Компьютерный эксперимент с пакетом Fine/Open

56 Pages·05.175 MB·Russian

by  Коржов Евгений Николаевич

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
С ПАКЕТОМ FINE/OPEN

Учебное пособие для вузов

Воронеж
Издательский дом ВГУ
2014
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Утверждено научно-методическим советом факультета ПММ 18 сентября
2014 г., протокол № 1

Авторы: Е.Н. Коржов, И.В. Ерофеев, Д.Б. Пилипенко, М.С. Баткова

Рецензент д-р физ.-мат. наук, профессор М.А. Артемов

Учебное пособие подготовлено на кафедре теоретической и прикладной ме-
ханики факультета ПММ Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов-магистров первого курса факультета ПММ.

Для направления 010800 – Механика и математическое моделирование
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

1. ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие посвящено развитию начальных навыков
практической работы с пакетом программ NUMECA [1–3]. В основу посо-
бия положен перевод фирменного документа пакета [4].
Пакет NUMECA относится к числу относительно новых программных
систем, предназначенных для проведения компьютерного эксперимента в
области инженерно-технических проблем современной науки и техники.
Пакет интенсивно развивается и в настоящее время объединяет несколько
модулей, с помощью которых может быть исследовано поведение разнооб-
разных сложных физико-технически систем и процессов. Разработка пакета
осуществляется под руководством крупного ученого в области вычисли-
тельной гидродинамики профессора Ч. Хирша, известного в нашей стране
по переводам его книг по компьютерной механике [5].
В настоящее время в состав пакета NUMECA входят следующие моду-
ли-программы:
− FINE™ графический интерфейс пользователя – является удобной
средой (дружественный интерфейс), что позволяет пользователю выпол-
нить все шаги: от генерации сетки до визуализации потока;
− FINE/Turbo – для численного моделирования вращающихся потоков,
в том числе в турбомашинах;
− FINE™/Open – для численного моделирования течений, представ-
ляющий собой многодоменный неструктурированный программный код
для решения уравнений Эйлера и Навье – Стокса при расчете ламинарного,
переходного или турбулентного течений;
− HEXPRESS™ – программное обеспечение в виде автоматизирован-
ного генератора неструктурированных шестигранных сеток, предназначен-
ного для автоматического генерирования сетки при дискретизации области
сложной 2D и 3D геометрии;
− CFView™- высоко интерактивное программное обеспечение для
постпроцессинга и визуализации течений.
В данном учебном пособии в качестве предметной области выбрана
камера сгорания эталонной газовой турбины, вычислительный эксперимент
для которой выполняется с помощью программы FINE/Open [3]. В первой
части пособия описывается как использовать программу для моделировать
процесса горения не перемешанных компонентов топливной смеси. Во вто-
рой части анализируется ситуация для случая учета радиационного тепло-
выделения, а также для частично перемешанных компонентов на основе
различных моделей горения.
Достаточное внимание уделяется наиболее рациональным приемам
технологии компьютерного эксперимента – генерации и управлению каче-
ством создаваемой сетки для области решения, использованию встроенной
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

базы данных теплофизических свойств рабочих тел и материалов, заданию
параметров моделей горения и излучения, начальных и граничных условий,
определению численных параметров алгоритма вычислений, выбору вы-
ходных параметров, контролю за сходимостью вычислительного процесса,
способам визуализации результатов вычислений и многому другому.
В компьютерном эксперименте принято выделять следующие этапы:
1. Описание реального объекта на основании имеющихся сведений о его
свойствах, одни из которых характеризуют его состояние, а другие поведение.
Эти сведения позволяют сформулировать задание на исследование.
2. Концептуальное моделирование, в ходе которого определяются ос-
новные и второстепенные факторы, учет которых позволяет построить ие-
рархическую совокупность физических или концептуальных моделей.
3. Построение математических моделей, представляющих собой сово-
купность некоторых уравнений (как правило, дифференциальных) и неко-
торая совокупность условий однозначности решений (начальные и гранич-
ные условия).
4. Построение геометрической модели – области пространства, в кото-
рой будет искаться численное решение математической задачи.
5. Дискретизация области решения задачи, уравнений, представляю-
щих собой математическую модель, и соответствующих условий однознач-
ности их решения, с помощью одного из способов – конечных разностей,
конечных элементов, контрольных объемов и т.п.
6. Проведение вычислений с помощью какого-либо выбранного или
разработанного алгоритма.
7. Визуализация результатов вычислений, то есть представление их в
виде, удобном для изучения поведения реального объекта на всем множест-
ве значений параметров модели.
8. Анализ полученных результатов и формулировка выводов, раскры-
вающих основные закономерности и особенности поведения реального
объекта исследования.
В пособии представлен минимум необходимых сведений для приобре-
тения первичных практических навыков эксплуатации пакета FINE/Open.
Для более глубокого изучения функциональных возможностей программы
следует обратиться к руководствам [1–2].

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Предполагается, что обучающиеся уже знакомы с интерфейсом поль-
зователя этим пакетом, а также прослушали лекцию о функциональных
возможностях и порядке использования программы FINE/Open при прове-
дении компьютерного эксперимента. Кроме того, некоторые вопросы
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

структуры главного меню пакета детально рассматривались при выполне-
нии двух предыдущих лабораторных работ.
Кроме того, предполагается, что основные вопросы математического
моделирования процессов горения предварительно рассматривались в рам-
ках спецкурса «Физико-химическая механика».

3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О РАБОТЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
ЭТАЛОННОЙ ГАЗОВОЙ ФОРСУНКИ

Схематическое изображение камеры сгорания эталонной газовой тур-
бины изображено ниже. Основной воздушный поток проникает через сопло
центробежной форсунки.
Топливо подается в камеру сгорания отдельно от воздуха через трубку
в центре вихревой форсунки. Закрутка воздуха способствует возникнове-
нию рециркуляционной зоны, которая обеспечивает устойчивость горения.
После основного периода горения поступивший вторично воздух быстро
разбавляется смесью горючего и окислителя смеси понижает температуру в
камере сгорания.

4. ПОДГОТОВКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Пуск FINE™/Open v2.12-# («#» – символ, соответствующий теку-
щей версии)
– Для систем LINUX и UNIX вы можете получить доступ к
FINE™/Open v2.12-#
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

графический пользовательский интерфейс с помощью следующей ко-
мандной строки
localhost % fineopen212_# -print
– Для операционной системы WINDOWS вы можете получить доступ к
FINE™/Open v2.12-# графический интерфейс пользователя из меню Start
перейти к /Programs/NUMECAsoftware/FineOpen212_#/FINEOpen.

2. В разделе Create a new project выберите Creating a mesh.
3. Нажмите Ok для подтверждения.

4. Перейдите в вашу рабочую папку, введите имя проекта:
<GGTCombustor> и нажмите Оk (Сохранить).
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

FINE™/Open автоматически создаст папку с названием проекта
"GGTCombustor", который будет содержать файл проекта (".iec") и
папку "_mesh", когда сетка будет сохранена. Расчеты папки появятся
внутри папки проекта. Настоятельно рекомендуется сохранить дан-
ный файл структуры.

5. Нажмите Yes, чтобы запустить генератор сеток HEXPRESS™ .

5. ГЕНЕРАЦИЯ СЕТКИ

Пошаговый подход подразумевает следующее. Он предназначен для
того, чтобы направить Вас через различные шаги, которые необходимо вы-
полнить, начиная с создания сетки проекта и заканчивая проверкой качест-
ва построенной сетки.

5.1. Открытие существующего домена
6. Нажмите на Import computational domain <.dom> , чтобы импор-
тировать домен.

7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Добро пожаловать в HEXPRESS, диалоговое окно позволяет пользо-
вателю открыть ".igg" файл проекта, в том числе сетки и данные,
необходимые для их восстановления. В этом учебном пособии эти
данные будут постепенно определяться и, следовательно, будут за-
пускать файл домена ".dom". Следует отметить, что диалоговое ок-
но также позволяет загружать геометрические файлы (Parasolid™,
CATIA v5, STL), импортировать сетки, HEXPRESS™/Hybrid, ANSYS
или CGNS а также скрипт на языке Python.

7. Выберите "GGTCombustor.dom" файл для открытия в пакете доку-
ментов С:/NUMECA_SOFTWARE/FineOpen212_3 /Documentation//FINE_
Open_212_3 Tutorial/FINE-Open/_basics/Tutorial_3 и нажмите Открыть.

5.2. Создание начальной сетки
8. Щёлкнуть левой кнопкой мыши на поле установки флажка
Initial mesh в Mesh Wizard для активации.

При активации появится знак внутри коробки, характеризую-
щий соответствующий шаг.

9. Щёлкнуть правой кнопкой мыши на поле установки флажка Initial
mesh и выберите Edit… во всплывающем меню.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

10. Установите число делений на Декартовой оси:
− <54><Enter> для оси X.
− <56><Enter> для оси Y.
− <166><Enter> для оси Z.
11. Нажать кнопку Go для создания Начальной сетки, после чего авто-
матически будет посчитано число ячеек, и цвет окошка Initial mesh изме-
нится на зелёный.
12. Щёлкнуть на в меню View для отключения отображения сетки.
13. Щёлкнуть на в меню View для отключения сплошного ото-
бражения.

14. Повторите шаг 12 и шаг 13 чтобы снова включить отображение
сетки и сплошное, затем сохраните деталь.

9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Возможен более подробный просмотр сетки: колесом мыши
влево или вправо (сдвиг изображения) или прокрутка колеса
(увеличение или уменьшения изображения).

5.3. Адаптация сетки
Адаптация сетки является, вероятно, самым важным шагом с
точки зрения взаимодействия пользователя с HEXPRESS™. В
самом деле, выбор параметров в этой операции непосредственно
диктует компьютерную сетку, построенную в HEXPRESS™.
Этот шаг адаптации состоит из двух последовательных дей-
ствий, а именно: детализации и подгонки.
Как было упомянуто раньше, HEXPRESS™ адаптирует перво-
начальную сетку так, что размеры ячейки удовлетворяют гео-
метрической форме зависящего критерия, в то время как в по-
следнем шаге ячейки, пересекающие геометрическую форму или
располагающиеся вне вычислительной области, удаляются.

15. Щёлкнуть для проверки Adapt to geometry в Mesh Wizard.
16. Щёлкнуть правой кнопкой мыши на поле установки флажка
Adapt to geometry и выберите Edit… во всплывающем меню.
17. Уберите флажок с поля «Trimming» и кликните на Parameters…
для меню Refinement.

10