Программы, используемые при расчетах в ANSYS CFX

Workbench ANSYS

При проведении инженерных анализов часто приходится использовать несколько программных продуктов. Некоторые из программ, использующихся в расчетах ANSYS CFX, указаны на рис. 1.1. В том числе используются
CAD-пакеты для создания геометрической модели, препроцессор со специальными программами, генерирующими конечно-элементную сетку и организовывающими задание граничных условий, решатель и постпроцессор для отображения результатов расчета. Если программные продукты самостоятельны, то приходится организовывать передачу данных между ними. Решение многих задач резко усложняется, особенно при решении задач параметрического анализа и оптимизации.

Интеграцию программ и приложений в единый расчетный комплекс осуществляет специально разработанная компанией ANSYS платформа ANSYS Workbench 2.0. Платформа объединяет графический интерфейс приложений и обеспечивает их работу с базами данных в рамках одного проекта. Например, для работы с геометрией, генерации расчетной сетки, решения задач оптимизации ANSYS Workbench включает несколько специализированных модулей, таких как ANSYS DesignModeler, ANSYS Meshing и ANSYS DesignXplorer. Это позволяет создавать, связывать, проводить повторно расчеты в ANSYS CFX или ANSYS FLUENT, проводить параметрические исследования, легко выбирать тип анализа. Концепция расчета многодисциплинарных задач в единой рабочей платформе с поддержкой связи с CAD-системой уникальна и не имеет аналогов в иных программных продуктах.

Рис. 1.3. Схема конечно-элементного разбиения расчетной области (а) толкательной печи и расчетная схема печи после задания граничных условий (б)

Программная среда ANSYS Workbench Simulation обладает рядом преимуществ, одно из которых – параметризация на основе ядра Parasolid. Эта возможность отсутствует при использовании классического препостпроцессора ANSYS. Соответственно появляется возможность двунаправленной интеграции с CAD системами и совмещения расчетов инженерного анализа с расчетами по оптимизации конструкции.

ANSYS Workbench Simulation несет и некоторые дополнительные функции. Одна из них – возможность разработки шаблона отчетной документации в соответствии с некоторым задаваемым стандартом.

Модули подготовки геометрии, работающие под программной платформой Workbench:

ANSYS DesignModeler

DesignModeler – универсальный CAD-редактор, в котором могут создаваться геометрические модели объектов, производиться их разбиения и упрощения. Как и в других редакторах, в DesignModeler поддерживаются все логические операции (вычитание, объединение) при работе с твердыми телами, операции выдавливания (extrude), вращения (revolve), протягивания (sweep) и др. при работе с эскизами (кривыми). Имеются процедуры создания фасок и галтелей на гранях твердого тела, в комплекс встроены готовые геометрические примитивы стандартных трехмерных фигур: сфера, тор, цилиндр, куб и пр.

В своей основе редактор имеет ядро Parasolid, которое позволяет создавать, редактировать и параметризировать геометрические модели объектов. Процесс моделирования отображается в древовидной схеме проекта. Редактор является модулем программы Workbench, который имеет связи со всеми основными CAD-системами, обеспечивающими простую передачу геометрии и параметров. Параметры в процессе работы можно менять, обновляя модель.

ANSYS Meshing

Одним из обязательных этапов моделирования является создание сетки. Качество сеточной модели влияет на точность, сходимость и скорость получения решения.

ANSYS Meshing позволят генерировать сеточные модели для разных типов анализа (практически все области физики). Каждый из сеточных методов удовлетворяет специфическим требованиям той или иной области (механика деформируемых твердых тел, динамика текучих сред, электромагнетизм и др.), позволяет использовать упрощенную постановку задачи (оболочечные, двумерные и балочные модели).

ANSYS Meshing это многофункциональный сеточный препроцессор, позволяющий автоматически генерировать высококачественные расчетные сетки для различных приложений: для расчетов НДС, гидрогазодинамического анализа и пр.

Автоматизированные инструменты позволяют быстро построить расчетную сетку для новой геометрической модели – достаточно указать область физики, и все необходимые настройки по умолчанию будут выбраны автоматически. Такой подход гарантированно позволяет создавать расчетную сетку с первой попытки. ANSYS Meshing поддерживает двунаправленную параметрическую связь с CAD-системами, поэтому при изменении любого параметра исходной CAD-геометрии сеточная модель будет автоматически обновлена.

Имеются инструменты для создания сетки под непосредственным управлением пользователя. Сеточные технологии ANSYS позволяют выбрать тип элемента или технологию, использующую несколько типов элементов одновременно. Пользователь самостоятельно может указать зоны геометрической модели и соответствующие типы элементов, что позволяет обеспечить высокую экономичность и адекватность численной модели.

ANSYS ICEM CFD

Данное приложение следует рассматривать как расширение возможностей ANSYS Meshing. Оно запускается независимо от ANSYS WorkbenchDesignModeler для работы со сложной геометрией объектов, для генерации сетки, исправления дефектов геометрической модели.

Можно выделить ряд возможностей программного комплекса ANSYS ICEM CFD, которые дают ему преимущества перед сеточным препроцессором ANSYS Meshing. Среди них эффективное разбиение больших моделей/сборок; конвертация сетки в различные форматы (более 100) для экспорта в CFD- и МКЭ-комплексы; генерация сетки для моделей с дефектами; построение высококачественных сеток на основе гексаэдров (структурированных/неструктурированных); работа при фасеточной геометрии, разрывах, наложении поверхностей.

ANSYS ICEM CFD содержит развитые средства диагностики сетки и разнообразные опции для редактирования и улучшения качества сетки. В ANSYS ICEM CFD встроен постпроцессор для обработки результатов
CFD-расчетов и препроцессор, позволяющий на стадии генерации сетки определить граничные условия, свойства материалов и т. п.

Редактирование сетки является важным этапом при создании качественной сетки, поскольку проблемная сетка может привести к ошибкам при дискретизации уравнений и значительно ухудшить процесс сходимости задачи. В ANSYS ICEM CFD доступно два режима редактирования сетки: ручной и автоматический режимы. В автоматическом режиме выполняются такие операции, как сглаживание сетки, измельчение/укрупнение, объединение сеток с разной топологией элементов.

Отдельные технологии ANSYS ICEM CFD используются компанией ANSYS при совершенствовании единой «сеточной» платформы ANSYS Meshing.

1.4. Организация процесса вычислений в среде пакета Workbench [2]

Платформа Workbench интегрирует программные пакеты ANSYS в единую рабочую среду, обеспечивает взаимосвязь и передачу информации между отдельными блоками с разными видами анализа. Запуск платформы производится последовательным выполнением команд