке 33. При необходимости можно получить доступ к функциям и настройкам Fluent.

В среде Fluent Aero группировка поверхностей осуществляется по компонентам самолета (см. рисунок 34), что позволяет упростить постановку и автоматизировать обработку для каждого компонента летательного аппарата. Внешняя область может задаваться двух типов — свободный полет или аэродинамическая труба.

Рисунок 34. Интерфейс Fluent Aero.

                                 а)                                                             б)                                                        в)

Рисунок 35. Примеры способов обработки результатов: а) графики параметров для сравнения с экспериментом, б) настройки контурного графика для компонента, в) распределение параметров в сечении и на поверхности летательного аппарата.

Для автоматизации постановки задач и обработки результатов можно использовать скрипты на языке Python и журналирование. Средства обработки результатов позволяют проводить специализированную обработку и получать результаты в необходимом представлении, как показано на рисунке 35.

Повышение робастности солвера

Реагируя на возникающие при решении пользовательских задач проблемы, разработчики внесли ряд изменений, направленных на повышение надежности и устойчивости (робастности) солвера.

Так, в частности, в версии Fluent 2022R1 добавлен алгоритм с двойным шагом по времени (Dual Time Step) для раздельного солвера по давлению. Этот алгоритм доступен для стационарных и нестационарных задач.

В связи с нововведением прежде существовавшая опция Pseudo Transient переименована в формулировку Global Time Step метода Pseudo Time. Новый алгоритм настройки доступен как формулировка Local Time Step метода Pseudo Time. Это получило свое отражение в интерфейсе, как показано на рисунке 36.

Рисунок 36. Настройка Pseudo Time Method

Новый алгоритм позволяет применять неявные факторы релаксации к стационарным и нестационарным расчетам, использующим расщепленный солвер по давлению (SIMPLE, SIMPLEC или PISO). В новой формулировке локальный размер псевдовременного шага вычисляется для каждой ячейки в домене на основе заданного псевдо-временного числа Куранта и масштабов течения. Опция может быть включена для всех уравнений или выборочно. Потенциально улучшает производительность расчетов за счет улучшения сходимости и меньшего числа итераций. На рисунке 37 представлены графики невязок для задачи расчета внешней аэродинамики. Видно, что решение можно получить с помощью методов SIMPLE и SIMPLEC только с опцией DTS. Без нее решение разваливается.

Рисунок 37. Сходимость решения с применением настройки DTS и без нее.

При решении задач о пленочном течении на поверхностях возможны ситуации, когда решение становится неустойчивым и разваливается. Для повышения устойчивости нестационарных расчетов введены дополнительные параметры эйлеровской модели пленок, показанные на рисунке 38.

В версии ANSYS Fluent 2022R1 можно задавать количество циклов расчета уравнений пленки на один временной шаг. При этом на каждом временном шаге решения уравнений для течения выполняется итерационное обновление уравнений пленки для адаптации к изменениям параметров потока, связанное с шагом по времени основной системы уравнений. Управление осуществляется заданием значений параметра Per Flow Iterations. (см. рисунок 38).

Можно также задействовать адаптивный временной шаг, включив галочку Adaptive Time Stepping, и задать факторы увеличения/уменьшения шага, тем самым обеспечить контроль над сходимостью решения.

Рисунок 38. Дополнительные параметры эйлеровской модели пленок.

В новой версии ANSYS Fluent улучшена устойчивость солвера по плотности за счет изменения формулировки граничного условия pressure far-field. Альтернативная формулировка этого граничного условия активируется командой TUI:

Суть нововведения состоит в использовании потока вместо инвариантов Римана. На рисунке 39 представлено постановка и сравнение сходимости решения в двух формулировках.

Рисунок 39. Сходимость решения при разной формулировке ГУ pressure far-field для солвера по плотности.

Также усовершенствована аппроксимация градиента по узлам для солвера по плотности для тетраэдрических сеток и добавлена улучшенная пристеночная функция «Extended Boundary Treatment», включаемая посредством TUI, командой solve/set/nb-gradient-boundary-option. После ввода команды появится диалог, показанный на рисунке 40.

Рисунок 40. Настройка «Extended Boundary Treatment» через TUI.

После включения новой пристеночной функции существенно улучшается сходимость задач с тетраэдрическими сетками, как показано на рисунке 41 на примере задачи DLR F6 wing-body-fairing.

Рисунок 41. Улучшение сходимости при включении «Extended Boundary Treatment».

В версии Fluent 2022R1 усовершенствовано представление теплоемкости — используются полиномы NASA с 9 коэффициентами. Такое представление позволяет сгладить аномальные зависимости и повысить надежность двухтемпературной модели при расчете сжимаемых течений. На рисунке 42 представлены результаты расчета поля температуры и графики невязок для улучшенной модели теплоемкости и для оригинальной.

Рисунок 42. Влияние аппроксимации теплоемкости на результаты расчете по двухтемпературной модели.

Для корректного описания входа в атмосферу Земли и Марса добавлены механизмы реакций: 5-species Parks93 и 11-species Gupta — для земной атмосферы, 5-species McKenzie и 8-species Parks — для марсианской. Перечисленные механизмы доступны для задания в интерфейсе (рисунок 43). Результаты расчета концентрация компонентов показаны на рисунке 44.

Рисунок 43. Механизмы реакций для расчета входа в атмосферу Земли и Марса.

Рисунок 44. Результаты расчета входа в атмосферу Земли и Марса.

Одна из ключевых технологий, используемых при расчете сжимаемых течений в ANSYS Fluent, — это адаптация сетки. В новой версии 2022R1 введена более эффективная многомасштабная метрика сеточной адаптации для сильно сжимаемых течений, которая основана на погрешности решения. Используется новый эффективный метод выбора областей для дробления сеток по сравнению с методами, построенными на градиентах, одинаково улавливающий слабые и сильные особенности течения (см. рисунок 45). Нет необходимости задавать эвристические пороговые значения метрик адаптации.

Рисунок 45. Результаты расчета сжимаемого течения с новым методом адаптации.

 

В результате достигнута десятикратная экономия по размеру сетки, времени счета, дискового пространства, постобработки при том же уровне точности качественной исходной сетки.

Специалистам, на практике занимающимся решением промышленных задач со сложной геометрией, известно, что далеко не всегда удается построить хорошую сетку, удовлетворяющую рекомендованным параметрам качества за отведенное время. В версии ANSYS Fluent 2022R1 добавлены новые метрики, повышающие ортогональность сетки (orthogonality enhancing metrics или OEM), являющиеся частью опции Poor Mesh Numerics (PMN).

При использовании новых метрик — сдвигаются эффективные центры ячеек низкого качества, в результате улучшается ортогональное качество сетки и робастность солвера. На рисунке 46 представлены распределения ячеек до и после применения OEM.

 

Рисунок 46. Улучшение ортогонального качества с новыми метриками.

Активация OEM осуществляется через TUI командой

После включения необходимо задать нижний порог ортогонального качества.

При решении задач с экструдированными сетками в параллельном режиме возникает проблема сходимости, обусловленная наличием сильно вытянутых ячеек с большим соотношением сторон (Aspect Ratio) и их влиянием на распределение нагрузки между расчетными узлами (см. рисунок 47). Для исправления этого влияния используется усовершенствованный метод разбиения со сглаживанием по Лапласу. При таком разбиении проводится коррекция пропорций растяжения в экструдированных призматических ячейках, за счет чего значительно улучшается балансировка нагрузки между узлами, обеспечивается улучшенная сходимость, устойчивость и масштабируемость. Разбиение со сглаживанием по Лапласу можно задать по умолчанию, для чего в меню Preferences>General поставить галочку Advanced Partitioning Method For Convergence.

Рисунок 47. Разбиение экструдированной сетки.

При включенном новом методе разбиения сетка загружаемых проектов переразбивается заново.

Улучшение графического интерфейса

В версии ANSYS Fluent 2022R1 добавлены улучшения графического интерфейса, повышающие удобство использования и повышающие качество представления результатов.

Значительно повышена производительность графической подсистемы при отображении объектов в задачах с большим количеством сеточных зон. Так, например, для задачи «Расчет батарей аккумуляторов» с сеткой в 24 миллиона ячеек и содержащей 32 тысячи фейсовых зон достигнуто ускорение графики до трех раз, а исполнение команд с отображением графических окон до 20 раз. Интегральные результаты замеров представлены в таблице 2.

Таблица 2. Ускорение операций в примере
«Расчет батарей аккумуляторов».

Операция	Процент улучшения (Среднее количество последовательных и параллельных на 8 ядрах)
Отображение сетки	73%
Отображение контурного графика	83%
Отображение векторного графика	80%

 

В ANSYS Fluent 2022R1 появилась возможность использовать в выражениях пользовательские поверхности, как геометрические объекты для выполнения операций интегрирования или осреднения (см. рисунок 48).

Рисунок 48. Осреднение по пользовательской поверхности.

При разделении графического окна на несколько видов можно включить синхронизацию отображения всех или выбранных окон, чтобы просматривать разные результаты с одной точки зрения, как показано на рисунке 49.

Рисунок 49. Синхронизированные виды.

Для включения такого режима отображения есть соответствующая кнопка и всплывающее меню, показанные на рисунке 50.

Рисунок 50. Включение синхронизированных видов.

В новой версии улучшена отрисовка сетки в графическом окне. Доступны новые материалы для рендеринга поверхностей: кирпич, бетон и др. Настройка цветов может быть включена по индексу by ID или по типу by Type и сохраняется для каждого сеточного объекта (см. рисунок 51).

Автоматическое назначение цветов Automatic разделено на by Type и by Surface (аналог by ID). Настройка Manual переименована в Uniform.

Рисунок 51. Настройка отображения сетки.

Важное улучшение для наглядной демонстрации результатов расчета —запись анимации линий тока в распространенном формате видео: MP4, AVI, FLV, MOV или MPEG. Для записи анимации необходимо

включить галочку Save Pulse Animation, как показано на рисунке 52.

Рисунок 52. Включение записи анимации линий тока.

К усовершенствованиям интерфейса также можно отнести упрощенный доступ к дополнительным модулям. Установленные дополнительные модули отображаются в списке моделей, выводимом при нажатии на кнопку More в группе команд Models меню Physics, как показано на рисунке 53.

Рисунок 53. Дополнительные модули в интерфейсе.

Средства проверки совместимости, активируемые при включении физмоделей, деактивируют несовместимые модули в интерфейсе — они будут отображаться серым цветом.

Улучшения для задач с подвижными сетками

Нередко при рассмотрении задач с динамическими сетками возникают проблемы с расчетом течения в узких зазорах. Например, при расчете насосов объемного действия: кулачковых, Рутса, шестеренчатых. В таких зазорах поток блокируется и невозможно увидеть картину течения (см. рисунок 54а).

В новой версии ANSYS Fluent предусмотрена технология, позволяющая получить результаты течения в узких зазорах, как на рисунке 54б.

Для моделирования течения в зазоре разработана модель «губчатого слоя», которая искусственно увеличивает вязкость на основе заданного пользователем числа Рейнольдса в области зазора (см. рисунок 55). Вязкость может быть фиктивная, тогда масштабированная вязкость используется только в уравнении движения, а в остальные уравнения подставляется масштабированная скорость, полученная из уравнения движения. При использовании реальной вязкости эффекты масштабирования применяются во всех уравнениях.

а)                                                                                       б)

Рисунок 54. Расчет течения в зазоре: а) — течение в зазоре заблокировано, б) — течение в зазоре не заблокировано.

Рисунок 55. Задание параметров течения в зазоре.

Модель используется также через пользовательские функции с помощью специализированного макроса DEFINE_GAP_MODEL_SOURCE.

Для модели зазора доступна опция переменной вязкости. По умолчанию используется подход с фиксированной вязкостью: масштабированная вязкость равномерно применяется в области зазора. Опционально используется вариационный коэффициент, изменяющийся в интервале [0..1], определяющий линейное изменение. Если коэффициент равен 1, то используется фиксированная вязкость. Если коэффициент лежит в диапазоне [0..1], то вязкость будет переменной. На рисунке 56 представлено распределение вязкости в зависимости от значения вариационного коэффициента.

Рисунок 56. Распределение вязкости при задании различных значений фактора вариации.

Другое важное изменение, касающееся решения задач с подвижными стенками, — это два новых специальных UDF-макроса для задания в произвольном узле перемещения или силы, действующей на стенку, во внутренних FSI расчетах:

DEFINE_WALL_NODAL_DISP(name, f, t, v, m)

и

DEFINE_WALL_NODAL_FORCE(wall_nodal_force, f, t, v, m).

Оптимизатор модели турбулентности

Один из вариантов применения программ для оптимизации — решение задачи калибровки модели. Суть метода решения состоит в применении оптимизатора для подбора коэффициентов модели, соответствующих минимальным среднеквадратичным отклонениям решения от эталонных результатов. Такими эталонными результатами могут служить экспериментальные данные или решение, полученное на основе точного метода с минимальным количеством физических допущений.

В новой версии ANSYS Fluent 2022R1 этот подход можно применить к настройке модели турбулентности GEKO.

Первая стадия работы — обучение или калибровка модели. В качестве источника данных для калибровки параметров модели турбулентности могут выступать скалярные данные, например значения коэффициента трения, поля параметров — осредненная по времени скорость и результаты расчетов с помощью вихреразрешающих моделей DNS, LES, SBES (Stress-Blended Eddy Simulation). Именно на основе этих данных строится целевая функция.

В качестве вектора входных параметров выступают коэффициенты модели турбулентности GEKO: CSEP, CMIX, CNW, Blending function. Также можно использовать некоторые предварительно выбранные и настроенные параметры течения.

Все действия по настройке проводятся в окне оптимизатора, показанном на рисунке 57.

При оптимизации с использованием алгоритма нейронной сети проводится поиск значений вектора входных параметров, обеспечивающих минимальные среднеквадратичные отклонения от эталонного решения.

Вторая стадия работы — применение полученных значений коэффициентов для расчета других задач. На рисунке 58 показано применение подхода на характерных задачах: калибровка модели проводилась на задаче 3D Periodic Hills, а применялась калиброванная модель турбулентности для расчета течения в примере 2.5D Hump Case.

Рисунок 57. Настройка калибровки модели GEKO.

Рисунок 58. Пример использования технологии оптимизации модели турбулентности.

Заключение

Подводя итоги обзора нововведений в программах ANSYS Fluent meshing и ANSYS Fluent, необходимо отметить, что разработчиками выполнена значительная работа по качественному улучшению генерации сеток и проведению расчетов. Заметно ускорена работа графического интерфейса программ.

Новые возможности при построении сеток, в частности, более гибкая настройка призматических слоев, которые теперь настраиваются индивидуально для каждой стенки, и технология разбиения призм на слои значительно повышают качество сеток для задач со сложной геометрией.

Различные новшества, касающиеся улучшения робастности солвера, существенно уменьшают время расчета, вследствие улучшения сходимости и уменьшения количества итераций. Особенно интересен в этом ключе алгоритм Dual Time Step, использующий локальные масштабы для оценки шага по времени.

При расчете сжимаемых течений существенная экономия вычислительных ресурсов достигается за счет использования новых метрик для выбора ячеек при проведении адаптации сеток. Используемый подход основан на оценке ошибок, а не градиентов и позволяет учитывать как слабые, так и сильные особенности течения.

Применение пользовательских поверхностей в качестве геометрических локаций для выражений при интегрировании или осреднении значительно упрощает обработку результатов, делает ее более гибкой. Теперь нет необходимости предусматривать построение геометрических объектов для измерений заранее, это снижает размерность расчетной сетки и упрощает ее построение.

Представленная в версии 2022R1 рабочая среда Fluent Aero, предназначенная для решения задач внешней аэродинамики, — весьма интересный и удобный инструмент, обеспечивающий более высокое качество постановки задач и анализа результатов и обладающий предопределенными настройками и специализированными инструментами обработки результатов.

Перечисленные в настоящем обзоре нововведения улучшают качество программного продукта ANSYS Fluent, остающегося на протяжении многих лет на лидирующих позициях в области вычислительной гидродинамики. По количеству новых технологий и направлениям развития можно сделать вывод, что в ближайшей перспективе программный комплекс ANSYS Fluent будет активно развиваться, а пользователям остается с интересом ждать новых релизов.

 

Москва, 2022.