Новые возможности ANSYS CFD 2020R1

Аватар пользователя sbogdanec
3 803

Уважаемые коллеги! В статье предлагается обзор нововведений в ANSYS CFD 2020 R1.

Разработчики продолжают расширять область моделируемых физических явлений и одновременно с этим работают над вопросами удобства рабочего процесса: оптимизируется внешний вид, улучшаются устоявшиеся и внедряются новые функции для постобработки.

 

Внешний вид ANSYS Fluent 2020 R1

Новая панель запуска ANSYS Fluent теперь объединяет в себе доступ к нескольким блокам программы: редактору сеток, симулятору обледенения и к самому решателю.

Знакомые опции показаны справа на картинке.

НОВИНКА: «Get Started With…» позволяет читать файлы модели, сетки, данных (Case/Data) и т. д. из браузера файлов или из списка последних файлов.

НОВИНКА: если вы изначально выбираете файл с моделью, то раздел «Dimension and Precision» (размер и точность) автоматически подстраивается под выбранную модель.

 

Появились новые визуальные эффекты, такие как отражения, тени и т.д. Они включены по умолчанию, если найдено подходящее графическое оборудование.

Настройки графических эффектов можно изменить в диалоговом окне «Preferences».

Более подробная информация в разделе «User Experience Deep Dive».

 

Общие настройки граничных условий можно задать непосредственно в полях «quick-edit», которые появляются при выборе границ в графическом окне.

  • Настройки применяются сразу (не нужно нажимать кнопку «OK» и т.д.).
  • Похоже на «Discovery».

Нажмите кнопку «More…», чтобы получить доступ к полному традиционному диалоговому окну граничных условий

Можно отключить / включить в «Preferences» под категорией «Appearance»

 

Улучшения в моделировании физики

Самым большим изменением в разделе «Turbulence» является переход к модели kw-SST в качестве модели турбулентности по умолчанию.

Причины:

  • Данные APIP показывают, что гораздо больше пользователей моделируют ламинарные режимы, чем можно было бы ожидать. Отсюда возникает опасение, что значительное число пользователей не учитывают турбулентность должным образом.
  • Обычно kw-SST более точно описывает поведение отрывных течений, чем модели k-epsilon.

Объемная искусственная турбулентность позволяет избежать появления шума, который возникает при использовании существующего метода, основанного на гранях (face-based approach).

Это означает, что при объемном форсировании можно использовать искусственную турбулентность, например, для акустических задач.

Наиболее заметным изменением в разделе «Multiphase» является объединение всех многофазных рабочих процессов в одном диалоговом окне, доступ к которому осуществляется из «Multiphase…» на ленте или в виде дерева (Outline View).

Настройка рабочего процесса осуществляется слева направо через вкладки:

  • Выбора модели (Model selection)
  • Задания фазы (Phase definition)
  • Межфазного взаимодействия «Phase Interaction» (то есть межфазный обмен теплом, массой, импульсом и т. д.)
  • НОВОЕ: модель баланса количества частиц теперь встроена в программу в качестве заключительной вкладки.  Больше не нужно загружать дополнительный модуль.

Некоторые опции диалоговых окон «Phases» и «Phase Interaction» изменились в новой версии.

Более подробная информация в разделе «Multiphase Deep Dive»

 

В версии 2020 R1 во Fluent вводится модель перехода режима течения (transition model).

  • Основана на модели AIAD с некоторыми усовершенствованиями, которые позволяют моделировать более точно, благодаря:
    • учёту влияния мелкомасштабной турбулентности (подсеточной, не разрешаемой расчётной сеткой);
    • учёту механизмов массообмена, способных улавливать унос/повторную абсорбцию.
  • Можно смоделировать распределение капель по размерам при использовании баланса количества частиц.
  • Подходит для различных областей, включая, например, водо-водяные ядерные реакторы.

Подробнее о модели перехода режима течения читайте в разделе «Multiphase Deep Dive».

Рассмотрим один интересный проект, верифицирующий возможности Ansys.

Проект – эксперимент по прорыву плотины, также изученный (и опубликованный) в 2015 году с использованием метода LSI (Large Scale Interface)

Также было выполнено моделирование во Fluent (та же конфигурация, дискретизация сетки и размер временного шага) с использованием модели AIAD.

На графиках снизу показана высота жидкости от времени в двух поперечных плоскостях отбора проб.

Результаты эксперимента показаны в виде оранжевых точек. Зеленая линия – это результаты моделирования с использованием метода LSI. Синяя линия – это результаты моделирования во Fluent с использованием модели AIAD.

Результаты, полученные во Fluent гораздо ближе совпадают с результатами эксперимента, чем результаты, полученные с помощью метода LSI, особенно при крутом подъеме высоты жидкости ближе к концу моделирования.

Внимание: временной шаг и разрешение сетки идентичны для Fluent и LSI: мы считаем, что гладкая линия при использовании LSI происходит за счет сглаживания данных выборки при построении графика, тогда как данные Fluent сглажены не были.

 

Методы VOF и VOF-to-DPM значительно выигрывают от адаптации сетки на основе решения.

  • В версии 2020 R1 предоставлены новые предустановленные критерии.
    • Благодаря этому пользователям больше не нужно тратить время, настраивая критерии для определённой задачи.
  • Даже для сложных критериев адаптации требуется ввести лишь немного критериев, определяющих размеры ячейки. Fluent автоматически настраивает регистры / правила.
  • Пример используемого метода VOF-to-DPM [Advanced] показан снизу. На рисунках видны преобразования как на границе раздела свободной поверхности, так и в объеме вторичной фазы с различными соответствующими масштабами дробления.


Введены различные улучшения устойчивости решения для многофазных потоков, включая свободно-конвективное движение жидкостей, смеси и моделирование VOF.

Подробности в курсе «Deep Dive» или в руководстве «Release Notes/Migration Manual».

 

Функция отслеживания частиц с высоким разрешением (ранее бета-функция называлась «Sub-tet tracking»)

  • Обеспечивает улучшенную устойчивость решения, особенно для мелких частиц, встречающихся с резкими изменениями параметров потока между ячейками.
  • Отслеживает частицы через тетраэдры, разложенные из каждой ячейки (subtets), и выполняет непрерывную интерполяцию решения потока по всей расчётной области.
  • Совместим с большинством возможностей DPM, но не с Eulerian multiphase / DDPM, overset (который в любом случае технически не поддерживается DPM), MDM и DEM

Пример, показывающий преимущества отслеживания частиц с высоким разрешением (High-resolution tracking).

Справа показан график трех скоростей частиц при отслеживании в ускоряющемся потоке по стандартному алгоритму. Крупные (зеленые) и средние (красные) ничем не примечательны. Но мелкие частицы (черные) показывают скачки скорости между четвёртым и пятым метром на дистанции отслеживания.

Слева показаны те же результаты, но с подключенным отслеживанием высокого разрешения (High-resolution tracking). Результаты больших и средних частиц остаются неизменными, но мелкие частицы больше не показывают резких скачков на кривой скорости.

 

Лагранжевое решение для пристеночной пленки теперь можно инициализировать посредством групп частиц (parcels) и определенных величин высоты, скорости и температуры.

Таким образом, можно начать расчет с установленной пристеночной пленки, а не ждать ее развития в расчете.

Для эйлеровых пристеночных пленок теперь разработан совместный подход.

Это необходимо для захвата определенных явлений, которые возникают, когда высота и скорость пленки тесно связаны, например, в случае падающих пленок под действием силы тяжести.

Приведенный здесь пример показывает капиллярные волны, которые образуются на такой падающей пленке. Используя сегментированный подход, который у нас был до сих пор, мы неправильно улавливаем образование капиллярной волны. При совместном подходе мы можем правильно уловить капиллярные волны.

Это улучшение важно для определенных областей, таких как смачивание маслом в подшипниковых камерах и т.д.

 

В прошлом модель FGM ограничивалась адиабатическим допущением, согласно которому предполагалось, что на образование компонентов не оказывал существенное влияние теплообмен с окружающими стенками, участвующими средами и т.д.

В случаях с холодными стенами и т.д. адиабатическое предположение снижало точность.

Теперь у нас есть неадиабатическая FGM модель с предварительно смешанными факелами пламени, которые могут более точно улавливать эффекты притока/оттока тепла. На рисунках справа, модель «Finite Rate» (FR) считается эталонным результатом. Сравните эталонный результат с результатами моделирования на модели «Adiabatic FGM» (AFGM) и вы увидите, что область рядом со стабилизатором пламени не точно предсказывает массовые доли CO и OH. При этом результаты по неадиабатической модели «Non-adiabatic» (NFGM) хорошо совпадают с эталонными результатами по модели FR.

Наряду с «Nonadiabatic FGM» создание факела FGM и создание PDF теперь выполняется параллельно, что значительно сокращает время построения факела / таблицы.

Также новшества в FGM улучшили сходимость и устойчивость решения.

В частности, новые числовые значения используются по умолчанию для переходной «FGM- Finite Rate» совместно с DPM, что улучшает результаты в оцененных тестовых примерах.

 

Большинство технологий моделирования аккумуляторов до сих пор были нацелены на потребителей/сборщиков аккумуляторных модулей/блоков, которые используют возможности технологии MSMD за её эффективность в моделировании электрохимии для этих крупномасштабных задач.

Теперь, для производителей аккумуляторных батарей / поставщиков материалов, мы представляем полную электрохимическую 3D-модель литий-ионной батареи.

В отличие от технологии MSMD моделирования батарей, которые имитируют различные упрощения электрохимии, эта модель разрешает перенос ионов Li+ между анодом и катодом во время заряда / разряда.

По мере разряда элемента батареи вы видите миграцию ионов Li+ от анода к катоду посредством деинтеркальцинации на аноде и интеркальцинации на катоде, что приводит к изменению локальной концентрации лития.

Эта модель важна для производителей батарей, чтобы оценить, например, особенности поведения элемента / электрода, которые заряжаются/разряжаются при различных уровнях заряда батареи.

Например, используя эту модель, мы можем смоделировать, как изменяется напряжение элемента в зависимости от уровня заряда при различных скоростях заряда / разряда.

Для проектировщиков модулей / пакетов, а также сборщиков в нашей модели MSMD наиболее часто используется метод эквивалентных схем (ECM) и (в меньшей степени) метод NTGK. Оба метода основаны на параметрических упрощениях в электрохимии.

Параметры берутся из инструмента оценки параметров, который используется во Fluent уже несколько лет. Однако оценка параметров потребовала использования текстового интерфейса.

Теперь мы внедрили пользовательский графический интерфейс для оценки параметров, чтобы сделать оценку намного проще и доступнее для пользователя.

 

Были внедрены два основных улучшения в решении задач лучистого теплообмена.

Во-первых, теперь в модели Монте-Карло можно определить как диффузные, так и прямые граничные источники излучения, а не только прямые.

Во-вторых, теперь Fluent может интерпретировать указанное прямое излучение как поток излучения, нормальный к границе (а не в направлении луча, что является значением по умолчанию). Чтобы направить поток излучения по нормали к границе, уберите галочку «Apply Direct Irradiation Parallel to the Beam».

Интеграл Кирхгофа, который используется совместно с уравнением акустической волны, теперь доступен как полноценная функция (ранее был в бета-версии). При использовании волнового уравнения для моделирования акустических источников, теперь вы можете использовать интеграл Кирхгофа для вычисления распространения волны в дальнем поле.

Преимущество интеграла Кирхгофа по сравнению с методом FW-H состоит в том, что он может использовать любую замкнутую интегральную поверхность (не ограниченную поверхностными зонами, определенными в сетке). Так, например, вы можете использовать квадратичную поверхность, созданную в Fluent, для использования в качестве вычислительной поверхности.

Необходимо отметить два ограничения. Во-первых, хотя опция «Moving Receivers отображается с интегралом Кирхгофа, в настоящее время она не поддерживается и будет игнорироваться при использовании интеграла Кирхгофа. Во-вторых, в версии 2020 R1 для интеграла Кирхгофа возможен только расчет «на лету».

 

Структурный решатель, встроенный во Fluent теперь позволяет моделировать большие деформации. То есть задачи, в которых необходимо учитывать нелинейные геометрические эффекты с помощью обновления матрицы жесткости. Это реализуется с помощью новой модели “Nonlinear Elasticity” в группе моделей Structure.

Также был расширен ряд допустимых типов ячеек для того, чтобы все основные элементы первого порядка были доступны в решателе (были добавлены пирамиды и треугольные призмы).

В качестве переменной для постпроцессинга теперь доступно напряжение по Мизесу, что позволяет упростить расчет критерия разрушения.

 

В версии 2020R1 добавлен функционал General Turbo Interface (GTI) как специализированный тип интерфейсов для расчета турбомашин. Включены такие интерфейсы как frozen-rotor, mixing plane а также интерфейс для нестационарного взаимодействия статор/ротор.

Турбоинтерфейсы доступны через кнопку Turbo Create… в группе Turbo Model на панели инструментов. Открывается диалоговое окно настройки сеточных интерфейсов где доступны возможные опции.


Необходимо отметить, что интерфейс Mixing Plane значительно улучшен по сравнению с предыдущими релизами, и сейчас рекомендован для всех задач.

 

В тех задачах, где отсутствует граничное условие давления, обычно применяется опорное давление, чтобы не допустить плавания манометрического давления.

Раньше для всех областей модели применялось единое опорное давление, даже если они друг с другом не сообщались. Это могло приводить к тому, что при возникновении границы давления в одной области, в других областях не применялись бы опорные давления, даже если жидкости разъединены.


Для случаев с несколькими разъединёнными областями теперь доступна альтернативная постановка задачи, в которой вычисляется и применяется опорное давление для каждой отдельной области независимо.

Настройка неконформных интерфейсов для многосвязных тел (например, в сложных случаях CHT) теперь намного проще с функцией «Automatic One-to-One Interface pairing».

Ранее была доступна функция «Automatic Pairing», но если зоны граней были смежны с несколькими другими телами, необходимо было пересечь и разложить каждую грань во время создания сетки, чтобы иметь возможность настроить различные свойства интерфейса, скажем, между желтым и зеленым ящиком выше по сравнению с интерфейсом между желтым и розовым ящиком.

Это пересечение в редакторе сеток имело два больших недостатка: 1) оно было медленным, 2) его нельзя было сделать для полиэдрических сеток.

Новая опция (включаемая нажатием кнопки «Options...» в диалоговом окне «Mesh Interface» и выбором «One to One Pairing», а затем нажатием «Auto Create») создаст единственное определение интерфейса для каждой комбинации контактирующих тел, даже если грани не были разложены.

Дополнительным преимуществом является то, что «One-to-One Auto Pairing» работает как на зонах интерфейса, так и на зонах стенок. Таким образом, если перед созданием интерфейса тела, поступившие из редактора сетки, имеют границы стенок, вам не нужно беспокоиться о том, чтобы присвоить им тип «Interface».

 

Еще одним большим улучшением, связанным с интерфейсами сетки, является единый графический интерфейс для настройки всех периодических интерфейсов, как конформных, так и неконформных. Ранее неконформные периодические интерфейсы устанавливались в диалоговом окне «Mesh Interfaces», в то время как конформные периодические интерфейсы устанавливались через текстовый интерфейс.

Теперь используется один метод: либо из «Outline View», либо из «Graphics Window». Выберите две зоны, щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Periodic...».  Не имеет значения, являются ли они конформными или неконформными. В появившемся диалоговом окне есть опция «Auto» в качестве метода создания по умолчанию, который будет анализировать зоны и принимать самостоятельное решение. При необходимости, вы можете попытаться сделать конформную связь, выбрав опцию «Conformal» или сделать неконформную связь.

Другие опции известны из предыдущих версий программы, в которых периодичность устанавливалась на основе «Mesh Interface».

 

Модель перекрывающихся сеток Overset была значительно улучшена в плане параллельных расчётов, что привело к снижению пикового использования памяти почти на 60% для тестового расчета с полиэдрической сеткой из 14 миллионов элементов.

Мы также упростили проверку совместимости для неконформных интерфейсов с Overset. Теперь вы можете ставить такие задачи (например, для вертолетных винтов, где желательно иметь области с перекрывающимися сетками Overset со скользящими интерфейсами сетки) при условии, что интерфейс Overset пространственно не перекрывает скользящий интерфейс.

Наконец, модели турбулентного перехода теперь поддерживаются моделью перекрывающихся сеток Overset.

 

В 2019 году произошёл крупный третий релиз Design Optimizer for Adjoint Solver, после которого в 2020 для первого релиза мы поработали над несколькими небольшими улучшениями удобства использования. В частности, теперь доступно автосохранение и выполнение команд при сопряженном вычислении.

В разделе «User Experience Deep Dive training» вы найдете более подробную информацию о пользовательском опыте, но здесь стоит остановиться на нескольких моментах.

 

В области «Graphics/Post», в дополнение к новым возможностям визуализации, отмеченным ранее, мы добавили некоторые ярлыки, чтобы иметь возможность быстро изменять отображаемые цвета границ или отображать контуры на границах непосредственно из графического окна. Это позволяет увеличить эффект присутствия при моделировании и больше сосредоточиться на самой модели. Благодаря этому можно быстро визуализировать некоторые результаты без настройки / создания сохраненных объектов экрана.

Данные ярлыки не предоставляют всех опций контурных объектов (например, в текущий момент они используют только глобальный диапазон), но полезны для быстрого просмотра некоторых результатов.

 

Мы также полностью переработали интерактивный инструмент создания плоскостей и сделали его неотъемлемой частью всех методов создания плоскостей во Fluent (а не отдельным методом). Так, например, когда вы задаете плоскость, выровненную по оси, вы можете использовать инструмент интерактивная плоскость, чтобы перетащить ее в нужную координату.

Сам инструмент Plane гораздо более отзывчив и имеет более интуитивное управление. Более подробная сводка всех улучшений для создания плоскостей будет частью «User Experience Deep Dive training».

 

Наконец, мы добавили два новых типа графиков во Fluent.

График источников данных – это инструмент, который позволяет вам строить графики данных из различных источников, включая данные решения, мониторы, внешние файлы данных и т. д. В частности, он работает с различными массивами неоднородных данных и, поэтому, является очень гибким.

Накопительный график обеспечивает интегральный расчет аэродинамических сил / моментов вдоль заданного тела. Вы задаете несколько контрольных точек вдоль тела, направление графика и направление силы/момента.  Fluent построит график эволюции интегральной силы вдоль тела в указанном направлении, что позволит легко визуализировать, например, особенности тела, которые в значительной степени определяют подъем/лобовое сопротивление и т. д.

 

Есть несколько пунктов, которые следует упомянуть для пользователей, переходящих на новую версию программы.

Во-первых, что устарело.

Запуск в режиме –t0 (устаревший Serial) невозможен из-под лаунчера Fluent. Запуск режимов –t0 / -tm0 из-под командной строки все еще доступен в версии 2020R1, но с настоящей версии не поддерживается и в будущих версиях эти режимы будут удалены. Если вы столкнулись с проблемами в режиме Serial, которые заставляют вас работать в –t0 / -tm0, пожалуйста, сообщите о них как можно скорее.

Метод перестроения сетки CutCell был убран из функционала динамических сеток.

RSH недоступен для создания удаленных узлов Linux из-за проблем безопасности. Вместо этого используйте метод SSH.

Утилита tpoly была удалена, поскольку она редко требуется, и существуют альтернативные варианты, которые лучше поддерживаются.

Наиболее заметным изменением в ходе работы является переход к использованию файлов cas.h5 и dat.h5 на основе HDF5 по умолчанию во Fluent за пределами Workbench. Также они часто станут упоминаться как CFF (Common Fluids Format).

Этот шаг мотивирован тем, что CFF на основе HDF5 обеспечивает значительно улучшенную производительность для расчёта больших моделей на нескольких процессорах по сравнению с устаревшими форматами.

При желании пользователь может переключиться обратно на использование устаревших форматов (например, поддержка CFF в настоящее время работает в качестве бета-версии в CFD-Post).

Мы продолжаем использовать устаревшие форматы по умолчанию для сессий в Workbench

Как отмечалось ранее, kw-SST теперь используется по умолчанию, а не только при ламинарном течении.

Теперь мы используем PUMA по умолчанию в 3D. это совместимо со всеми типами ячеек,

Наконец, улучшена производительность опции «Parallel to Boundary» для движения сетки; теперь она масштабируется намного лучше при параллельных расчётах, что может значительно сократить время моделирования при более высоком количестве ядер. Мы также улучшили обработку на неконформных доменных интерфейсах, когда используется движение сетки.

Интерфейс теперь менее склонен к разделению, а качество сетки поддерживается лучше. Это полезно для моделирования флаттера лопатки в области зазора, в котором обычно бывает неконформная сетка.

 

Карты производительности (Operating Maps) были впервые представлены в версии 19.2 и обеспечивают упрощенный процесс анализа работы аппарата в нескольких рабочих режимах для построения рабочих карт турбомашины. В CFX-Pre вы подготавливаете единственную модель с диапазонами, определенными для граничных условий – например, диапазон давления и диапазон скорости вращения могут быть определены с помощью табличной функции CEL. Затем отправляется одно задание, которое порождает несколько запусков решателя для покрытия определенного рабочего диапазона. Набор запусков управляется и отслеживается как одно задание, и он может быть обработан в течение одного сеанса.

В версии 2019 R1 продолжено развитие возможностей, выпущенных в 19.2. Теперь несколько рабочих точек могут быть рассчитаны параллельно. Также улучшены мониторинг вычислений и постобработка, предоставлена возможность сохранять только значения невязок и данные мониторинга в файле результатов, что минимизирует использование дискового пространства.

 

Модель пленочного охлаждения лопатки была представлена в версии 19.2 и обеспечивает эффективный и практичный способ моделирования массива охлаждающих отверстий и впрыскиваемого потока пленочного охлаждения на лопатках турбины. Модель не требует точного построения сетки в районе отверстий и полностью совместима с периодическими и движущимися границами.

Для версии 2019 R1 добавлен вариант с цилиндрическим отверстием, где определяется направление сверления, в результате чего на поверхности лопасти появляется отверстие эллиптической формы. Локальные углы направления потока теперь также могут быть указаны как часть параметров впрыскиваемого потока.

Комментарии

Аватар пользователя livan

Здравствуйте! Можно подробнее про Operating Maps ?

Аватар пользователя sbogdanec

Добрый день.
Общая концепция описана, но если другими словами то:
Это инструмент внутри CFX (не работает в версии CFX из-под воркбенч) для расчета в первую очередь турбомашин (компрессоры, вентиляторы, насосы, турбины)

Из-под одного сеанса работы с CFX позволяет создать ряд расчетов, в результате которых получится карта производительности (в случае компрессоров, вентиляторов это расходнонапорная характеристика причем по нескольким изодромам).

То есть это инструмент для удобства пуска задачи, а также удобства ее постобработки. Так как постобработка проводится также из-под одной сессии CFD-Post.

Для самостоятельного пуска такой задачи могу предложить ссылку в хелпе.

CFX-> Modelling Guide-> Chapter 13: Operating Maps and Operating Point Cases

 

Помимо ограничения работы с Workbench, ограничением является работа с System Coupling.

Аватар пользователя livan

Спасибо!

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии