ANSYS Advantage Русская редакция №13 2010 Машиностроение_Machinery

МАШИНОСТРОЕНИЕ

Èñïîëüçîâàíèå FLUENT ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ÈÀ

FSI-ðàñ÷åò ãàçîâûõëîïà ÃÒÄ

Ãèäðîäèíàìèêà ãðåáíîãî âèíòà

13'2010

ADVANTAGE

Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженерно/технический журнал Выходит 4 раза в год 13'2010 Учредитель: ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор: Локтев Валерий Руководитель проекта: Хитрых Денис Над номером работали: Чернов Александр Юрченко Денис Переводчик: Юрченко Анна Интернет группа: Николаев Александр

Технологии ANSYS Multiphysics Опыт применения FSI-технологий ANSYS при расчете выхлопного тракта газовой турбины ............................................... 2 Расчет НДС ответственных узлов карьерного самосвала грузоподъемностью 360 тонн ................................................................................ 5

ANSYS CFD Использование ANSYS FLUENT при проектировании измерительной аппаратуры ............................................................................................................. 8 Моделирование последствий стихийных бедствий с помощью ANSYS CFD ....................................................................................... 10 Разработка системы охлаждения дизельного поезда с применением ANSYS CFX ................................................................................ 12 Моделирование гидродинамики гребного винта Rolls-Royce с учетом эффекта кавитации .............................................................................. 16 Применение методов вычислительной гидродинамики в проекте РУ для АЭС средней мощности ......................................................... 19 Применение методов вычислительной гидродинамики при проектировании теплообменного оборудования ........................................ 23

Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 Тираж 1500 экз. Цена свободная

Расчет в ANSYS FLUENT нагнетания воздушных пузырьков на омываемую поверхность судна ...................................................................... 26

Мастер класс Очистка и исправление дефектов геометрии в ANSYS DesignModeler 12.0 .. 28 Пример использования GGI-интерфейса и пользовательских функций для задания характеристик вентилятора ........................................................... 31

Аппаратное обеспечение Эффективность параллельных вычислений в комплексе ANSYS CFX 12.0 в зависимости от используемого типа сетевого интерконнекта...................... 33

© 2010 ANSYS, Inc. © 2010 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

Опыт применения FSI-технологий ANSYS при расчете выхлопного тракта газовой турбины

2

Johan Gullman-Strand и Kenny Krogh Nielsen, Lloyd’s Register ODS, Копенгаген, Дания

С помощью связанных расчетов в короткие сроки была быстро определена причина разрушительных вибраций и создан новый проект выхлопного тракта. Компании, занимающиеся добычей нефти и газа на шельфе, могут нести существенные убытки даже при незначительных простоях, поэтому они должны быть осведомлены о возможных поломках оборудования, которые могут повлечь за собой любой сбой или отказ в работе системы. В связи с этим, было проведено исследование усталостных трещин и открытых разрывов в дымовых трубах газовых турбин, вращающих электрические генераторы и газовые компрессоры, — на

буровой вышке, расположенной в Северном море. 10-метровая конструкция, состоящая, из сварных панелей направляет поток газов с температурой 540 °С и скоростью до 180 м/с. При этом датчики вибраций, расположенные на одной из труб, показали сильный уровень вибрации — на частоте около 20 Гц, в особенности это касается нижней конической секции, в которой возникает большинство трещин. Для моделирования процессов, происходящих в дымовых трубах, нефтедобывающая компания StatoilHydro обратилась в инженерно-консалтинговую фирму Lloyd’s Register ODS (LR ODS). Основной целью было определить главную причину вибраций, возникающих в су-

Èñõîäíûé ïðîåêò

Íîâûé ïðîåêò D1

Ýôôåêòèâíîñòü FSI-ðàñ÷åòîâ áûëà äîñòèãíóòà âî ìíîãîì áëàãîäàðÿ èñïîëüçîâàíèþ åäèíîãî èíñòðóìåíòà äëÿ ïîñòðîåíèÿ ðàñ÷åòíûõ ñåòîê — ANSYS ICEM CFD. Ñåòêè äëÿ CFD ðàñ÷åòà (ñëåâà â êàæäîé ãðóïïå) áûëè ïîñòðîåíû ñ ïîìîùüþ îáúåìíûõ ýëåìåíòîâ, îáîëî÷å÷íûå ýëåìåíòû èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ÍÄÑ (ñïðàâà)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

FSI-ðàñ÷åò ïîêàçàë, ÷òî îñíîâíàÿ ïðè÷èíà âèáðàöèé â èñõîäíîì ïðîåêòå çàêëþ÷àëàñü â îáøèðíîé îáëàñòè îòðûâíîãî òå÷åíèÿ — ÷àñòîòà êîëåáàíèé äàâëåíèÿ ñîâïàäàëà ñ ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé ñòåíîê äûìîâîé òðóáû. Áîëüøóþ çîíó ðåöèðêóëÿöèè, ïðèñóòñòâîâàâøóþ â èñõîäíîì ïðîåêòå, óäàëîñü çíà÷èòåëüíî óìåíüøèòü â íîâîì ïðîåêòå D1 ществующей конструкции, а также уровни шума, характерные для двух новых проектов дымовых труб. В существующей конструкции большинство сечений были главным образом прямоугольными, оба новых проекта имели цилиндрическую форму в среднем сечении трубы. В одном из новых проектов, D1, были достаточно длинные секции с плоскими стенками. С помощью инженерных расчетов специалисты LR ODS в сжатые сроки подробно изучили представленные проекты, что было бы затруднительно при создании и тестировании физических прототипов. Сначала инженеры провели модальный анализ с помощью ANSYS Mechanical, получив достаточно низкие первые собственные частоты в диапазоне от 15 Гц до 25 Гц. Формы колебаний из проведенного расчета показали, что максимальная амплитуда колебаний приходится на нижнюю коническую секцию каждой конструкции. Затем команда инженеров провела FSIрасчет для исследования движения турбулентного потока отработанных газов через дымовую трубу и итоговых колебаний давления на стенки. Получив колебания давления от отработанных газов, специалисты могли определить, какие моды были возбужденными. Затем можно было рассчитать уровни напряжений для всей конструкции. При проведении гидродинамических расчетов и анализа колебаний специалисты компании LR ODS использовали программные

www.ansyssolutions.ru

комплексы ANSYS CFX и ANSYS Mechanical соответственно. Для работы над проектом специалисты рассматривали несколько методов для расчета турбулентного потока: решение осредненных уравнений Навье-Стокса (RANS), метод крупных вихрей (LES), метод отсоединенных вихрей (DES) и подход нестационарной модели RANS (URANS), вариант эффективного метода RANS, в котором поток может изменяться со временем. Принимая во внимание многолетний опыт работы специалистов в области инженерных расчетов и эффективность метода URANS при расчете относительно низкочастотных колебаний, инженеры LR ODS остановились на методе URANS для проведения FSI-расчета дымовой трубы. Использовался комплекс ANSYS CFX и URANS подход для моделирования турбулентности, поля скоростей и давлений в рамках двустороннего FSI расчета. Затем поле давлений передавалось в ANSYS Mechanical для расчета поля напряжений, а также деформаций стенок. Расчет проводился с шагом по времени 1 мс — достаточным для обеспечения высокой точности. Для расчета работы дымовой трубы на протяжении 1 секунды, необходимо было провести расчет 1,000 шагов при общем времени расчета менее 12 часов — по сравнению с 6 днями, необходимыми для проведения пробных FSIрасчетов с использованием моделей турбулентности группы DES. Подобная скорость и эффективность расчетов была достигнута во многом

Èñïîëüçîâàëñÿ êîìïëåêñ ANSYS CFX äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ ïîëÿ ñêîðîñòåé è äàâëåíèé â ðàìêàõ äâóñòîðîííåãî FSI ðàñ÷åòà â ïðîåêòå D1

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

3

Технологии

4

благодаря использованию единого инструмента для построения расчетных сеток — ANSYS ICEM CFD. FSI-расчет показал, что основная причина вибраций в исходном проекте заключалась в обширной области отрывного течения — частота колебаний давления совпадала с собственной частотой стенок дымовой трубы. Результаты FSI-расчета показали, каким образом отрыв больших отдельных вихревых структур приводил к сильным вибрациям стенок. При таких вибрациях, уровни циклических напряжений превышали предел усталости материала, и амплитуда деформации превышала 2 мм. Расчет показал, что большую зону рециркуляции, присутствовавшую в исходном проекте, удалось значительно уменьшить. Совместно с производителем, Mjorud AS, инженеры LR ODS внесли изменения в проект дымовой трубы с целью увеличения первой собственной частоты конструкции выше основной частоты колебаний давления. Кроме того, дополнительная тепловая изоляция позволила увеличить демпфирование конструкции. Внесение проектных изменений стало возможным благодаря использованию расчетных комплексов ANSYS, что дало инженерам возможность понять природу колебаний и быстро проанализировать влияние различных факторов. Следуя проектным рекомендациям, производитель изготовил и опробовал дымовую трубу нового образца на пяти газовых турбинах, установленных на нефтегазовой платформе. Полевые испытания одной трубы показали, что максимальный уровень одночастотных вибраций сократился на 30%, а общий уровень вибраций был уменьшен на 80%. Уже более двух с половиной лет пять дымовых труб нового образца эффективно и надежно работают на шельфовом месторождении. Более того, благодаря разработанной методике FSI-расчета, компания Mjorud получила эффективный инструмент для оценки будущих проектов дымовых труб, что в свою очередь позволит избежать затрат на экстренное устранение неисправностей. Ëèòåðàòóðà 1.

[1] Gullman-Strand, J.; Nielsen, K.K.; Hansen, L.V. DES and FSI 2. for Industrial Applications, Proceedings of the Fourth National 3.

Conference on Computational Mechanics, pp. 7–24, 2007, 4.

ISBN 978-82-519-2235-7, 5.

[2] Nielsen, K.K. et al. Coupled CFD–FEM Analyses Used for Gas 6.

Turbine Exhaust Duct Vibration Troubleshooting, Proceedings of 7.

Turbomachinery Symposium 2007.

www.ansyssolutions.ru

Ïîëå íàïðÿæåíèé ïîëó÷åííîå â ANSYS Mechanical äëÿ íîâîãî ïðîåêòà D1, â ìîìåíò âðåìåíè 1.995 ñåêóíä. Ïîêàçàíî èç äâóõ ðàçëè÷íûõ òî÷åê îáçîðà

Строение дымовой трубы газовой турбины Дымовая труба газовой турбины направляет горячие газы вверх к утилизатору уходящего тепла (WHRU) или к байпас-каналу (в зависимости от положения отводного клапана). Геометрия трубы является достаточно сложной из-за компоновки газовой турбины и системы каналов, а также необходимости минимизировать срыв потока. Коллектор отработанных газов с круглым входным и прямоугольным выходным отверстиями изменяет направление потока на 90° от оси турбины. В исходном проекте за коллектором располагалась гофрированная вставка, которая механически отделяла часть трубы и компенсировала тепловое расширение системы каналов. Затем следовали две переходные секции : нижняя (от прямоугольного к цилиндрическому сечению) и верхняя (обратно к прямоугольному сечению). Подобная конструкция была создана достаточно давно, при этом гидродинамика потока не была приоритетной. Большинство усталостных трещин образовывалось в нижней конической секции, в связи с этим была проведена серия FSI-расчетов для изучения резонансных колебаний, вызванных движением турбулентного потока отработанных газов в дымовой трубе.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

Расчет НДС ответственных узлов карьерного самосвала грузоподъемностью 360 тонн

Vladimir Pokras, ведущий специалист по компьютерному моделированию, Liebherr Mining Equipment Co., Вирджиния, США

Специалисты Liebherr используют программные комплексы ANSYS для расчета напряженно-деформированного состояния грузовиков с гибридным двигателем. Карьерные самосвалы предназначены для транспортировки больших объемов полезных ископаемых, добываемых при открытой разработке. Максимальный эксплуатационный вес современных самосвалов измеряется сотнями тонн, для сравнения — максимальная грузоподъемность стандартного тягача составляет лишь 50 тонн. В связи с необходимостью эффективного использования топлива, добывающие компании все чаще вместо механических агрегатов используют грузовые машины с дизельным двигателем, приводящим в действие генератор переменного тока, который питает тяговые электродвигатели, вращающие колёса. Грузовики с гибридной установкой дешевле, ими легче управлять по сравнению с механическими системами, особенно на крутых подъемах дороги. Кроме того, гибридные грузовики легче содержать и ремонтировать, что является неоспоримым пре-

Liebherr T 282 B — ëèäåð ñðåäè ãèáðèäíûõ ñàìîñâàëîâ ïî ðàçìåðàì è ãðóçîïîäúåìíîñòè

www.ansyssolutions.ru

имуществом в условиях горнопромышленных разработок, где зачастую поломки необходимо ликвидировать на месте. Компания Liebherr Mining Equipment Co. является мировым лидером по производству карьерных самосвалов. Одной из наиболее популярных является модель T 282 B — на данный мо-

Êàðüåðíûå ñàìîñâàëû ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ òðàíñïîðòèðîâêè áîëüøèõ îáúåìîâ ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ, äîáûâàåìûõ ïðè îòêðûòîé ðàçðàáîòêå мент это лидер среди гибридных самосвалов. Грузоподъемность составляет 363 тонны, длина машины — 15,3 метров, а высота — 7,8 метров. Мощный двигатель в 3650 лошадиных сил приводит в движение 6 четырехметровых колес. Соотношение грузоподъёмность/ вес пустой машины является важнейшей характеристикой для грузовиков. Показатель модели T 282 B — 1.6 — является лучшем для данного класса машин, что является неоспоримым преимуществом в силу нескольких причин. Более легкие самосвалы могут перевозить больше груза, не перегружая колеса; в связи с этим дорогостоящие колеса могут прослужить дольше. Кроме того, сокращается количество пустых ходок, что также является источником экономии.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

5

Технологии

6

Îñíîâíûå ÷àñòè ãðóçîâèêà — ðàìà (ââåðõó) è êóçîâ (âíèçó) îïðåäåëÿþòñÿ êàê ãèáêèå òåëà äëÿ èçó÷åíèÿ èõ äåéñòâèÿ ïðè áîëüøèõ íàãðóçêàõ Основная трудность, возникающая при проектировании легковесных самосвалов, заключается в том, что они должны быть достаточно прочными в суровых условиях работы на месторождениях полезных ископаемых. Это достаточно трудная задача, особенно с учетом того, что правила эксплуатации грузовиков нарушаются достаточно часто. Водители зачастую едут с максимальной скоростью на загруженном самосвале по валунам, выбоинам, огромным лужам и трясине. Каждый день во всем мире грузовики подвергаются подобным нагрузкам — при перевозке угля в индонезийских джунглях, медной руды в Чили, железной руды в Южной Африке и нефтяного песка в северной Канаде. Принимая во внимание миллионы долларов и многие месяцы работы, требуемые для проведения лишь одной серии испытаний прототипа на предмет подобных нагрузок, в процессе проектирования инженеры Liebherr отдают предпочтение компьютерному моделированию. В частности, создаются виртуальные прототипы конструкции грузовика для изучения различных случаев нагружения, включая повороты, попадание в ямы и выбоины. В процессе расчетов, в случае выявления проблем, существует возможность внести изменения в модель и рассмотреть возможные варианты, что было бы чрезвычайно затруднительно при проведении натурных испытаний.

www.ansyssolutions.ru

Основная задача инженеров-конструкторов Liebherr — найти и устранить возможные проблемы в проекте на ранних этапах разработки, максимально сократив количество испытаний физических прототипов. В настоящее время для каждой новой модели грузовика требуется изготовление 2-3 прототипов — это вдвое меньше, чем требовалось 10 лет назад. В будущем планируется изготавливать лишь один образец, в связи с этим инженерные расчеты должны быть максимально точными. С помощью программного комплекса ANSYS Mechanical инженеры Liebherr проводят моделирование нагрузок, жесткости, деформации и собственных частот основных деталей и систем грузовика — в особенности, в случаях, когда необходимо точно рассчитать жесткость и нелинейные характеристики конструкции. В противном случае, задание всех элементов абсолютно жесткими не обеспечит необходимую точность для определения поведения машины в условиях реальных нагрузок. В частности, инженеры компании использовали метод деформируемых тел Craig– Bampton, доступный в программном комплексе ANSYS Mechanical. Масса и жесткость элементов представляется с помощью обобщенных координат или форм колебаний. Благодаря этому сокращается число степеней свободы, и в результате обеспечиваются адекватные статические и динамические характеристики объектов. Использование метода деформируемых тел особенно важно для деталей, испытывающих достаточно большие деформационные нагрузки. Прежде всего, это относится к раме грузовика и верхней части, поскольку они больше всего деформируются под действием сил, возникаю-

Êîíñòðóêöèÿ äëÿ çàùèòû ïðè îïðîêèäûâàíèè îáåñïå÷èâàåò áåçîïàñíîñòü âîäèòåëÿ â ñëó÷àå ñåðüåçíûõ àâàðèé, è äîëæíà îáëàäàòü ñïîñîáíîñòüþ ê äåôîðìàöèè, ïðåâûøàþùåé ïðåäåëüíîå íàïðÿæåíèå ñäâèãà.  ñâÿçè ñ ýòèì, â ðàñ÷åòå äîëæíû ó÷èòûâàòüñÿ íåëèíåéíûå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Ñâîéñòâà êîíòàêòíûõ ýëåìåíòîâ è òðåíèÿ âàæíû ïðè ðàñ÷åòàõ áîëòîâûõ ñîåäèíåíèé, ïðîâîäèìûõ â ïðîãðàììíîì êîìïëåêñå ANSYS Mechanical ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðåäíàïðÿæåííûõ ýëåìåíòîâ щих при движении нагруженного самосвала по бездорожью и труднопроходимой местности. Важной особенностью ANSYS является расчет нелинейно деформирующихся материалов. Конструкция для защиты при опрокидывании обеспечивает безопасность водителя в случае серьезных аварий, и должна обладать способностью к деформации, превышающей предельное напряжение сдвига. В связи с этим, в расчете должны учитываться нелинейные свойства материалов. В контактных задачах «поверхность-поверхность» автоматически определяются точки

контакта с учетом различных свойств материала. В контактных задачах с трением инженеры Liebherr расчитали силы, действующие на кузов самосвала при различных перевозимых грузах, таких как грунт, камни или руда. Свойства контактных элементов и трения важны при расчетах болтовых соединений, проводимых в программном комплексе ANSYS Mechanical с использованием преднапряженных элементов. Таким образом, специалисты Liebherr смогли подробно изучить характеристики деталей и сборок грузовика на ранних этапах проектирования, до начала изготовления прототипов. Компьютерное моделирование дает возможность изучить технические характеристики компонентов, сборок и всей машины в целом. Несколько лет назад моделирование применялось как инструмент для верификации проекта в конце этапа разработки, теперь создание виртуальных прототипов стало важнейшим этапом, тесно интегрированным в общий процесс разработки. Сегодня некоторые компании все еще производят карьерные самосвалы «по старинке», без использования инновационных технологий. Однако единственный способ создания мощных и конкурентных моделей заключается в применении новых технологий проектирования изделий, в частности, программных комплексов ANSYS. Использование таких инструментов позволяет компаниям завоевывать лидирующие позиции в условиях глобальной конкуренции в сфере горно-транспортного оборудования.

Êîìïàíèÿ Liebherr Mining Equipment Co., âñåìèðíûé ëèäåð ïî ïðîèçâîäñòâó êàðüåðíûõ ñàìîñâàëîâ, àêòèâíî èñïîëüçóåò êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ïðè ñîçäàíèè íîâûõ ìîäåëåé ãðóçîâèêîâ

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

7

Технологии

Использование ANSYS FLUENT при проектировании измерительной аппаратуры

8

Axel Vedder, технический директор, VSE Volumentechnik GmbH, Neuenrade, Германия Mourad Lotfey, CFD-инженер, ANSYS, Inc., Otterfing, Германия

С помощью инженерных расчетов производители немецкого измерительного оборудования повышают надежность продукции. Расходомеры используются в авиации, судостроении, медицинских приборах, автомобильной отрасли и энергетике. Подобные устройства позволяют контролировать бесперебойную работу всех систем и процессов путем измерения таких характеристик, как объёмный расход, давление, температура и концентрация веществ. Расходомеры помогают определить, являются ли гидравлические характеристики оптимальными, работает ли трубопровод на максимальной мощности, правильно ли подаются добавки (присадки) в основной поток. Подобные измерительные системы должны быть надежными и точными. Работа измерительных приборов немецкой компании VSE Volumentechnik GmbH основывается на принципе объемного нагнетания. Пара зубчатых колёс, расположенных в корпусе, составля-

Ðàñ÷åòíà ñåòêà ìîäåëè îáúåìíîãî ðàñõîäîìåòðà

www.ansyssolutions.ru

ет измерительный механизм прибора. Поворот измерительного механизма на каждый шаг регистрируется бесконтактным способом системой приема сигналов и преобразуется в цифровые импульсы. Шестеренчатые расходомеры представляет собой точную и эффективную систему измерения объёмного расхода жидкостей, однако традиционно характеризуются повышенным уровнем шума, вибрацией, а также потерями давления вследствие постоянного вращения зубчатых колес. Это приводит к преждевременному износу оборудования, а также может доставлять неудобство сотрудникам, работающим в непосредственной близости. Традиционные методы не дают возможности определить точные причины указанных проблем. Однако программные комплексы линейки ANSYS позволяют моделировать гидродинамические процессы в расходометре, понять причины и предложить эффективное решение проблем эксплуатации. На начальном этапе расчета инженеры компании VSE импортировали CAD-геометрию с последующей «чисткой». Затем была создана расчетная сетка с использованием гексаэдральных и призматических элементов. С помощью программного комплекса ANSYS FLUENT инженеры провели нестационарный гидродинамический расчет расходомера. В ANSYS FLUENT технология динамических сеток позволила автоматически перестраивать расчетную сетку в процессе счета, т.к. вследствие вращательного движения механизма, объемная сетка деформировалась. Комплекс позволил провести расчет гидродинамики вращающихся полостей с жидкостью между зубьями шестеренок для каждого малого поворота образующего полный оборот системы. Инженеры VSE провели расчет трехмерной модели объемного расходомера: моделирова-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Êîíòóðû äàâëåíèÿ íà ñòåíêàõ лось несжимаемое, ламинарное, изотермическое, неньютоновское течение. Поскольку моделировать реальные условия течения достаточно сложно, для экономии вычислительных ресурсов, в расчете использовались некоторые упрощения. В проведенном расчете не учитывались силы трения между зубчатыми колесами, а также проявления инерционных сил. Кроме того, в учет не принимались трение и утечки между боковыми поверхностями колес и стенками корпуса. В результате расчетов была получена такая информация, как распределение давлений, скоростей, время пребывания и теплота вязкого трения. С помощью трехмерных линий тока определялись области рециркуляции. При расчете в ANSYS FLUENT также определялось пространственное распределение скоростей, градиенты касательного напряжения, силы поверхностного трения. Далее инженеры рассчитали крутящий момент как векторное произведение поверхностных сил (давление и трение) на расстояния от зубчатого сектора до оси вращения. Проанализировав влияние различных зон на общий крутящий момент, инженеры обнаружили зону с максимальным крутящим усилием. После внесения соответствующих проектных изменений, они

Óâåëè÷åííûé ó÷àñòîê ñåòêè âîçëå çóá÷àòîãî êîëåñà

www.ansyssolutions.ru

смогли минимизировать потери давления (и соответственно уменьшить общие энергозатраты прибора). После этого появилась возможность детального анализа процессов охлаждения, смешивания, потери давления и дегазации. Благодаря гидродинамическому расчету, проведенному в ANSYS FLUENT, была установлена причина возникновения шума, и инженеры компании VSE смогли разработать меры по уменьшению уровня вибрации, шума и потерь давления. Специалисты VSE намерены и в дальнейшем проводить оптимизацию рабочих характеристик приборов с помощью программных комплексов ANSYS в силу их экономичности, свободной интеграции в проектную систему и значительного сокращения времени проектирования.

Построение динамических сеток Технология динамических сеток в программном комплексе ANSYS FLUENT позволяет моделировать сложные процессы, включающие нестационарное движение объектов. В подобных случаях метод динамических сеток используется для перемещения границ и/или объектов с соответствующим перестраиванием расчетной сетки. Существует несколько технологий перестраивания расчетной сетки, включая layering, smoothing и remeshing, которые могут использоваться для различных движущихся компонентов — в рамках одного расчета. Пользователю необходимо построить начальную сетку и описать движение границ. Процесс движения и деформации сетки (согласно описанному движению границ) осуществляется с помощью решателя ANSYS FLUENT, поскольку при дроблении и объединении ячеек учитываются соответствующие особенности. Функционал решателя позволяет автоматически менять шаг по времени, что обеспечивает сокращение времени и устойчивость расчета. Возможность автосохранения (Autosave) позволяет сохранять на каждом шаге по времени промежуточные файлы, в которых содержаться полевые величины и состояние расчетной сетки. Сохраненные файлы могут также использоваться для создания анимации динамических сеток и различных параметров (например, профилей давления или линий тока). Технология динамических сеток совместима с другими моделями, содержащимися в ANSYS FLUENT, включая широкий спектр моделей горения, распыла и многофазных моделей, в том числе для свободной поверхности и течения сжимаемой жидкости. Динамические сетки могут использоваться, в частности, при моделировании обгона автомобиля, подвижного закрылка крыла самолета, движения поршня в цилиндре двигателя, отсоединения боеприпасов от самолета, движения корабля, открытия/закрытия клапана.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

9

Технологии

Моделирование последствий стихийных бедствий с помощью ANSYS CFD

10

Domenico Maria Doronzo, аспирант, Centro Interdipartimentale di Ricerca per il Rischio Sismico e Vulcanico (CIRISIVU), отдел геоминералогии, Университет Бари, Италия

Итальянские ученые использовали программный комплекс ANSYS FLUENT в расчете взаимодействия вулканических потоков и зданий в зоне стихийного бедствия. Геологические процессы, возникающие при извержении вулкана, часто приводят к разрушительным последствиям. Вулканические потоки можно условно разделить на две категории — хорошо изученные потоки лавы (при извержении) и пирокластические потоки (при бурном извержении). Примерами бурного извержения вулкана могут быть природные катаклизмы вулкана Везувий (Италия) в древние времена, а также сравнительно недавние извержения вулканов Святой Елены (США) и Пинатубо (Филиппины). Извержение может быть вызвано дроблением магмы вследствие больших нагрузок на подземную расплавленную породу (магму) или дроблением фреатомагматических отложений, происходящего при взаимодействии магмы с водой [1]. В обоих случаях в вулканах образуется и извергается многофазная смесь горячих газов и твердых частиц (пепел и пемза). Если смесь в кратере состоит из равновесной струи, извержение происходит только снизу вверх и образует «вулканическую колонну»; если давление превышает атмосферное, струи распространяются во всех напрявлениях и образуют «вулканический гриб». Когда «колонны» и «грибы» достигают максимально допустимой высоты при существующей скорости потока против гравитации, происходит их разрушение, в результате которого образуются пирокластические потоки. Пирокластические потоки чрезвычайно опасны, поскольку они быстро распространяются по окружающей территории [2], разрушая здания и принося огромный вред жилым райо-

www.ansyssolutions.ru

нам. Согласно последним геофизическим исследованиям, поскольку кратер извержения обычно находится вдали от жилых районов, пирокластические потоки достигают жилых массивов в виде турбулентного полностью развитого течения [3]. Многофазная природа пирокластических потоков влияет на турбулентность и динамическое давление. В потоке присутствует сильная стратификация скорости и концентрации частиц [4], таким образом, турбулентность и давление должны учитывать взаимодействие газа и твердых частиц. Основываясь на результатах предыдущих исследований, ученые Университета Бари (University of Bari, Италия) использовали программный комплекс для расчета гидродинамики ANSYS FLUENT в расчете взаимодействия меж-

Âóëêàíè÷åñêàÿ êîëîííà ïðè èçâåðæåíèè âóëêàíà Ñâÿòîé Åëåíû (ìàé 1980 ã.)

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

11

Ïðîôèëè èíòåíñèâíîñòè òóðáóëåíòíîñòè (ñëåâà), êîíöåíòðàöèè ÷àñòèö (ïîñåðåäèíå) è ñêîðîñòè âäîëü îñè Õ (ñïðàâà) ду пирокластическими вулканическими потоками и одним равносторонним зданием. Необходимо было рассчитать локальное поле скоростей потока для последующей оценки последствий извержения в зоне риска с учетом турбулентности. Для моделирования многофазных турбулентных потоков, сходящих со склонов вулкана на определенном расстоянии от кратера, ученые провели в ANSYS FLUENT серию двумерных стационарных расчетов для пирокластических потоков. Размеры исследуемой области составили 190 м в длину и 50 м в высоту; здание размером 10 м х 10 м располагалось на расстоянии 80 м от притока. Использовалась расчетная сетка с 200,000 прямоугольных ячеек. Для учета эффектов стратификации потока и обратного течения вблизи здания, была выбрана модель турбулентности realizable k-ε в сочетании с неравновесными пристеночными функциями. Была обеспечена необходимая детализация сетки вблизи грунта и здания, на входе задавался профиль скорости с учетом турбулентного пограничного слоя, а также данные по интенсивности турбулентности и масштабу длин, взятыми из литературы [5]. Для моделирования частиц, содержащихся в потоке, применялась модель дискретной фазы ЭйлераЛагранжа в ANSYS FLUENT с использованием ряда точек для ввода частиц. Данные точки позволили задать распределение по размерам частиц от 0.06 мм до 2.8 мм, а также профиль концентрации, уменьшающийся снизу вверх вдоль граничного условия входа — это позволило задать стратификацию потока. На выходе было задано атмосферное давление, в области земли и стен строения было задано граничное условие стенка (с условием прилипания). Результаты расчетов показали сильное изменение поля скоростей в области здания вследствие высокого числа Рейнольдса или сильного турбулентного потока. Кроме того, результаты показали, что концентрация частиц очень высока возле фундамента здания, что усиливает динамическое давление [3], сильно воздействующее на двери.

www.ansyssolutions.ru

Таким образом, использование численных методов помогает при изучении действия пирокластических потоков, а также в целом разжиженных природных потоков, на здания и естественную среду с последующей оценкой возможного геологического риска. В будущем исследователи планируют сравнить результаты расчетов в ANSYS FLUENT с новейшими экспериментальными исследованиями, посвященными действию пирокластических потоков на здания [6, 7]. Ëèòåðàòóðà 1.

Carey, S. N. Transport and Deposition of Tephra by Pyroclastic Flows and Surges in Sedimentation in Volcanic Setting; Editors R.V. Fisher and G.A. Smith, SEPM (Society for Sedimentary Geology): Tulsa, 1991; Special Publication No. 45, pp. 39–57.

2.

Cas, R.; Wright, W. Volcanic Succession: Modern and Ancient; Allen and Unwin; London, 1987.

3.

Dellino, P.; Mele, D.; Sulpizio, R.; La Volpe, L.; Braia, G. A Method for the Calculation of the Impact Parameters of Dilute Pyroclastic Density Currents Based on Deposits Particle Characteristics. Journal of Geophysical Research, 2008, Vol. 113, No. B07206, doi:10.1029/2007JB005365.

4.

Valentine, G. A. Stratified Flow in Pyroclastic Surges.

Bulletin of Volcanology, 1987, Vol. 49, pp. 616–630.

5.

Blocken, B.; Roels, S.; Carmeliet, J. Modification of Pedestrian Wind Comfort in the Silvertop Tower Passages by an Automatic Control System. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2004, Vol. 92, pp. 849–873.

6.

Dellino, P.; Zimanowski, B.; Buttner, R.; La Volpe, L.; Mele, D.; Sulpizio, R. Large-Scale Experiments on the Mechanics of Pyroclastic Flows: Design, Engineering and First Results. Journal of Geophysical Research, 2007, Vol. 112, No. B04202, doi:10.1029/ 2006JB004313.

7.

Doronzo, D. M.; Dellino, P.; Buttner, R.; Dioguardi, F.; La Volpe, L.; Mele, D.; Sonder, I.; Sulpizio, R.; Zimanowski, B. Experimental Setting of Interaction between Pyroclastic Flows and Buildings. Conferenza A. Rittman, La Vulcanologia Italiana: Stato dell’Arte e Prospettive Future, 2009, abstract volume, pp. 281– 282.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

Разработка системы охлаждения дизельного поезда с применением ANSYS CFX

12

Bernd Horlacher и Steffen Kаmmerer, инженеры-проектировщики, Voith Turbo, Crailsheim, Германия

С помощью ANSYS компания Voith Turbo снижает уровень шума вентиляторов в системе охлаждения вагонов В определенных режимах работы, в дизельном поезде основным источником шума выступает система охлаждения, в частности, вентиляторы. В связи с постоянным ужесточением норм по выбросам и, в целом, повышением требований к продукции, системы охлаждения постоянно повышают производительность, что в свою очередь, приводит к повышению уровня шума. Специалисты немецкой компании Voith Turbo предлагают свое решение данной проблемы.

Voith Turbo — ведущая компания, специализирующаяся на изготовлении высокотехнологичного оборудования, используемого в различных отраслях промышленности, прежде всего, в автомобильном, железнодорожном и водном транспорте. Оборудование, производимое Voith Turbo Cooling Systems (подразделение Voith Turbo), пов-

Äèçåëüíûé ïîåçä ATR 220 Pesa ñ óñòàíîâëåííîé ñèñòåìîé îõëàæäåíèÿ Voith Turbo

www.ansyssolutions.ru

семестно используется в вагонах и локомотивах, включая высокоскоростные поезда(дизель-гидравлические, дизель-электрические и электрические). Охладительные системы Voith Turbo используются для охлаждения дизельных двигателей, трансмиссий, инвертеров, дросселей и приводов. Существенным недостатком традиционной конструкции вентилятора является сильный шум, возникающий при скорости вращения 3,500 об/ мин и окружной скорости лопасти до 360 км/ч. Чтобы уменьшить уровень шума, инженеры Voith Turbo Cooling Systems совместно с учеными

Ñòàíäàðòíûé âåíòèëÿòîð Voith (ââåðõó) è íîâàÿ ìîäåëü Voith SilentVent (âíèçó)

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Êîíöåâîé âèõðü University of Siegen создали новую модель вентилятора Voith SilentVent™. Однако при его эксплуатации возникает следующая проблема: системы охлаждения в вагонах устанавливаются на крыше или у основания, таким образом, они получаются компактнее систем охлаждения локомотивов. Входной канал вентилятора часто блокируется, и, таким образом, возле лопастей входящий поток сильно искажается. Это снижает эффективность работы и повышает уровень шума вентилятора. Еще одной проблемой является недостаток места для установки при необходимости большого расхода воздуха. Место для установки ограничивается габаритами (высота вагона и контур крыши ограничены, поскольку поезд должен проходить через туннели). Кроме того, поток может блокироваться другими установлен-

ными системами, а корпус вентилятора имеет заданную осевую монтажную высоту. С точки зрения акустики, система охлаждения вагонa является открытой, поскольку ее элементы являются звукопроницаемыми. Для оценки эффективности и анализа шумового воздействия вентилятора SilentVent по сравнению со стандартной конструкцией, инженеры, помимо собственных разработок, использовали программный комплекс для расчета гидрогазодинамики. Необходимо было показать эксплуатационную надёжность системы охлаждения в сборе с помощью ANSYS CFX. Система охлаждения состоит из четырех теплообменников и трех осевых вентиляторов, в которых воздуховоды разделяются металлическими перегородками и загромаждаются трубами. Рассматривался вариант, когда вагон прибывал на станцию после движения на высокой скорости. Вентиляторы все еще вращаются на полной скорости, рассеивая тепло, но из-за отсутствия естественного вентилирования, теплый воздух может вернуться к теплообменникам. Обратное течение может ухудшить работу системы охлаждения. Для точности расчетов, учитывалась большая область снаружи системы охлаждения. Расчетная сетка включала 50 миллионов расчетных ячеек и и была сбалансирована исходя из детализации, и наличия ресурсов для проведения расчетов в сжатые сроки. Однако такие части, как вентилятор, получили максимальную густоту сетки для точного анализа областей срыва потока. В данной модели были приняты некоторые упрощения, в частности, теплообменники были определены как пористая среда. Используя мо-

Ñõåìà ñèñòåìû îõëàæäåíèÿì

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

13

Технологии

14

Âîçäóõ, âûõîäÿùèé èç âåíòèëÿòîðà дель пористого тела в ANSYS CFX на основе закона Дарси, модель теплообменника была откалибрована по коэффициенту сопротивления для соответствия зависимости потери давления от объемного расхода. Визуализация потока с использованием линий тока не показывает никаких обратных потоков, проходящих через теплообменники охладительной системой с установленными стандартными вентиляторами Voith или с новыми вентиляторами SilentVent. В обоих случаях был показан чистый поток. С использованием гидродинамического кода ANSYS, инженеры смогли определить объёмный расход каждого вентилятора и распределение потока от теплообменника до вентиляторов. Инженеры смогли узнать крутящий момент, потребляемую мощность, повышение давления и эффективность полной системы охлаждения — эти данные чрезвычайно сложно получить в идеальных условиях натурных испытаний. Для оценки тонового шума в расчете использовался макрос ANSYS CFX Turbo Noise на основе модели Lowson. Результаты расчета хорошо согласовались с экспериментом. Turbo Noise использовался для сравнения различных проектов и подтверждения меньшего уровня

шума вентилятора SilentVent по сравнению со стандартным вентилятором. В SilentVent расстояние между входным и выходным отверстиями больше по сравнению со стандартным вентилятором, в связи с чем воздуховод находится ближе к заграждающим трубам и, в некоторых случаях, к земле. Кроме того, происходит большее изменение направления (отклонение) потока воздуха между теплообменниками и воздуховодом. В связи с этим, лопасти вентилятора SilentVent были спроектированы таким образом, чтобы избежать срыва потока. Кроме того, оптимизировав расположение труб и их соединений, можно улучшить квазиоптимальный приток. Результаты, полученные в процессе гидродинамических расчетов, планируется использовать в дальнейших исследованиях. В зависимости от этапа разработки, использование виртуальных прототипов для одного вентилятора или целой системы может сократить финансовые затраты на две трети. Программные продукты ANSYS хорошо зарекомендовали себя в процессе работы над проектами Voith Turbo. Инженеры расчетного отдела используют прежде всего CFD-комплексы для расчета преобразователей крутящего момента, гидродинамических муфт и гидродинамических тормозных устройств, а также многих других высокотехнологичных устройств. С помощью ANSYS CFX, инженеры Voith Turbo решают самые разнообразные задачи, включающие несжимаемые/сжимаемые потоки, многофазные потоки, кавитацию и др. Этот программный комплекс является стандартным при расчете вращающихся машин.

Анализ лопаточных машин в пострпроцессоре ANSYS CFD-Post В дополнение к общим функциям постпроцессинга, ANSYS CFD-Post обеспечивает возможности анализа параметров турбомашин. Используя ANSYS CFD-Post, пользователи получают исчерпывающий набор инструментов для визуализации и анализа результатов. Постпроцессор ANSYS CFD-Post может работать с сечениями в двумерной системе коор-

Ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ, ìîíòèðóåìûå íà êðûøå (ñëåâà) è ó îñíîâàíèÿ (ñïðàâà)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

динат. Для получения параметров потока, осредненных в окружном направлении, могут использоваться меридиональные сечения в осе-радиальной системе координат. Развертка поперечного сечения «лопатка-лопатка» (межлопаточный канал) на произвольной высоте является необходимой для понимания особенностей течения и поиска путей улучшения проекта. В постпроцессоре присутствуют специальные возможности построения графиков для вращающихся машин, что позволяет пользователям с легкостью визуализировать уровень нагрузки на лопатку в заданном сечении или отобразить

переменные потока вдоль заданных линий от основания лопатки до верхней кромки, от входа до выхода или в окружном направлении. Все иллюстрации и графики могут быть встроенными в автоматически создаваемых отчетах на основе шаблонов, существующих для различных типов вращающихся машин, в том числе насосов, вентиляторов, турбин, компрессоров и др. Шаблоны включают стандартные характеристики и величины, такие как высота напора, термодинамическая эффективность, коэффициент потерь. ANSYS CFD-Post содержит макрос расчета уровня шума низкоскоростных вентиляторов.

Новости и события Выход Cray CX1 на базе процессоров Intel Xeon 5600 «Westmere» Новая серия процессоров Intel Xeon доступна при заказе суперкомпьютера Cray CX1 Инженерно-консалтинговая компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», авторизованный партнер Cray Inc. в России, сообщила, что новая серия процессоров Intel Xeon доступна при заказе суперкомпьютера Cray CX1. Новая серия процессоров Intel Xeon 5600 получила кодовое название Westmere. С помощью нового процессора, Cray CX1 позволяет достигать производительности более 1 терафлопа в условиях эксплуатации в офисных помещениях. Кроме того, увеличение производительности предполагает значительное улучшение соотношения цена/качество для суперкомпьютера Cray CX1. Линейка процессоров Xeon 5600 изготовлена по 32 нм технологии и является развитием линейки процессоров Xeon 5500. Применение новой технологии изготовления позволило увеличить производительность процессора за счет увеличения частоты вычислительных ядер, емкости кэша, а также для самых производительных процессоров серии (например, 2.93 Ггц Xeon 5670) наличия шести ядер, в то время как для предыдущего поколения «Nahalem» этот показатель составлял максимум 4 ядра. Таким образом, теперь Cray CX1 может иметь до 96 процессоров и достигать производительности более 1 терафлопа на одном шасси (4 FLOPs X 2.93 Ггц X 6 ядер на процессор X 2 процессора на блейд X 8 блейдов на шасси). Производительность более 1 терафлопа является значительным прорывом для Cray CX1. При этом больше не требуется использование центра обработки данных. В Cray CX1 процессоры Xeon 5600 будут доступны в восьми различных вариантах: они будут варьироваться от Xeon L5630 (2.13 Ггц, 4 ядра, 80W) до X5670 (2.93 Ггц, 6 ядер, 95W). При сравнении Xeon 5600 с соответствующим поколением Xeon 5500 (Nehalem), стоимость процессора и потребление энергии является аналогичной. Сохранение цены означает, что Cray CX1 предлагает значительные преимущества в соотношении цена/производительность. Как уже отмечалось, для некоторых вариантов процессоров количество ядер на процессор будет увеличено с 4 до 6. Это обеспечивает увеличение пи-

www.ansyssolutions.ru

ковой производительности до полутора раз. Фактическая производительность будет зависеть от приложения. Большинство HPC-приложений, при использовании шести ядер, будут работать на 20–40% быстрее, чем на процессорах с 4 ядрами. Команда Cray проводила тестирование Xeon 5600 в течение нескольких недель, получив хорошую производительность. Для LINPACK эффективность составила более 85% на экспериментальном изделии. Мы ожидаем, что на серийных изделиях производительность LINPACK достигнет 1TFLOP. Для приложений от Independent Software Vendor (ISV) также получено хорошее ускорение, хотя, как и ожидалось, результаты отличаются, в зависимости от приложения и набора данных. В стандартных тестах определения производительности (Benchmark) ANSYS Fluent, Xeon 5600 (2.93 Ггц, 6 ядер), по сравнению с Xeon 5500 (2.93 Ггц, 4 ядра), показал увеличение производительности от 1.16 до 1.36 раз. Все результаты тестирования Cray CX1 совпадают с прогнозируемой производительностью Intel для Xeon 5600. С увеличением числа ядер до шести на 1 процессор (12 процессоров на блейд), рекомендуется увеличить размер оперативной памяти и емкости дисковой системы для блейдов — для сохранения баланса в вычислительной системе. Например, для многих приложений рекомендуется выделение 2 Гб оперативной памяти на ядро процессора. В течение многих лет производительность более 1 терафлопа была контрольной точкой для высокопроизводительных расчетов. Компания Cray рада предложить достижение этого уровня производительности в одной системе без необходимости применения решения класса центра обработки данных — с возможностью использования в офисном помещении. В суперкомпьютере Cray CX1 эффективность высокопроизводительных вычислений вышла на новый уровень, и с помощью Intel Xeon 5600 был сделан значительный шаг вперед. Компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», авторизованный партнер Cray Inc. в России, реализует и осуществляет техническую поддержку продуктов Cray на территории России. Более подробную информацию Вы можете получить на сайте http://www.ansys.msk.ru, по телефону (495) 644-0608 или отправив запрос по email.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

15

Технологии

Моделирование гидродинамики гребного винта Rolls-Royce с учетом эффекта кавитации

16

Johan Lundberg, CFD-инженер и Per Aren, менеджер проекта, Rolls-Royce Marine, Kristinehamn, Швеция

Компания Rolls-Royce использует компьютерное моделирование при проектировании гребных винтов. За многие годы название Rolls-Royce стало синонимом качества — и не только в области автомобилестроения. Продукция филиала компании Rolls-Royce Marine используется на 20,000 торговых и военных кораблях во всем мире. Компания производит газовые турбины и дизельные двигатели, ядерные энергетические установки, рулевые приводы, стабилизаторы, гребные винты, водомётные движители, лебедки, краны, рули и др. В компании 7,000 сотрудников, которые работают с 2,000 клиентов во всем мире. В Швеции находится центр гидродинамических исследований Rolls-Royce Marine, в котором проводятся расчеты гидродинамики гребных винтов и водомётных движителей. Благодаря серии

Íåñòðóêòóðèðîâàííàÿ ïîâåðõíîñòíàÿ ñåòêà, èñïîëüçóåìàÿ â CFD-ðàñ÷åòå âèíòà Kamewa CP-A

www.ansyssolutions.ru

CFD-расчетов и натурных экспериментов, компании удалось разработать новый гребной винт регулируемого шага Kamewa CP-A. В новом гребном винте лопасти могут вращаться вокруг своей продольной оси для изменения шага гребного винта. Благодаря изменению можно повысить эффективность и маневренность судна на любой скорости и при любых режимах нагрузки. Выбег при торможении можно сократить наполовину по сравнению с винтом фиксированного шага. Обычно в процессе разработки винта используются натурные эксперименты и расчет потенциального течения. Преимущество экспериментов заключается в учете реальных физических процессов, однако их проведение требует существенных затрат времени и денег. Расчет потенциального течения не учитывает реальную геометрию гребного винта. С другой стороны, использование программных комплексов для расчета гидродинамики (CFD) позволяет учитывать все особенности реальной геометрической модели гребного винта. Кроме того, это обеспечивает исчерпывающие результаты (по сравнению с натурными эксперимента-

Ðàñ÷åò ãðåáíîãî âèíòà XF5 (ââåðõó) è íîâîãî âèíòà Kamewa CP-A (âíèçó) â óñëîâèÿõ îòêðûòîé âîäû. Ïîêàçàíû êîíòóðû ñêîðîñòè (1 è 2). Ñòðåëêàìè ïîêàçàíà òîëùèíà ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

17

Êîíòóðû êîýôôèöèåíòà äàâëåíèÿ äëÿ âèíòà XF5 (ñëåâà) è íîâîãî âèíòà Kamewa CP-A (ñïðàâà). Íà ôîòîãðàôèÿõ ëîïàñòåé ïîêàçàíû çîíû êàâèòàöèè. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ â ANSYS FLUENT ïîìîãëè óìåíüøèòü äàâëåíèå íà îñíîâàíèå ëîïàñòè âèíòà CP-A. Íà ôîòî âèíòà CP-A êàâèòàöèÿ îòñóòñòâóåò ми и расчетом потенциального течения) в таких характеристиках как скорости и давление потока в произвольной точке области решения с учетом вязкости. Основная сложность заключалась в том, что в CFD-модели необходимо было учесть все особенности потока вблизи винта — для сравнения с результатами физических экспериментов. Инженеры Rolls-Royce Marine провели серию CFD-расчетов. При построении расчетной сетки использовался препроцессор TGrid. Строилась сетка на основе hexcore-метода, для данного метода характерно большое число гексаэдральных элеметов находящихся в центральной части области решения — такой метод является оптимальным сточки зрения количества элементов и скорости построения. Инженеры RollsRoyce Marine использовали технологию full multigrid initialization совместно с решателем pressurebased coupled в программном комплексе ANSYS FLUENT, что обеспечило адекватные и быстрые результаты во многих расчетах. Турбулентность рассчитывалась с помощью известной RNG k-ε модели. Вначале были проведены расчеты гребного винта в условиях открытой воды. Считалось, что винт работает в поле равномерного течения — без учета влияния корпуса судна. Для расчета вращающегося гребного винта использовался подход rotating reference frame. С помощью этого подхода решались уравнения течения во вращающейся системе координат лопасти винта. Получив поле давления и сдвиговые напряжения на поверхности лопасти, можно было определить осевую нагрузку и крутящий момент, а также КПД гребного винта. Следующим этапом стало изучение взаимодействия гребного винта с выступающими частями судна. Инженеры Rolls-Royce Marine провели расчет всего корпуса судна, чтобы учесть влияние кильватерного следа в конструк-

www.ansyssolutions.ru

ции винта. Для расчета винта в поле течения под действием корпуса использовался метод скользящих сеток. Скользящие сетки используются в нестационарных расчетах, когда одна область сетки вращается (или перемещается) относительно других участков. По традиции, в компании Rolls-Royce гребной винт разрабатывался последним в процессе проектирования судна, в связи с этим, не было возможности изменить конструкцию корпуса и оптимизировать гребную установку. С помощью моделирования взаимодействия гребного винта и корпуса данная проблема была успешно решена. Благодаря CFD-расчетам специалисты Rolls-Royce Marine получили возможность рассмотреть несколько вариантов геометрии ступицы гребного винта. Результаты расчетов дают гораздо больше информации по сравнению с натурными экспериментами. В частности, компьютерное моделирование помогает определить толщину пограничного слоя любого перспективного проекта. Чем тоньше граничный слой, тем выше эффективность проекта. Используя компьютерное моделирование, инженеры компании рассмотрели несколько проектов и пришли к выводу, что толщину пограничного слоя можно уменьшить, изменив контур ступицы винта. Еще одной проблемой было возникновение кавитации гребного винта из-за действия кильватерного следа. Кавитация представляет собой образование в жидкости полостей (каверн), заполненных паром, и возникает в результате уменьшения давления в жидкости ниже критических величин. Перемещаясь в область с более высоким давлением, каверны схлопываются, образуя при этом скачок давления и разрушая близлежащие части конструкции. С помощью программного комплекса ANSYS FLUENT определялись области низкого давления, в которых гребной винт Kamewa CP-A был подвержен кавитации. Благодаря изменениям в геометрии,

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

18

Íîâûé ãðåáíîé âèíò Kamewa CP-A îò Rolls-Royce Marine давление удалось поднять выше критического уровня и устранить кавитацию, это позволило

увеличить нагрузку на основание лопасти и в целом повысить КПД винта. Согласно исследованию University of Delaware, ежегодно международные торговые и военные корабли потребляют 289 млн. топлива, это вдвое больше общего потребления таких стран, как Германия [1]. Расчеты ANSYS FLUENT показали, что изменения в геометрической модели винта повысят эффективность на 1-1.5%, что было подтверждено на практике. Это сравнительно небольшое изменение, в случае применения на большинстве судов, может сократить топливные расходы на несколько миллиардов долларов. Кроме того, это поможет значительно снизить потребление энергии и уровень выбросов парниковых газов. Ëèòåðàòóðà 1.

Corbett, J.J.; Koehler, H.W. Updated Emissions from Ocean Shipping, Journal of Geophysical Research — Atmospheres, 108(D20), 2003; pp. 4650–4666.

Новости и события «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» побеждает в конкурсе ANSYS Online Multiphysics Image Gallery Работа специалистов компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» названа среди лучших в рамках конкурса ANSYS Online Multiphysics Image Gallery По итогам конкурса «ANSYS Online Multiphysics Image Gallery Competition», специалисты инженерно-консалтинговой компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» были названы в числе победителей. Ежегодный конкурс «ANSYS Online Multiphysics Image Gallery Competition» посвящен изображениям, иллюстрирующим результаты многодисциплинарных расчетов, проведенных в программных комплексах ANSYS (ранее конкурс проводился под названием «ANSYS Wall Planner Calendar»). В 2009 году специалисты компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» представили задачу гидродинамического расчета гребного винта, выполненного с использованием газодинамических пакетов ANSYS FLUENT, ANSYS CFX, а также ANSYS TurboGrid. Следует отметить, что в 2005, 2006 и 2008 гг. проекты компании (в тот период — ЕМТ Р) также были представлены в конкурсе и одержали победу.

Свидетельство о верификации ANSYS Mechanical Выдано свидетельство о верификации Российской академии архитектуры и строительных наук для программного комплекса ANSYS Mechanical НИЦ СтаДиО, партнер компании «КАДФЕМ Си-АйЭс» (ранее — ЕМТ Р), и Научно-образовательный центр компьютерного моделирования Московского государственного строительного университета (НОЦ КМ МГСУ), объявили о выдаче Российской академией архитектуры и строительных наук Свидетельства о верификации ANSYS Mechanical (№ 02/ ANSYS/2009. О верификации программного средства, применяемого для решения задач теории поля и расчета статического и динамического напряженно-

www.ansyssolutions.ru

Ðàñ÷åò ãèäðîäèíàìèêè ãðåáíîãî âèíòà â ANSYS CFX деформированного состояния зданий, сооружений и конструкций). Заявителями являются ЗАО «ЕМТ Р» (с 2009 г.

— «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»), ЗАО НИЦ СтаДиО, «ГК Техстрой», ГОУ ВПО МГСУ (Россия). Авторами верификационного отчета выступили ЗАО НИЦ СтаДиО, ГОУ ВПО МГСУ (Россия). Дата включения в реестр верифицированных программных средств — 10 июня 2009 года, срок действия свидетельства — до 10 июня 2019 года. По результатам работы, выпущено 4 тома верификационного отчета, включающие: — основные положения и возможности, матрицы верификации; — решенные тесты из Verification Manual; — задачи, предложенные экспертами, и разработанные авторами отчета; — задачи, отражающие опыт использования ANSYS Mechanical при строительном проектировании и экспертизах. Материалы, относящиеся к Свидетельству о верификации ANSYS Mechanical Вы можете найти на сайте http://www.stadyo.ru.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

Применение методов вычислительной гидродинамики в проекте РУ для АЭС средней мощности

М.А. Большухин, В.В. Банкрутенко, В.В. Кузьмин, Д.Н. Свешников, Н.Л. Люкина, Е.А. Солунина, ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова»

Одним из приоритетных направлений деятельности ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» является создание установок малой и средней мощности, для которых стоит задача оперативной и качественной адаптации реакторных установок (РУ) к специфическим требованиям конкретного заказчика. Без качественного изменения технологий проектирования, изготовления и пост-производственного сопровождения изделий, путем комплексного и полномасштабного внедрения самых современных компьютерных технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий решить данные задачи не представляется возможным. В рамках совместных работ ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» и РФЯЦ ВНИИЭФ, в обоснование технического проекта реакторного блока с целью определения гидравлического сопротивления основного контура циркуляции теплоносителя в реакторном блоке в номинальном режиме работы РУ, специалистами предприятия, при поддержке специалистов IT-подразделения, были проведены работы по полномасштабному трехмерному моделированию РУ в системе Unigraphics NX и последующие гидродинамические расчеты трассы циркуляции теплоносителя. На первом этапе работ, с целью повышения эффективности управления проектными данными была подготовлена и выделена область единого информационного пространства для взаимодействия всех участников проекта: конструкторских, расчетных и технологических подразделений. Технически такая задача была решена созданием проектного архива и классификатора РУ в PDM-системе Search. В основу процесса проектирования реакторного блока положено использование техно-

www.ansyssolutions.ru

логии трехмерного параметрического моделирования. Конструкторская 3D-модель, созданная на этапе технического проекта, содержит полный объем необходимой информации. Одновременное участие в проекте специалистов разного профиля, выполняющих разные задачи, позволило параллельно вести работы по проектированию компонентов реакторного блока. Основополагающим принципом создания единого информационного пространства является принцип единственности описания объекта в базе данных. Решение различных прикладных задач, требующих различной степени детализации данных (расчетное обоснование конструкции, конструкторско-технологическая подготовка производства, выпуск чертежей и спецификаций, создание ИЭТР) осуществляется не дублированием данных, а созданием различных сценариев использования базовой конструкторской модели на основе прямых ассоциативных связей. Такая технология работы позволяет сократить время разработки изделий различной сложности, обеспечить актуальность и достоверность информации, передаваемой в различные прикладные приложения, и, в итоге, избежать ошибочных решений при проектировании. На рис. 1 представлена расчетная модель для гидродинамического расчета тракта циркуляции, созданная на базе полной конструкторской модели реакторного блока с сохранением прямых ассоциативных связей. Расчетный анализ и обоснование конструкции — один из этапов технологии сквозного создания изделий с использованием компьютерных информационных систем. Инженерный анализ конструкции проводился с целью оптимизации тракта циркуляции

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

19

Технологии татов экспериментов на аэродинамической модели с различными вариантами доработок по снижению сопротивления контура (таблица 1). Таблица 1 Сравнение результатов расчета и эксперимента Варианты без затеснителя и с затеснителем

20

Íàèìåíîâàíèå äîðàáîòêè

Ñõåìà ó÷àñòêà

Áåç çàòåñíèòåëÿ Áåç òîðöåâîãî âûñòóïà

Ðèñ. 1. Ñîçäàíèå ðàñ÷åòíîé ìîäåëè äëÿ ðàñ÷åòà ãèäðîäèíàìèêè ïîòîêà èç êîíñòðóêòîðñêîé ñáîðêè первого контура, поскольку гидродинамика потока в патрубках реактора достаточно сложна, и расчет с использованием справочных данных по коэффициентам гидравлических сопротивлений не позволяют получить достоверные результаты. Учитывая сложность поставленной задачи, расчеты проводились при консультационной поддержке специалистов компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ведущего партнера ANSYS в России и странах СНГ. Предварительно проводились верификационные расчеты с целью разработки и подбора наиболее оптимальных сеточных и математических моделей течения теплоносителя. В качестве примера в статье представлено сравнение результатов расчета гидравлического сопротивления модели части контура циркуляции теплоносителя РУ (рис. 2) с помощью 3D гидродинамического кода ANSYS CFX и резуль-

Âõîä ïîòîêà Âûõîä ïîòîêà Ðèñ. 2. Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü òðàññû ïåðâîãî êîíòóðà

www.ansyssolutions.ru

ξ7(1)-9

ξ7(2)-9 Δh7-9,êÏà

Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò Ýêñï-íò Ýêñï-íò Ýêñï-íò 2.37

2.26

Ï Δh7-9, %

37.0 0.27

Çàòåñíèòåëü Áåç òîðöåâîãî âûñòóïà Áåç ðàçäåëèòåëÿ

2.59

2.41

36.9

2.19

2.04

33.0

2.33

2.08

32.5

1.54

Варианты с разделителем Íàèìåíîâàíèå äîðàáîòêè

Ñõåìà ó÷àñòêà

ξ7(1)-9 ξ7(2)-9 Δh7-9 Ï Δh , 7-9 Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò % Ýêñï-íò Ýêñï-íò Ýêñï-íò

Áåç ðàçäåëèòåëÿ Áåç òîðöåâîãî âûñòóïà

2.19

2.04

33.0

2.33

2.08

32.5

Ðàçäåëèòåëü â ïàòðóáêå Áåç òîðöåâîãî âûñòóïà

2.163

2.19

32.2

2.34

2.14

33.0

Ðàçäåëèòåëü â ïàòðóáêå è ÏÃ Áåç òîðöåâîãî âûñòóïà

2.103

2.398

33.1

2.37

2.00

32.2

Ðàçäåëèòåëü â ÏÃ Áåç òîðöåâîãî âûñòóïà

1.916

2.074

29.4

2.23

1.83

30.0

1.54

2.42

2.80

2.00

В ходе данного этапа работ было получены следующие улучшения: — за счет включения торцевого выступа на входе в реакторный патрубок и затеснения потока в корпусе реактора можно уменьшить сопротивление реакторного патрубка.

— выбрана оптимальная длина затеснителя в корпусе реактора; — установка разделителя в кольцевую камеру ПГ позволяет снизить сопротивление патрубка. По разработанной методике проведен гидродинамический расчет натурной конструкции

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Таблица 3. Результаты расчетов всей трассы CFX

Ðàñ÷åò ÂÍÈÈÝÔ

Ñåòêà ¹1

Ñåòêà ¹2

Äàâëåíèå íà âõîäå in, Ïà

20936.2

20468.4

Äàâëåíèå íà âûõîäå out, Ïà

1190.91

216.092

Ïåðåïàä äàâëåíèÿ, Ïà

19745.29

20252.31

Äàâëåíèå íà âõîäå in, Ïà

14161.3

15299.9

Äàâëåíèå íà âûõîäå out, Ïà

2842.64

2952.55

Ïåðåïàä äàâëåíèÿ, Ïà

11318.66

12347.35

Äàâëåíèå íà âõîäå in, Ïà

51233.5

57503.3

Äàâëåíèå íà âûõîäå out, Ïà

1350.42

1548.91

Ïåðåïàä äàâëåíèÿ, Ïà

49883.08

55954.39

54251

Ñóììàðíûå ïîòåðè, Ïà

80947.03

88554.05

85160

Ó÷àñòîê 1

21

19609

Ó÷àñòîê 2

11300

Ó÷àñòîê 3

РУ отдельных участков и всей трассы циркуляции теплоносителя первого контура в целом. В рамках программы совместных работ «ОКБМ им. И.И. Африкантова» и РФЯЦ ВНИИЭФ, специалистами РФЯЦ ВНИИЭФ проводился независимый расчет гидродинамики первого контура. Результаты расчетов представлены в таблице 3. Дополнительно был проведен расчет варианта шестипетлевой компоновки РУ, с целью определения характера изменения гидравлического сопротивления по сравнению с вариантом

www.ansyssolutions.ru

четырехпетлевой компоновки, поскольку уменьшились проходные сечения патрубков. Сравнение результатов расчета четырех- и шестипетлевой компоновок приведены в виде диаграммы на рис. 3. Таким образом, при уменьшении проходного сечения патрубков суммарный перепад давления по первому контуру увеличился на 21,7 %.

Основные выводы: Продемонстрированные в статье компьютерные технологии информационной поддержки жиз-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

22

Ðèñ. 3. Ñîïðîòèâëåíèå ó÷àñòêîâ òðàññû äëÿ ÷åòûðåõ è øåñòèïåòëåâîé êîìïîíîâîê ÐÓ ненного цикла изделий позволяют достичь принципиально нового качества создания и постпроизводственного сопровождения реакторных установок и, тем самым, способствуют выполнению масштабных бизнес-задач.

С помощью 3D гидродинамического кода ANSYS CFX проведен анализ гидродинамики первого контура РУ для различных вариантов компоновок, позволяющий обоснованно выбрать проектные решения для реакторных установок. О достоверности полученных данных свидетельствуют предварительные верификационные расчеты и сравнение с независимым расчетом специалистов РФЯЦ ВНИИЭФ. На следующем этапе работ планируется анализ связанного тепло-гидравлического и напряженно-деформированного состояния ПГБ РУ при отключении части оборудования (анализ парциальных режимов работы РУ). Ëèòåðàòóðà 1.

M.À.Ìèõååâ, È.Ì.Ìèõååâ. Îñíîâû òåïëîïåðåäà÷è. Ì., «Ýíåðãèÿ», 1977.

Новости и события Обновления ANSYS 12.1.1 для операционных систем Linux Вышла версия программных продуктов ANSYS 12.1.1 для операционных систем Linux x86, Linux x64 с поддержкой работы модулей в среде ANSYS Workbench 2.0

Çàïóñê ANSYS Workbench 2.0 â îïåðàöèîííîé ñèñòåìå Linux

Ðàáî÷àÿ ñðåäà ANSYS Workbench 2.0 â Linux Centos 5.4 Инженерно-консалтинговая компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», специализирующаяся на оказании профессиональных услуг, внедрении и технической поддержке наукоемкого программного обеспечения компании ANSYS, Inc., сообщила о выходе новой версии программных ANSYS 12.1.1 для операционных систем Linux 32, Linux x64 с поддержкой работы следующих модулей в среде ANSYS Workbench 2.0: • Electric (ANSYS) • Explicit Dynamics (ANSYS)

www.ansyssolutions.ru

• • • • • • • • • • • • • • • • •

Fluid Flow — Blow Molding (POLYFLOW) Fluid Flow — Extrusion (POLYFLOW) Fluid Flow (CFX) Fluid Flow (FLUENT) Harmonic Response (ANSYS) Linear Buckling (ANSYS) Magnetostatic (ANSYS) Modal (ANSYS) Random Vibration (ANSYS) Response Spectrum (ANSYS) Shape Optimization (ANSYS) Static Structural (ANSYS) Steady-State Thermal (ANSYS) Thermal-Electric (ANSYS) Transient Structural (ANSYS) Transient Structural (MBD) Transient Thermal (ANSYS)

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

Применение методов вычислительной гидродинамики при проектировании теплообменного оборудования

М.А. Большухин, Д.Н. Свешников, Н.Л. Люкина, Е.А. Солунина, ОАО «ОКБМ им. И. И. Африкантова»

Введение В настоящее время в ОКБМ «ОКБМ им. И.И. Африкантова» на различных этапах проектирования широко используются технологии компьютерного моделирования (САЕ), позволяющие обеспечить выбор оптимальных характеристик оборудования. Современный уровень развития вычислительной гидродинамики позволяет моделировать течения от простейшего ламинарного до турбулентного с сильной анизотропией параметров с помощью моделей, построенных на вихревых теориях: LES и DES. Ядерные энергетические установки, разработкой которых занимается ОКБМ «ОКБМ им. И.И. Африкантова», являются сложной наукоемкой продукцией, поэтому особое внимание уделяется расчетному анализу и обоснованию проектов. Частью расчетного обоснования является анализ гидродинамики и температурного состояния конструкции, при этом используются коммерческие CFD-коды. Освоение и применение CFD-кодов происходит в тесном контакте с разработчиками и поставщиками кодов («КАДФЕМ Си-Ай-Эс», партнер ANSYS в России и странах СНГ), для постановки верификационных экспериментов привлекаются научные коллективы, имеющие соответствующий опыт исследований. В настоящее время уровень освоения CFDкодов позволяет сотрудникам ОКБМ приступить к решению сложных задач, имеющих важное прикладное значение. В качестве примера, в настоящей статье представлен анализ гидродинамики теплоносителя РУ ВБЭР — 300 и исследование температурных пульсаций в элементах теплообменного оборудования.

www.ansyssolutions.ru

1. Применение методов вычислительной гидродинамики в проекте РУ ВБЭР — 300. В рамках совместных работ ОАО «ОКБМ им И. И. Африкантова» и РФЯЦ ВНИИЭФ, в обоснование технического проекта реакторного блока ВБЭР — 300, с целью определения гидравлического сопротивления основного контура циркуляции теплоносителя в реакторном блоке в номинальном режиме работы РУ были проведены работы по полномасштабному трехмерному моделированию РУ ВБЭР — 300 в системе Unigraphics NX (рис. 1) и последующие гидродинамические расчеты трассы циркуляции теплоносителя 1 контура с помощью ANSYS CFX. Инженерный анализ полномасштабной конструкции (рис. 2) проводился с целью опти-

Ðèñ. 1. Ñîçäàíèå ðàñ÷åòíîé ìîäåëè äëÿ ðàñ÷åòà ãèäðîäèíàìèêè ïîòîêà èç êîíñòðóêòîðñêîé ñáîðêè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

23

Технологии

24

Ðèñ. 2. Ðàñïðåäåëåíèå ïîëíîãî äàâëåíèÿ мизации тракта циркуляции первого контура, поскольку гидродинамика потока в патрубках реактора достаточно сложна и расчет с использованием справочных данных по коэффициентам гидравлических сопротивлений не позволяют получить достоверные результаты. При этом были получены локальные характеристики потока (распределения скоростей, давлений и гидродинамических сил) и интегральные характеристики всего контура циркуляции теплоносителя (гидравлическое сопротивление контура). Оптимизация тракта циркуляции позволила увеличить расход по 1контуру при сохранении мощности ГЦН. В результате тепловая мощность РУ увеличена на ~5%

2. Исследование температурных пульсаций в теплообменном оборудовании Температурные пульсации возникают вследствие высокого температурного перепада между теплообменивающимися средами (до 300°С) и сложной гидродинамики потока теплоносителя в различных местах теплообменника. Ранее исследования условий работы элементов теплообменника проводились на натурных моделях, однако такой подход имеет недостатки. В частности, работы по изготовлению натурной модели части теплообменника и ее испытания на стенде отличаются высокой стоимостью и требуют значительных затрат времени. С точки зрения достижения результата по исследованию температурных пульсаций в теплообменном оборудовании для подобных испытаний свойственны следующие недостатки: — условия тепломассообмена в теплообменнике сложны, поля скоростей и температуры в теплоносителе отличаются неодно-

www.ansyssolutions.ru

родностью, что приводит к необходимости установки такого количества датчиков температуры, которое неизбежно приводит к искажению реальных процессов по сравнению со штатным теплообменником и затрудняет обработку и анализ результатов испытаний; — исследование температурных пульсаций, выявление определяющих факторов, влияющих на их характеристики и поиск путей по оптимизации условий работы отдельных узлов теплообменника требует проведения многочисленных экспериментов и их оперативной обработки, по результатам которой корректируется программа испытаний и изменяется конструкция модели. Как показывает опыт, необходимой гибкости при проведении испытаний натурной модели по объективным причинам достичь не удается; — по опыту, испытания часто не достаточно информативны, а результаты бывают противоречивы. Существующий опыт применения CFD-технологий, позволяет выполнить обоснование ресурса некоторых теплообменников на базе результатов расчетного исследования температурного режима наиболее нагруженных узлов с применением 3D гидродинамических кодов, например ANSYS CFX, включая верификацию вместо предусмотренных ранее испытаний натурной модели теплообменника на стенде. На первом этапе работ проведены эксперименты на масштабных моделях исследуемых узлов и соответствующие верификационные расчеты (рис. 3,4). На втором этапе работ разработана компьютерная модель штатного теплообменника, проведены расчетные исследования температурного состояния теплообменника в условиях пульсаций температуры теплоносителя вблизи поверхности теплообменных труб с целью подготовки исходных данных для расчета прочнос-

Ðèñ. 3. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ìîäåëü è êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü èññëåäóåìîãî óçëà

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

25

Ðèñ. 4. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ è êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü äëÿ èññëåäîâàíèÿ òåìïåðàòóðíûõ ïóëüñàöèé â óçëå ïðèâàðêè òåïëîîáìåííîé òðóáû ê êîëëåêòîðó ти и проведен расчет напряженно- деформированного состояния конструкции (рис. 5). По полученным данным разработаны рекомендации по оптимизации конструкции узлов теплообменника.

Ðèñ. 5. Êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü òåïëîîáìåííèêà è ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ òåìïåðàòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ — —

Основные выводы 1.

2.

3.

Подтверждена высокая эффективность применения CFD-кодов для решения различных задач, возникающих при проектировании и эксплуатации оборудования различного назначения. К настоящему времени выполнено большое количество верификационных расчетов для анализа сопряженных задач гидродинамики, тепломассобмена и температурного состояния конструкций в стационарных и нестационарных режимах на базе результатов выполненных ранее и проводимых в настоящее время экспериментов. Запланировано проведение ряда расчетно-экспериментальных работ с привлечением научных коллективов Российской Федерации, имеющих соответствующий опыт исследований, с целью верификации CFDкодов для решения наиболее сложных задач обоснования проектных решений. Наиболее актуальными задачами повышения экономической эффективности применения CFD кодов являются:

www.ansyssolutions.ru

—

— — —

повышение уровня квалификации и накоплении опыта пользователей CFD-кодов; вовлечение в процесс освоения CFD-технологий большего числа молодых специалистов; расширение и углубление контактов с разработчиками или поставщиками CFD-кодов и научными коллективами, обладающими соответствующим знаниями и опытом; расширение верификационной базы; своевременное приобретение обновленных версий CFD-кодов; повышение мощностей компьютерного парка.

Ëèòåðàòóðà 1. Ïðîãðàììà ðàçâèòèÿ «ÎÊÁÌ èì. È.È.Àôðèêàíòîâà» íà ïåðèîä äî 2015 ã.

2. Îò÷åò î ÍÈÈÐ: Àýðîäèíàìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ó÷àñòêà ïàðîãåíåðàòîð — ïàòðóáîê — ðåàêòîð òðàññû öèðêóëÿöèè 1ê óñòàíîâêè ÂÁÝÐ 300. (2 ýòàï) èíâ. ¹ 247158 3. Ïðîãðàììà ñîâìåñòíûõ ðàáîò ïî ðàçâèòèþ ìåòîäîâ ñêâîçíîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ ßÝÓ ÐÔßÖÂÍÈÈÝÔ, «ÎÊÁÌ èì. È.È.Àôðèêàíòîâà», ÐÍÖ ÊÈ íà 2008 ã.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Технологии

Расчет в ANSYS FLUENT нагнетания воздушных пузырьков на омываемую поверхность судна

26

Takafumi Kawamura и Asako Murakami, Кафедра изучения инновационных технологий, Токийский университет, Япония

В последние десятилетия в связи с постоянным увеличением стоимости энергоносителей и необходимостью уменьшения выбросов CO2 возникла потребность создания судов с низким энергопотреблением. Расход горючего может быть уменьшен, в том числе, за счет снижения сопротивления корпуса во время передвижения. В основном, общее сопротивление возни-

кает за счет поверхностного трения, профильного и волнового сопротивлений. Из всех перечисленных факторов наиболее существенным является поверхностное трение. У крупнотоннажных судов, передвигающихся с небольшой скоростью, к примеру, танкеров, поверхностное трение может составлять до 70% от полного сопротивления. В связи с этим, возникла необхо-

Ðåçóëüòàòû ëàáîðàòîðíûõ èññëåäîâàíèé ïîâåäåíèÿ âîçäóøíûõ ïóçûðüêîâ â òóðáóëåíòíîì ïîãðàíè÷íîì ñëîå. Äëÿ ñðåäíåãî äèàìåòðà ïóçûðüêà 1.4 ìì ïèêîâîå ñîäåðæàíèå ñîñòàâèëî îêîëî 3%. Ïàðàìåòðû ìîäåëè ïóçûðüêîâîãî ïîòîêà áûëè óñòàíîâëåíû òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû âîñïðîèçâîäèëàñü èçìåðåííàÿ êîíöåíòðàöèÿ âîçäóõà

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

27 Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà ïîâåðõíîñòè êîðïóñà êîðàáëÿ ñîçäàâàëàñü â GAMBIT. Èíæåêöèÿ âîçäóõà ìîäåëèðîâàëàñü ñ ïîìîùüþ ÃÓ mass flux â îáëàñòè ó íîñà ñóäíà

Ðàñ÷åò ïîâåðõíîñòíîãî òðåíèÿ ïðîâîäèëñÿ â ANSYS FLUENT. Ëîêàëüíîå ïîâåðõíîñòíîå ñîïðîòèâëåíèå óìåíüøèëîñü íà 50%, îáùåå ñîïðîòèâëåíèå ñîêðàòèëîñü íà 10%

димость максимального уменьшения поверхностного трения. Среди предложенных методов уменьшения поверхностного трения наиболее перспективным представляется введение на омываемую поверхность корабля слоя воздушных пузырьков.

model), которая была реализована в ANSYS FLUENT при помощи решения нескольких уравнений переноса (скалярной величины). Расчеты, проведенные в ANSYS FLUENT, показали, что пузырьками воздуха покрывается 34% омываемой поверхности, что приводит к сокращению полного сопротивления корпуса судна на 10%. Результаты расчетов показали, что большая экономия достигается у судна с балластом по сравнению с судном, имеющим полную загруженность. Эти результаты соответствовали данным, полученным в ходе эксперимента с цементовозом.

Ðàñïðåäåëåíèå ïîäàâàåìîãî âîçäóõà âîêðóã êîðàáëÿ. Ïîêàçàí êîíòóð îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè âîçäóõà â ïðîöåíòàõ Нагнетание воздушных пузырьков применялось и ранее с целью уменьшения поверхностного трения. Его эффективность неоднократно подтверждалась в результате лабораторных экспериментов. Однако на практике возникают определенные трудности при внедрении данного метода на реальных судах. Количество энергии, необходимое для нагнетания воздуха на дно корпуса, увеличивается пропорционально скорости течения и тяговому сопротивлению судна. При пузырьковом режиме снижается КПД гребного винта. Для экономии энергии необходимо оптимизировать такие параметры, как средний диаметр пузырьков, объемный расход воздуха, а также расположение инжекторов. В связи с этим, ученые Токийского университета провели полномасштабный натурный эксперимент с использованием 126-метрового судна для перевозки цемента, в ходе которого пузырьки воздуха диаметром менее 2 мм подавались на дно корпуса. Результаты эксперимента показали экономию расхода топлива 5%. Наряду с экспериментом, специалисты Токийского университета проводили гидродинамические расчеты для получения данных по распределению воздуха и снижению поверхностного трения. Для расчета объемной концентрации и скорости воздуха в воздушной фазе была разработана модель пузырькового потока (bubble flow

www.ansyssolutions.ru

Ðàñ÷åò îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè âîçäóõà âîçëå ãðåáíîãî âèíòà. Ðàñïîëîæåíèå ãðåáíîãî âèíòà ïîêàçàíî îêðóæíîñòüþ, ñðåäíÿÿ îáúåìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ âîçäóõà íà äàííîì ó÷àñòêå ñîñòàâèëà 1% Ожидается, что в ближайшем будущем многие суда будут оборудованы системами подачи пузырьков воздуха. При этом, для сокращения расходов на дорогостоящие проверки и испытания, необходимо внедрять в процесс проектирования программные комплексы для компьютерного моделирования. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû: Kawamura, T., Ito, A., Hinatsu, M., «Numerical Simulation of Bubbly Flow Around a Marine Propeller,» Proceedings of FEDSM2007, 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering Conference, 2007, San Diego, California, U.S.A.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Мастер класс

Очистка и исправление дефектов геометрии в ANSYS DesignModeler 12.0

28

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

В данной статье мы рассмотрим базовые возможности программного комплекса ANSYS DesignModeler (DM) для исправления дефектов твердотельных 3D-моделей, импортируемых в DM из сторонних CAD-комплексов. В качестве объекта для демонстрации возможностей DM мы выбрали модель, содержащую большое количество галтелей, мелких поверхностей и пр. Для начала загрузите ANSYS Workbench 12.0 или 12.1. Далее перетащите раздел Geometry из панели Component Systems в поле Project Schematic. Затем нажмите на правую кнопку мыши и в выпадающем меню выберите строку Import Geometry. После этого следует указать путь к папке, в которой находится файл «cat_convert.x_t» — исходная модель изделия в формате Parasolid. На следующем этапе следует загрузить DM. Для этого снова нажимаем правой кнопкой мыши на строку Geometry и в выпадающем меню выбираем строку Edit. После загрузки DM на экране появится специальная панель, в которой следует выбрать единицу измерения модели, в нашем случае — мм (Millimeter). Далее нажмите на иконку Generate в верхнем контекстном меню. На экране появится демонстрационная 3D-модель. Данная модель состоит из 69 поверхностей, при этом часть поверхностей отсутствует. Изменим режим отображения модели с поверхностного представления на каркасную модель (View→Wireframe). Это позволит нам визу-

Ðèñ. 1. Êíîïêà Generate

www.ansyssolutions.ru

ализировать и локализовать проблемные места. Красным цветом на рис. 2. выделены несвязанные ребра. Применим к поверхностной модели операцию Sew: Greate→Body Operation. В строке Type выбираем команду Sew. Далее необходимо выбрать все поверхности. Для этого нажимаем на правую кнопку мыши и в появившейся панели выбираем строку Select All. Нажимаем Apply. Поверхности можно выбрать и другим способом: измените режим выбора объектов (Select Mode) c Single Select на Box Select. После чего с помощью прямоугольной рамки вы сможете указать соответвтующую область. В результате выполнения операции Sew мы получим одно поверхностное тело. Включите режим отображения объектов Wireframe и вы увидите, что большинство ребер изменили свой цвет с красного на черный (рис .3). Это означает, что эти ребра теперь являются связанными.

Ðèñ. 2. Âèçóàëèçàöèÿ â DM íåñâÿçàííûõ ðåáåð

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

29

À Ðèñ. 3. Ðåçóëüòàòû âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Sew На следующем этапе мы протестируем поверхностную модель на предмет корректного сопряжения поверхностей (рис. 4а). Для этого воспользуемся операцией Tools→Repair→ Repair Seam. В панели Details of RepairSeam в строке Find? выбираем Yes. Далее переходим в дерево проекта, в котором появилась дополнительная ветка RepairSeam1, выделяем эту ветку и применяем операцию Generate. Результаты выполнения этой операции показаны на рис. 4б В нашей поверхностной модели отсутствует несколько поверхностей. Для их восстановления воспользуемся операцией Tools→Repair→ Repair Holes. Для Hole 1, Hole 2 и Hole 3 используйте метод Surface Patch (по умолчанию). Нажмите Generate, чтобы запустить процесс. В результате мы получим полностью замкнутое поверхностное тело, которое можно будет конвертировать в твердотельную модель с помощью ранее использованной команды Sew. Только в данном случае необходимо будет в строке Form Solid? выбрать опцию Yes. Далее мы попробуем убрать острые углы в твердотельной модели. Для этого в DM существует специальная команда Tools→Repair→ Repair Sharp Angles. После выполнения этой команды DM проинформирует нас о том, что в модели обнаружено 5 острых углов. Нажимаем Generate для «лечения» этих углов. В результате объединения поверхностей в локальных местах мы избавились от 4 из 5 острых углов в модели. Далее последовательно выполняем следующие команды: Tools→Repair→Repair Slivers и Tools→Repair→Repair Spikes. Первая команда диагностирует модель на наличие разрывов в виде вытянутой щели, а вторая команда на наличие вытянутых клинообразных поверхностей или разрывов аналогичной формы. Заметим, что в сеточных препроцессорах для описания тетраэдральных элементов плохо-

www.ansyssolutions.ru

Á Ðèñ. 4. à — íàëîæåíèå ïîâåðõíîñòåé; á — ðåçóëüòàò âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Repair Seam го качества используется идентичная терминология (см. рис. 7). После выполнения описанных выше команд в дереве проекта появятся две новых вет-

Ðèñ. 5. Äëÿ âèçóàëèçàöèè ìåñòà ðàñïîëîæåíèÿ îòñóòñòâóþùèõ ïîâåðõíîñòåé ïðîñòî íàâåäèòå êóðñîð ìûøè íà ëþáóþ èç ñòðîê Hole # (RMB)

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Мастер класс

30

Ðèñ. 6. Îñòðûå óãëû (Sharp Angles) â 3D-ìîäåëè ки: RepairSlivers# и RepairSpike#. Поскольку в нашей модели отсутствуют подобные дефекты, то необходимо удалить эти ветки. Далее выполним команду Tools→Repair→ Faces. После всех операций, проделанных над моделью, она содержит 34 поверхности. Требуется «вылечить» только одну поверхность с названием Face 1. Для нее используйте опцию Automatic (по умолчанию). Для всех остальных поверхностей — опцию Do not Repair. Для ускорения процесса выбора Repair Method для каждой из 33-х поверхностей можно воспользоваться опцией Select in All Below (см. рис. 9). Затем выполните команду Tools→Repair→ Edges. В заключение необходимо объединить поверхности. Для этого используется команда Tools→Merge (рис. 10). В строке Merge Type выберите Faces; в строке Selection Method —

Ðèñ. 9. Äëÿ âñåõ îñòàëüíûõ ïîâåðõíîñòåé, êðîìå Face 1, â ñòðîêå Repair Method íåîáõîäèìî âûáðàòü îïöèþ Do not Repair

Ðèñ. 10. Ïîâåðõíîñòè, îáúåäèíåííûå â êëàñòåðû (ãðóïïû)

Ðèñ. 7. Âíåøíèé âèä òåòðàýäðàëüíûõ ýëåìåíòîâ ïëîõîãî êà÷åñòâà

Ðèñ. 11. Âûáåðèòå äâå ïîâåðõíîñòè, âûäåëåííûå çåëåíûì öâåòîì

Ðèñ. 8. ANSYS DesignModeler îáíàðóæèë â ìîäåëè 34 ïîâåðõíîñòè. Òðåáóåòñÿ «âûëå÷èòü» òîëüêî Face 1

www.ansyssolutions.ru

Automatic; Find Cluster Now? — Yes. Далее выберите две поверхности, которые на рис. 11 выделены зеленым цветом. Сохраните отредактированную модель: File→Save as. В данной статье мы рассмотрели только базовые инструменты ANSYS DesignModeler для редактирования и исправления дефектов геометрии. В действительности, возможности этого пакета намного шире. Все файлы, необходимые для изучения этого урока, вы можете получить, отправив запрос по email: marketing@cadfem-cis.ru.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Мастер класс

Пример использования GGI-интерфейса и пользовательских функций для задания характеристик вентилятора Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

В отдельных случаях для моделирования характеристик вентилятора вместо реальной физической модели вентилятора можно использовать дополнительные возможности газодинамического комплекса ANSYS CFX: источниковые члены или GGI интерфейс. В данной статье мы рассмотрим сначала пример использования GGI интерфейса для моделирования эффекта увеличения давления при прохождении потока через вентилятор. Эта возможность доступна в пакете ANSYS CFX начиная с версии 11.0. Аэродинамическая характеристика вентилятора, как правило, имеет вид, показанный на рис. 1. Подобные кривые хорошо аппроксимируются полиномами 2-го или 3-го порядка. Для оп-

ределения полинома в ANSYS CFX можно использовать либо язык выражений CEL, либо одномерные пользовательские функции 1D User Function. Для создания выражения перейдите в раздел Expressions дерева проекта, дважды нажмите на правую кнопку мыши и далее выберите опцию New. Присвойте новому выражению имя P rise и в появившейся панели наберите следующий текст: (-5.9867*Q^2+53.108*Q+986.3[m^3 s^-1])*1[kg m^-1 s^-1]. Создайте еще одно выражение с именем Q: Q = massFlow()@Interface 1 Side 1/ massFlowAve(Density)@Interface 1 Side 1.

Ðèñ. 1. Àýðîäèíàìè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà âåíòèëÿòîðà

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

31

Мастер класс

32

Ðèñ. 3. Óâåëè÷åíèå ìàññîâîãî ðàñõîäà â êàíàëå (âåíòèëÿòîð ïîêàçàí íà ðèñóíêå ââèäå ñèíåãî ïàðàëëåëåïèïåäà — Subdomain)

Ðèñ. 2. Íàñòðîéêè ïàíåëè Subdomain êîìïëåêñà ANSYS CFX Используя это выражение, мы сможем контролировать массовый расход через поверхность интерфейса. Далее нам необходимо будет создать пользовательскую функцию. Для этого в верхнем контекстном меню следует нажать на иконку User Function. Присвойте функции имя fandata. В опции Arguments Units укажите размерность аргумента функции — [m^3 s^-1], а в опции Result Units — размерность самой функции — [Pa]. Заполните таблицу Interpolation Data. В столбец Coordinate (массовый расход) внесите следующие значения: 0; 1.8; 3.6; 5.4; 7.2; 9; 10.8; 12.6; 14.4; 16.2; 18. В столбец Value (давление): 995.68; 1057.91; 1095.248; 1095.248; 1045.464; 983.234; 871.22; 721.868; 494.84; 0. Кроме этого, на панели Basic Setting необходимо включить опции Extend Min и Extend Max. Мы определили пользовательскую функцию, однако для того, чтобы ее использовать, необходимо создать еще одно выражение вида: P rise = fandata(Q), где Q = massFlow()@Interface 1 Side 1/ massFlowAve(Density)@Interface 1 Side 1. Таким образом, с помощью языка выражений CEL и пользовательской функции мы задали в ANSYS CFX аэродинамическую характеристику вентилятора. Теперь для моделирования вентилятора мы можем использовать GGIинтерфейс.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 4. Óâåëè÷åíèå äàâëåíèÿ â êàíàëå çà âåíòèëÿòîðîì Создадим интерфейс с именем Fan Int. Для этого в верхнем меню необходимо выбрать икон. Далее выбираем тип интерфейса Fluid ку Fluid и указываем две поверхности интерфейса. Затем включаем опцию Mass And Momentum и в поле опции Pressure Change набираем имя выражения P rise. При использовании дополнительного источникового члена для моделирования вентилятора необходимо предварительно создать отдельный объем для вентилятора, так как в этом случае он моделируется в виде Subdomain. Для создания Subdomain необходимо перейти в верхнее контекстное меню и выбрать . Повторите все настройки панели иконку Subdomain, показанные на рис. 2. Переменная length в данном случае — это размер объекта Subdomain в направлении течения потока газа (ось Y). При этом следует помнить, что данный метод не учитывает закручивание потока после вентилятора. Для этого необходимо выполнить еще несколько дополнительных процедур в ANSYS CFX. На рис. 3-4 показаны результаты использования Subdomain для моделирования вентилятора.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Аппаратное обеспечение

Эффективность параллельных вычислений в комплексе ANSYS CFX 12.0 в зависимости от используемого типа сетевого интерконнекта ООО «Сименс», отдел корпоративных технологий Целью данного тестирования являлось исследование быстродействия кластерной системы для расчетов вычислительной гидрогазодинамики в комплексе ANSYS CFX 12 в зависимости от типа сетевого интерконнекта. Кластерная система строилась на основе процессоров Intel Nehalem. Использовалось несколько рабочих моделей для оценки производительности системы.

ся сложное геометрическое тело, обтекаемое трансзвуковым потоком. Размерность задачи выбрана таким образом, чтобы модель занимала 8 Гб оперативной памяти. Контрольным отрезком времени является время решения 70 итераций.

Описание системы Кластер состоит из 10 одинаковых узлов, объединенных сетью GbE и Infiniband DDR. Каждый узел имеет следующую конфигурацию: — два процессора Intel Nehalem Xeon Е5540 2,53Ггц 8Мб кэш, — 48 Гб оперативной памяти 4Гб*12шт, — адаптер Infinihost III Lx DDR v25204. Поддержка технологии Hyper treading в процессорах во всех тестах отключена. Операционная система: CentOS 5.3 x86-64. Коммутатор: Infiniband Flextronics F-X430044 24port 4X DDR. Драйвера: Infiniband — OFED 1.4. Дисковая система: На 1 узле находится 4 жестких диска по 300Гб WD VelociRaptor300BLFS. Файловая система ext3, без RAID массива. С данного узла организовано сетевое монтирование образов на все остальные узлы, которые являются бездисковыми. Локальные папки пользователей находятся также на 1 узле. На 10 узле помимо системного раздела, находится массивRAID0из3дисков300ГбWDVelociRaptor300BLFS. С данного узла на все остальные смонтирована рабочая папка для проектов.

Описание моделей для теста Модель 1 (см. рис. 1)представляет собой симметричную область расчета, в которой находит-

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 1. Îáòåêàíèå ñôåðû Модель 2 (см. рис. 2) представляет собой задачу, состоящую из более чем 30 областей расчета, включая 4 основных области с газом, а также твердые тела, около 30 интерфейсов между ними, модель радиационного теплообмена. Основные физические модели в задаче — естественная конвекция, нагрев твердых тел внутренними источниками тепла, задача внутренней теплопроводности, контактные термосопротивления, переходная модель турбулентности. Специфика данной задачи состоит в наличии большого количества радиационных элементов, это резко повышает объем использованной оперативной памяти, а также требует наличия областей рас-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

33

Аппаратное обеспечение времени расчета к процессорному времени расчета на 1 сервере, solve vs ideal — относительное ускорение по процессорному времени расчета. Из анализа этих данных, легко заметить, что эффективность решения задачи существенно уменьшается начиная с 3-го узла в кластере, и на 10 узлах эффективность составляет 36%. При этом также видно, что эффективность, рассчитанная по процессорной нагрузке, имеет высокие параметры даже при расчете на 10 узлах — до 80%. Рассмотрим данные тестирования модели 1 при использовании Infiniband.

34

Ðèñ. 2. Ìóëüòèäîìåííûé ðàñ÷åòíûé îáúåêò чета разного размера, что повышает параметр перекрытия в областях расчета при параллельном расчете. Для расчета модели требуется около 150 Гб оперативной памяти. Контрольным отрезком времени для задачи является время решения одной итерации. Данное время в ходе тестов определялось по времени решения от 500 до 1500 итераций. Время указано в секундах. Тестирование на стандартном соединении GbE проводилось с использованием режима MPICH Distributed Parallel, тестирование с использованием Infiniband проводилось с использованием режима HP MPI Distributed Parallel. В ходе тестирования проверялось как время полного решения задачи — Wall clock time, так и процессорное время — solving time. Данные тестирования по задаче 1 с использованием GbE приведены в таблице ниже. number of server

number of server

wall time

solve time

wall ratio

wall vs ideal

solv ratio

solv vs ideal

10

482

470

6,61

66%

6,27

63%

9

498

498

6,39

71%

5,91

66%

8

530

530

6,01

75%

5,56

69%

7

589

589

5,41

77%

5,00

71%

6

650

650

4,90

82%

4,53

76%

5

766

766

4,16

83%

3,84

77%

4

910

910

3,50

87%

3,24

81%

3

1190

1181

2,68

89%

2,49

83%

2

1685

1685

1,89

94%

1,75

87%

1

3184

2945

1,00

100%

1,00

100%

Пояснения к результатам В результате применения более быстрого сетевого интерконнекта эффективность по полному времени расчета выросла почти в 2 раза по сравнению с GbE. В таблице ниже показана доля времени, необходимая для расчета с использованием Infiniband относительно GbE.

wall time

solve time

wall ratio

wall vs ideal

solv ratio

solv vs ideal

10

960

385

3,32

33%

7,65

76%

9

970

410

3,28

36%

7,18

80%

10

50%

8

989

460

3,22

40%

6,40

80%

9

51%

7

1023

510

3,11

44%

5,77

82%

8

54%

6

1101

570

2,89

48%

5,17

86%

7

58% 59%

IB vs GbE

5

1240

680

2,57

51%

4,33

87%

6

4

1432

810

2,22

56%

3,64

91%

5

62% 64% 70%

3

1689

1137

1,89

63%

2,59

86%

4

2

2195

1469

1,45

73%

2,00

100%

3

1

3184

2945

1,00

100%

1,00

100%

2

77%

1

100%

Пояснения к результатам в таблице Кроме ранее обозначенных критериев, в таблице приведены результаты обработки данных.

Wall ratio — отношение полного времени расчета к времени расчета на 1 сервере, wall vs ideal — относительное ускорение по полному времени расчета, solv ratio — отношение процессорного

www.ansyssolutions.ru

Также можно отметить изменившееся соотношение между полным и процессорным временем расчета. В случае применения Infiniband оба времени практически одинаковы. Это связано с существенными различиями в работе библиотек параллельности для MPICH и HP MPI.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

Более четко все эти зависимости можно проследить на графике. В тестировании модели 2 не требовалось определение полной кривой ускорения от количества серверов. Ввиду размеров модели, ее расчет возможен минимум на 3 узлах кластера. В ходе тестов были замерены скорости на 3 и 10 узлах кластера. Полное и процессорное время расчета одной итерации для 2-ой модели на 3 узлах кластера при использовании GbE составило 289 и 121 с соответственно. Для варианта Infiniband времена составили 169 и 168 с. При использовании 10 узлов кластера с использованием Infiniband время расчета составило 89 и 88 с. Данные также приведены ниже в таблице. wall time

solv time

3 servers Gbe

289

121

3 servers IB

169

168

10 servers Gbe

155

51

10 servers IB

88

88

Время одной итерации с Infiniband уменьшилось до 52% от времени в случае расчета с GbE. Технико-экономические аспекты применения Infiniband В случае использования коммерческих программных продуктов, наращивание вычислительных мощностей без учета всех составляющих расходов может привести к необоснованных тратам и потере эффективности всего программно-аппаратного комплекса. Например, при использовании комплекса ANSYS CFX на данной конфигурации кластера с использованием процессоров Intel Nehalem доля стоимости оборудования Infiniband не превышает 5-7% от стоимости всего кластера и программного комплекса. При этом даже на 2-х узлах скорость при применении Infiniband увеличивается на 23%, что обеспечивает полную окупаемость данного решения. Также очевидно, что увеличение скорости расчета с помощью дополнительных узлов на основе Intel Nehalem при применении GbE, имеет предел в районе 3 — 4 кратного прироста. Итоги и рекомендации В случае применения кластеров на основе Intel Nehalem для расчетов гидрогазодинамики в программном комплексе ANSYS CFX 12 (и других подобных), рекомендовано применение сетевого интерконнекта Infiniband DDR начиная с 2 узлов. На примере тестовой задачи 1 показано, что даже при снижении размера расчетной об-

www.ansyssolutions.ru

ласти на один процесс ниже 75 000 гексаэдрических элементов (рекомендовано производителем программного комплекса как минимальное количество элементов на один процесс (используемое ядро процессоров) при параллельном расчете) наблюдается ускорение расчета при повышении количества узлов кластера. При расчете большой модели, включающей в себя различные физические модели и множество областей расчета, время расчета при применении Infiniband DDR также существенно уменьшилось. Однако ускорение расчета второй модели в зависимости от количества узлов кластера показывает несколько меньший рост, чем у первой. В данном случае это может объясняться особенностями параллелизации больших задач, состоящих из множества расчетных областей. Это приводит к увеличению зон перекрытия параллельных частей в расчете, сверх обычных 10-15% до 30-50%. Таким образом, при оценке реальной скорости вычислений необходимо учитывать увеличение расчетных узлов относительно исходной модели. Данное обстоятельство требует отдельного рассмотрения и применения программных мер воздействия — изменения алгоритма разбиения задачи на части, оптимизации расчетной сетки. Необходимо учесть, что наличие в расчете модели радиационного теплообмена не только увеличивает размер оперативной памяти и время расчета, но и требует организации быстрого доступа к файловой структуре в рабочем каталоге. Дополнительно в настройках решателя необходимо использовать увеличенные параметры для выделения памяти, например, Memory allocation factor-Real Stack size = 1.4. В процессе расчета в рабочей директории создаются файлы, содержащие данные трассировки лучей в модели. При достаточно большом количестве радиационных элементов в модели, файлы достигают существенных размеров и для быстрой работы решателя с ними необходимо применять высокоскоростные дисковые системы. В проведенном тесте для рабочей директории был создан скоростной массив из 3 дисков, но ввиду того, что монтирование рабочей директории проводилось стандартными средствами операционной системы nfs mount, доступ к рабочим файлам осуществлялся через интерфейс GbE. Очевидно, это замедлило скорость расчета второй модели и внесло существенную нелинейность в ускорение по узлам кластера. В следующих тестах предполагается использовать высокоскоростное дисковое решение с использованием возможности сети Infiniband для передачи файлов.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

35

ЭЛЕКТРОНИКА, МЭМС И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû êàòàïóëüòèðîâàíèÿ â ANSYS

CFD-ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñòàäèîíà

Èíòåãðàöèÿ ANSOFT â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ ANSYS