Системы инженерного анализа

При проектировании тепловых устройств необходим инженерный анализ гидрогазодинамических процессов и тепломассопереноса. Для этих целей в России часто применяют коммерческие пакеты: ANSYS Multiphysics, ANSYS CFX, ANSYS Fluent, STAR-CD/STAR-CCM+, FlowVision и Gas Dynamics
Tool[3].

Рис. 1.4. Модель двигателя мотоцикла в SolidWorks

По уровню полноты моделирования физических процессов и проработанности математических моделей в этой группе пакетов ANSYS и STAR-CD относят к так называемым пакетам тяжелого класса. Это коммерческие профессиональные CFD-комплексы для решения широкого спектра задач механики сплошных сред и тепломассобмена. Моделирование процессов, протекающих в жидких и газообразных средах, в пакетах осуществляется на основе численного решения полных трехмерных нестационарных уравнений Навье – Стокса. Пакеты обеспечивают возможность анализа течений вязкой ньютоновской и неньютоновской жидкости и газа в широком диапазоне скоростей от ползучих до гиперзвуковых течений при ламинарном и турбулентном режимах. Для замыкания осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса при моделировании турбулентных течений используется значительное число полуэмпирических моделей турбулентности. Разностные схемы в пакетах реализованы на основе метода конечного объема.

При анализе высокотемпературных процессов в агрегатах существенна способность данных пакетов описывать радиационный теплоперенос с использованием нескольких методов решения уравнения переноса: метода Росселанда, метода π1, метода Discrete Transfer или метода Монте-Карло. Возможности пакетов расширяет пользовательское программирование. Для учета сопутствующих физических и химических процессов в пакеты включены модели многокомпонентных течений; химических реакций с учетом химической кинетики, в том числе и реакций горения; многофазных течений и др.

К пакетам среднего класса можно отнести FlowVision, пакеты симуляции процессов в САПР SolisWorks и Inventor. Эти пакеты менее универсальны, чем пакеты первой группы, с меньшей полнотой описывают теплофизические процессы и совершенно неудовлетворительно моделируют перенос тепловой радиации.

Flow Vision разрабатывается и поддерживается российской компанией «ТЕСИС» (г. Москва). Он позволяет анализировать процессы теплопереноса и диффузии в твердом теле, может быть использован при решении задач сопряженного теплообмена между твердым телом и жидкостью. В пакет встроены модель течения с поверхностью раздела сред и модели горения, а также модель течения в пористых средах и модель многофазных сред. Вероятно, благодаря значительному числу используемых моделей, пакет может использоваться при решении широкого круга задач.

 Другой отечественный пакет, Gas Dynamics Tool (GDT), разрабатываемый и поддерживаемый компанией GDT Software Group (г. Тула) может использоваться для численного моделирования нестационарных ударно-волновых газодинамических процессов, включая горение и детонацию.

Значительными функциональными возможностями обладает пакет OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation), который содержит свободно распространяемый инструментарий вычислительной гидродинамики для операций со скалярными и векторными полями. Код OpenFOAM разработан в Великобритании в компании OpenCFD Limited и используется многими промышленными предприятиями. Программа позволяет решать многие задачи: прочностные; моделировать гидродинамику ньютоновских и неньютоновских вязких жидкостей как в несжимаемом, так и в сжимаемом приближении с учетом конвективного теплообмена и действием сил гравитации; моделировать турбулентные течения, дозвуковые, околозвуковые и сверхзвуковые задачи; задачи теплопроводности в твердом теле; многофазные задачи, в том числе с описанием химических реакций компонент потока; сопряженные задачи и др.

В настоящее время объем применения CAE-технологий проектирования сдерживается недостаточной квалификацией инженеров. Специалисты не имеют опыта тестирования решаемых задач, слабо разбираются в деталях используемых расчетных методик и физических моделей, воспринимают решения задач как «процесс нажимания кнопок» и выбора опций программы. Поэтому производственники часто обоснованно сомневаются в достоверности получаемых результатов моделирования. Из сказанного следует важность задач, стоящих перед учреждениями высшего образования.

Тем не менее число проектов, обязанных своим успехом применению CAE, постоянно растет. Уже сейчас около 25 % инвестиций в средства управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM) приходится на долю CAE-программ. И эта часть будет увеличиваться, т. к. по темпу годового роста сегмент инженерного анализа опережает рынок PLM в целом.

  Глава 2

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
В СИСТЕМЕ «КОМПАС-3 D»

2.1. Интерфейс программы «КОМПАС-График»

Многие элементы управления программы «КОМПАС-3D» характерны для приложений операционной системы Windows, поэтому их часто называют «интуитивно понятными». На рис. 2.1 показано главное окно системы[2]. Описание программы выполняется по [4, 5, 6, 7] и другим материалам фирмы АСКОН, представленным в открытом доступе Интернете.

Рис. 2.1. Главное окно системы «КОМПАС-График»*