Технологии построения и использования кластерных систем

Программные комплексы высокопроизводительных вычислений для решения проблемно-ориентированных вычислительно-трудоемких задач

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

Широкое распространение современной вычислительной техники за последние 15-20 лет существенно изменило процесс инженерной деятельности. Появление на рынке программного обеспечения современных комплексов автоматизированного проектирования (computer aided design, CAD и computer aided engineering, CAE) позволяет ускорять процессы проектирования и исследования различных конструкций, в том числе и машиностроительных изделий. Использование современных методов вычислений, реализованных в комплексах CAD и CAE, дает возможность проводить исследования различных характеристик проектируемых объектов, что позволяет изменять конструкцию этих объектов без создания экспериментальных образцов и не прибегать к длительной и дорогостоящей процедуре натурных экспериментов. Важно при этом отметить, что пользователь комплексов CAD и CAE (проектировщик или инженер) осуществляет только постановку решаемых задач и, при необходимости, управляет процессом расчетом - ему не требуется заниматься реализацией необходимых методов вычисл ений, поскольку эти методы уже содержатся в используемых комплексах. Более того, для решения вычислительно-трудоемких задач, требующих для своего анализа большого объема вычислений, комплексы CAD и CAE берут на себя вопросы эффективного использования высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем.

Тем самым, эффективное практическое применение высокопроизводительных вычислительных систем может быть обеспечено при широком использовании программных комплексов высокопроизводительных вычислений для решения проблемно-ориентированных вычислительно-трудоемких задач. К сожалению, в рамках одного учебного материала невозможно рассмотреть все комплексы CAD и CAE - их количество является достаточно большим (к тому же, в большинстве случае, даже общее знакомство с тем или иным программным комплексом требует проблемно-ориентированных знаний). Достаточно подробной перечень комплексов CAD и CAE содержится в [6]. В данном разделе в качестве учебного примера рассматривается программный комплекс FlowVision, предназначенный для моделирования трехмерных течений жидкостей и газов в областях сложной формы, а также для визуализации этих течений методами компьютерной графики. [12.2,12.3,12.6]. Следует понимать, что приводимый материал по комплексу FlowVision является ознакомительным и сводится к демонстрации решения сравнительно простой прикладной задачи. Для более полного рассмотрения комплекса FlowVisionмогут быть использованы работы [124.2,12.3].

Комплекс FlowVision предоставляет возможности решения следующего класса задач:

  • 3D стационарные, нестационарные, сжимаемые и несжимаемые потоки жидкости;
  • ламинарные и турбулентные потоки;
  • свободная поверхность;
  • горение предварительно перемешанных/неперемешанных газовых смесей;
  • сопряженный теплообмен;
  • сопряженное моделирование движения жидкости с различными математическими моделями в различных областях;
  • граничные условия, зависящие от времени;
  • задание вращения отдельных элементов конструкции;
  • модель зазора;
  • обмен информацией с программами конечно-элементного анализа, такими как ANSYS, ABAQUS, NASTRAN и др.
    •

    12.1. Состав и назначение основных модулей программного комплекса FlowVision

    Логическая структура FlowVision как у большинства пакетов прикладных программ для численного моделирования формально делится на 3 модуля, называемых препроцессором, солвером и постпроцессором.

    Построение геометрической основы задачи (расчетной области), реализуется с помощью внешних программ и затем импортируется в Flow Vision. FlowVision работает только с трехмерной геометрией, поэтому двумерные модели необходимо рассматривать как частный случай трехмерных.

    Препроцессор выполняет следующие функции:

  • Задание физико-математической постановки задачи: выбор модели для внутренних точек расчетной области (задание конкретного вида уравнений, значений коэффициентов), а также задание на границах расчетной области граничных условий, а для нестационарных задач - начальных условий.
  • Задание начальной сетки и критерия адаптации.
    •

    Солвер позволяет задать параметры, управляющие расчетом. К таким параметрам относятся: шаг по времени, выбор схемы аппроксимации уравнений по пространству и по времени, частота автосохранения и др.

    Постпроцессор служит для вывода и представления визуализации полученных в результате расчетов данных. В FlowVision используется большой набор методов визуализации, которые классифицируются по типу представляемых математических величин: скалярная величина, скалярное поле, векторное поле (скорости), а также по используемой геометрии (трехмерной или двумерной). Важно, что данные могут выводиться на любом этапе расчета, и это позволяет отслеживать динамику моделируемого процесса.

    12.2. Алгоритм моделирования в программном комплексе FlowVision

    Основными этапами моделирования в комплексе FlowVision являются:

  • создание геометрии (расчетной области) задачи с использованием пакета Solid Works;
  • экспорт/импорт созданной геометрии из SolidWorks в FlowVision;
  • выбор математической модели (набора уравнений), необходимой для формализованного описания жидкости данной задачи;
  • задание начальных и граничных условий;
  • построение равномерной конечно-объемной расчетной сетки с последующей ее адаптацией для более детального разрешения течения;
  • проведение расчета;
  • визуализация результатов.
    •

    В качестве демонстрации применения комплекса FlowVision рассматривается задача моделирования течения смазочно-охлаждающей жидкости по каналам расточной борштанги токарного станка [12.7]. Целью исследования является определение температуры в зоне резания, а также получение картины распределения давления и векторного поля скоростей в проточных областях борштанги и детали.

    12.3. Моделирование течения смазочно-охлаждающей жидкости по каналам расточной борштанги

    Известно, что применение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при обработке глубоких отверстий на токарных станках играет очень важную роль и зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости и глубины резания, требований к качеству обработанной поверхности, способа подачи жидкости и других условий [12.1].

    При глубоком растачивании подвод СОЖ и отвод стружки осуществляется по специально предусмотренным каналам. Один из каналов располагается внутри инструмента и называется внутренним. Наружный канал создается между наружной поверхностью инструмента и поверхностью обрабатываемого отверстия в заготовке. Иногда при растачивании роль наружного канала выполняет отверстие в заготовке, с которым она поступает на операцию [12.1]. В данной задаче рассматривается наружный подвод СОЖ и внутренний отвод стружки.

    Переходя к описанию модели, необходимо отметить, что импорт исходной геометрической модели в программу FlowVision может осуществляться непосредственно в виде конечно-элементной модели с использованием специальных приемов "препарирования". Область расчета модели для комплекса FlowVision создана в системе геометрического моделирования SolidWorks.

    Поток СОЖ должен обладать необходимыми характеристиками, так как применение той или иной смазочной жидкости зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости и глубины резания, требований к качеству обработанной поверхности, способа подачи жидкости и других условий. В качестве охлаждающей жидкости выбран продукт ECOCUT HFN 5 LE. ECOCUT HFN 5 LE - это смазочно-охлаждающая жидкость на основе высококачественного базового масла с повышенными антикоррозийными свойствами и стойкостью к старению. Специальный пакет EP присадок позволяет выдерживать высокие механические нагрузки и уменьшает трение и износ в процессе обработки металлов резанием. ECOCUT HFN 5 LE рекомендуется для обычных и тяжелых операций растачивания и шлифования стали, чугуна и цветных металлов. Данный продукт обладает пониженной испаряемостью и малым образованием тумана, что значительно способствует повышению культуры и безопасности производства.

    Выбор исходных параметров задачи

    Технические характеристики станка для обработки глубоких отверстий и физические свойства смазочно-охлаждающей жидкости взяты из специализированной литературы [12.1].

    Параметры борштанги:

    Длина l 1.3 [м]
    Внутренний радиус r1 0.03 [м]
    Внешний радиус r2 0.06 [м]

    Геометрические параметры обрабатываемой детали:

    Внутренний радиус r3 0.0855 [м]

    Геометрические параметры расточной головки

    Длина l 0.24 [м]
    Внутренний радиус r 0.03 [м]
    Внешний радиус r6 0.08 [м]

    Входные параметры:

    Скорость на входе Vin1 415 [кг м-1 с-1]
    Температура на входе Tin1 20 [°C]
    Температура внешней стенки Tw 22 [°С]
    Температура в зоне резания Tr 230 [°С]

    Параметры смазочно-охлаждающей жидкости:

    Плотность $$\rho$$ 830[кг м-3]
    Вязкость $$\mu$$ 0.00332 [кг м-1 с-1]
    Теплопроводность $$\lambda$$ ж 8.04104 [Вт м-1 К-1]
    Теплоемкость Ср 2422 [Дж кг-1 К-1]

    Число Рейнольдса: $$Re = V_{inl}D \rho / \mu = 0.5 \times 0.06 \times 830 / 0.00332 = 20667$$ (для определения числа Рейнольдса в качестве характерного размера D взят минимальный диаметр проточной части).

    Моделирование в программном комплексе FlowVision 3.0.5 выполняется в рамках модели турбулентного течения, так как Re <= 103 12.2.

    Перед началом описания процесса решения задачи следует пояснить, что пользовательский интерфейс взаимодействия с FlowVision организован в форме, схожей с Проводником (Explorer) операционной системы Windows (см. рис. 12.1). В левой части окна FlowVision приводится иерархическая структура наборов параметров, которыми можно управлять при решении задачи - каждая группа параметров, как правило, описывает некоторое понятие и именуются в FlowVision папкой. В правой части окна FlowVision показываются параметры выбранной папки, где каждый параметр представлен на отдельной строке в формате "Имя_параметра Значение_параметра". Для задания или изменения значения параметра следует выделить поле значения параметра и осуществить ввод нового значения.

    (рис 12.1) Эскиз внутренней поверхности обрабатываемой детали

    12.3.1. Создание геометрической модели

    Геометрия модели создана в системе SolidWorks.

    Создание твердотельной модели проточной части конструкции в программе SolidWorks происходило в три этапа:

  • создание эскиза (рис 12.2(рис 12.2) Эскиз внутренней поверхности обрабатываемой детали(рис 12.3) Эскиз борштанги
  • создание детали (рис 12.4(рис 12.4) Модель внутренней поверхности обрабатываемой детали(рис 12.5) Деталь борштанги и режущей головки
  • создание сборки и вычитание объемов: создание проточной части (того объема, который занимает жидкость) - см. рис. 12.5.

    Геометрическая модель области расчета загружена в FlowVision HPC в формате STL через меню/команду File/New (Файл/Создать). При загрузке геометрической модели автоматически создан соответствующий объем, который по умолчанию определился как Подобласть#0 - см. рис. 12.14.

    (рис 12.14) Подобласть#0
    •

    12.3.2. Задание физической модели

    Для задания физической модели в Препроцессоре необходимо определить следующие параметры:

  • вещество,
  • фаза,
  • модель.
    •

    Вещество:

    В папке Вещества:

  • Создается Вещество#0, соответствующее СОЖ:

    Агрегатное состояние = Жидкость

    Плотность =830 [кг x м-3]

    Вязкость =0.00332 [кг x м-1с-1]

    Теплопроводность =8.04104 [кг x m-1K-1]

    Удельная теплоемкость =2422 [Дж x кг-1K-1]

    Фаза

    В папке Фазы:

  • Создается непрерывная Фаза#0:
  • В папку Вещества Фазы#0 загружено Вещество#0
  • В окне свойств папки Физические процессы задано:
    •

    Движение = Ньютоновская жидкость

    Теплоперенос = Конвекция и теплопроводность

    Турбулентность = Стандартная k-e модель

    Задание процесса Ньютоновская жидкость означает, что будут решаться уравнения Навье-Стокса. При задании процесса Конвекция и теплопроводность к расчету подключается уравнение энергии. Задание Стандартной k-e модели турбулентности означает, что будут решаться уравнения для переноса турбулентной энергии и диссипации.

  • В окне свойств папки Начальные данные задаются:

    Скорость = (X=0, Y=0, Z=0)

    Давление = 0

    Температура = 20

    Пульсации = 0.03

    Масштаб турбулентности = 0.001

    Начальные данные задают распределение расчетных величин в начальный момент времени во всей расчетной области.

    Модель

    Модель зазора (рис. 12.7) позволяет получить решение в узких каналах без разрешения их расчетной сеткой.

    В папке Модели:

  • Создается Модель#0:
    •

    Использовать модель зазора = Стандартная модель зазора

  • В папку Фазы Модели#0 загружается Фаза#0:

    • Стандартная модель зазора

  • Мин. зазор = 0.000001

    • Макс. зазор = 0.002

    (рис 12.7) Модель зазора

    12.3.3. Задание вращения

    Для задания вращения необходимо создать локальную систему координат.

    По умолчанию в расчетной области присутствует одна предусмотренная система координат, жестко связанная с геометрией (СКГ). Эта система отображается в графическом окне проекта (при условии Поместить в (0;0;0) = Да ). В дереве Препроцессора в папке Локальные системы координат создается дополнительная локальная система координат (ЛСК) Локальная СК#0. В папке Локальная СК#0 задается Вращение#0 со следующими параметрами:

    Скорость =62.8 рад/с

    Центр

    X =0

    Y =0

    Z =0

    Направление

    X =1

    Y =0

    Z =0

    Центр = (0;0;0) - это задание центра оси вращения в данной ЛСК, а Направление = (1;0;0) означает задание направления оси вращения вдоль оси Y в данной ЛСК.

    Для задания вращения в граничном условии ГУ#Стенка_вращения определяется Вращение = Вращение#0 (см. ниже).

    12.3.4. Граничные условия

    Граничные условия (рис. 12.8) задают распределение расчетных величин на границах расчетной области.

    Прежде чем задавать граничные условия, необходимо указать модель для расчетной подобласти.

  • В окне свойств Подобласть#Течение выбирается:
    •

    Модель = Модель#0

    В общем случае процедура задания граничных условий включает в себя следующие этапы:

  • создание граничных условий,
  • задание параметров граничных условий,
  • расстановка граничных условий.
    •

    В подобласти устанавливаются следующие граничные условия:

    ГУ Стенка_резец

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка, логарифмический закон

    Температура Нулевой поток

    ГУ Стенка_вращение

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка, логарифмический закон

    Вращение Вращение#0

    ГУ Горячая_стенка

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка

    Температура Польз. Значение

    Значение 300

    ГУ Вход

    Тип Вход/Выход

    Переменные:

    Скорость Нормальная массовая скорость

    Значение 415 [кг/м2с]

    ГУ Выход

    Тип Свободный выход

    Переменные:

    Скорость Давление

    ГУ Стенка_торец

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка

    (рис 12.8) Распределение граничных условий

    12.3.5. Начальная расчетная сетка

    В окне свойств Начальной сетки задается равномерное разбиение вдоль каждой оси (рис. 12.9):

    nX=54

    nY=16

    nZ=16

    а) начальная сетка в плоскости XY

    б) начальная сетка в плоскости YZ

    (рис 12.9) Начальные сетки

    12.3.14. Адаптация расчетной сетки

    Для получения более точного решения вблизи зоны резания применяется адаптация в пространстве (рис. 12.10).

    а) начальная расчетная сетка в плоскости XY

    б) начальная расчетная сетка в плоскости YZ

    (рис 12.10) Расчетные сетки

    12.3.7. Задание параметров, управляющих расчетом

    Последним этапом подготовки проекта к расчету является задание параметров, управляющих расчетом.

    На закладке Управление в окне свойств Шаг по времени задаются:

    Способ Числом КФЛ

    Число КФЛ 1

    Макс. шаг 0.02

    12.3.8. Запуск на расчет

    Запуск на расчет осуществляется из Препостпроцессора. При этом Солвер-Агент и Лицензионный сервер должны быть запущены.

    Для того чтобы начать расчет необходимо авторизироваться на солвер-агенте:

  • нажать кнопку LOG IN,
  • ввести имя пользователя и пароль, под которым пользователь зарегистрирован на солвер-агенте.
    •

    Для того чтобы подключиться к Солверу, необходимо:

  • нажать кнопку,
  • запустить новый солвер, выбрать его из списка и подключиться к нему,
  • загрузить проект на солвер.
    •

    Файлы проекта будут находиться в двух директориях: клиентской и солверной. В обоих директориях находится сам файл проекта, информация о геометрии, граничных условиях, визуализации и невязках. В солверной части проекта хранится вся информация о расчетной сетки и результатах расчета. Увидеть результаты расчета можно только, если проект подключен к солверу и синхронизирован с ним.

    После загрузки проекта на солвер станет доступен запуск солвера на расчет. Чтобы запустить солвер на расчет, необходимо:

  • нажать кнопку,
  • указать параметры запуска на расчет.
    •

    Остановить расчет можно кнопкой.

    12.3.9. Результаты расчета

    Просмотр результатов расчета осуществляется в Постпроцессоре с помощью слоев визуализации. Для создания слоя визуализации в Постпроцессоре необходимо:

  • создать и настроить соответствующий объект,
  • создать слой требуемого типа на объекте,
  • в слое выбрать переменную и выполнить необходимые настройки слоя.
    •

    Создание слоя и изменение его настроек может проводиться или до запуска проекта на расчет или после остановки расчета. Обновление созданных слоев в процессе расчета осуществляется в соответствии с настройками каждого слоя.

    Интегральные характеристики

    Слой Характеристики предоставляет доступ к информации об интегральных значениях переменной и зависит как от базового объекта ( Супергруппа, Пространство, Плоскость и др.), так и типа переменной. В рассматриваемой задаче слои Характеристики создаются на объекте Супергруппа.

    Для того чтобы сделать слой информативным, в окне свойств слоя необходимо задать переменную. Информация об интегральных значениях выводится в окно Инфо.Имеется возможность сохранения этих данных в текстовый файл (см. ниже).

    Переменная = Давление

    (рис 12.11) Содержимое Инфо-окна

    Переменная = Температура

    (рис 12.12) Содержимое Инфо-окна

    Для того чтобы записывать содержимое слоя Характеристики в файл, необходимо задать в окне свойств слоя:

    Сохранение в файл

    Тип =Автоматическое

    Режим записи =Дописывать

    Все данные записываются в текстовый формат glo, который для построения графиков динамики величин можно экспортировать в Excel.

    На рис. 12.13 и 12.14 представлены графики изменения температуры на выходе и давления с течением времени.

    (рис 12.13) График изменения температуры на выходе с течением времени

    а) Характеристика давления на поверхности режущей головки вдоль оси X

    б) Характеристика давления на поверхности режущей головки вдоль оси Y

    (рис 12.14) Характеристики давления на поверхности режущей головки

    Из графиков видно, что с течением времени изменение характеристик становится незначительным, из чего можно сделать вывод об установлении решения.

    Распределение давления

    Для визуализации распределения давления в области сечения, проходящего через горизонтальную плоскость, строится слой Цветовые контуры (рис. 12.15). Слой Цветовые контуры демонстрирует распределение скалярной переменной с помощью цветовых переходов.

    Для создания слоя в контекстном меню Объекты создается новый объект:

    Тип объекта = Плоскость

    Для создания слоя Цветовые контуры в контекстном меню Плоскости#0

  • создается слой,
  • задается Тип = Цветовые контуры,
  • в окне свойств слоя задаются:
    •

    Переменная = Давление

    Метод = Цветовая заливка

    Для того чтобы сделать заливку сглаженной, в окне свойств слоя задается

    Интерполяция = Да

    На регулярной сетке = Нет

    (рис 12.15) Распределение давления в подобласти течения

    Область максимального давления находится во внешнем канале. Значительное изменение давления наблюдается при попадании СОЖ в область между направляющими элементами и обрабатываемой деталью. Во внутреннем канале давление минимальное.

    Векторное поле скоростей

    Для визуализации векторного поля скоростей служит слой Вектора. Направление вектора совпадает с направлением векторного поля в начальной точке вектора, а длина пропорциональна модулю поля в этой точке.

    Для создания слоя Вектора на Плоскости#0

  • в контекстном меню Плоскости#0 выбирается Создать слой,
  • задается Тип=Вектора.
    •

    В окне свойств слоя задается

    Переменная = Скорость

    В графическом окне отображается распределение скоростей:

    a) Векторное поле скоростей в плоскости XY

    б) Векторное поле скоростей в проточной части вдоль оси Y

    в) Векторное поле скоростей между режущей головкой и обрабатываемой деталью

    (рис 12.16) Векторные поля скоростей

    Из рис. 12.16а видно, что поток ускоряется в зоне расточной головки и замедляется, попадая в проточную часть обрабатываемой детали. рис. 12.16б . Рис. 12.16в показывает вращение потока жидкости.

    Распределение температуры

    Для визуализации распределения температуры в плоскости течения строится слой Цветовые контуры в контекстном меню Плоскости#0 (рис. 12.17). В окне свойств слоя задаются

    Переменная = Температура

    Метод = Цветовая заливка

    Для того чтобы сделать заливку сглаженной, в окне свойств слоя задается

    Интерполяция = Да

    На регулярной сетке = Нет

    (рис 12.17) Распределение температуры

    На рис. 12.17 видно, что температура на выходе устанавливается равной 26°С. Полученный результат хорошо согласуется с рекомендациями по обработке глубоких отверстий, представленными в специализированной литературе. Так, в целях снижения энергетических затрат рекомендуется поддерживать температуру циркулирующей СОЖ от 25 до 50°С [12.1].

    12.3.10. Заключение

    С помощью программного комплекса FV 3.0.5 проведено исследование движения смазочно-охлаждающей жидкости в проточной части расточной борштанги и обрабатываемой детали, вращающейся с постоянной угловой скоростью вокруг горизонтальной оси. В результате:

  • построена расчетная модель, позволившая провести исследование движения жидкости в проточной части расточной борштанги и обрабатываемой детали,
  • получены картины распределения давления и векторного поля скоростей в проточных областях борштанги и детали,
  • получены картины распределения температуры СОЖ, нагревающейся от зоны резания.
    •

    Проведенный анализ полученных результатов показал, что решение, найденное с помощью FlowVision 3.0.5, является адекватным, а, следовательно, применение программного комплекса FlowVision для решения рассматриваемого класса задач является возможным.

    Страницы:

    Широкое распространение современной вычислительной техники за последние 15-20 лет существенно изменило процесс инженерной деятельности. Появление на рынке программного обеспечения современных комплексов автоматизированного проектирования (computer aided design, CAD и computer aided engineering, CAE) позволяет ускорять процессы проектирования и исследования различных конструкций, в том числе и машиностроительных изделий. Использование современных методов вычислений, реализованных в комплексах CAD и CAE, дает возможность проводить исследования различных характеристик проектируемых объектов, что позволяет изменять конструкцию этих объектов без создания экспериментальных образцов и не прибегать к длительной и дорогостоящей процедуре натурных экспериментов. Важно при этом отметить, что пользователь комплексов CAD и CAE (проектировщик или инженер) осуществляет только постановку решаемых задач и, при необходимости, управляет процессом расчетом - ему не требуется заниматься реализацией необходимых методов вычисл ений, поскольку эти методы уже содержатся в используемых комплексах. Более того, для решения вычислительно-трудоемких задач, требующих для своего анализа большого объема вычислений, комплексы CAD и CAE берут на себя вопросы эффективного использования высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем.

    Тем самым, эффективное практическое применение высокопроизводительных вычислительных систем может быть обеспечено при широком использовании программных комплексов высокопроизводительных вычислений для решения проблемно-ориентированных вычислительно-трудоемких задач. К сожалению, в рамках одного учебного материала невозможно рассмотреть все комплексы CAD и CAE - их количество является достаточно большим (к тому же, в большинстве случае, даже общее знакомство с тем или иным программным комплексом требует проблемно-ориентированных знаний). Достаточно подробной перечень комплексов CAD и CAE содержится в [6]. В данном разделе в качестве учебного примера рассматривается программный комплекс FlowVision, предназначенный для моделирования трехмерных течений жидкостей и газов в областях сложной формы, а также для визуализации этих течений методами компьютерной графики. [12.2,12.3,12.6]. Следует понимать, что приводимый материал по комплексу FlowVision является ознакомительным и сводится к демонстрации решения сравнительно простой прикладной задачи. Для более полного рассмотрения комплекса FlowVisionмогут быть использованы работы [124.2,12.3].

    Комплекс FlowVision предоставляет возможности решения следующего класса задач:

  • 3D стационарные, нестационарные, сжимаемые и несжимаемые потоки жидкости;
  • ламинарные и турбулентные потоки;
  • свободная поверхность;
  • горение предварительно перемешанных/неперемешанных газовых смесей;
  • сопряженный теплообмен;
  • сопряженное моделирование движения жидкости с различными математическими моделями в различных областях;
  • граничные условия, зависящие от времени;
  • задание вращения отдельных элементов конструкции;
  • модель зазора;
  • обмен информацией с программами конечно-элементного анализа, такими как ANSYS, ABAQUS, NASTRAN и др.
    •

    12.1. Состав и назначение основных модулей программного комплекса FlowVision

    Логическая структура FlowVision как у большинства пакетов прикладных программ для численного моделирования формально делится на 3 модуля, называемых препроцессором, солвером и постпроцессором.

    Построение геометрической основы задачи (расчетной области), реализуется с помощью внешних программ и затем импортируется в Flow Vision. FlowVision работает только с трехмерной геометрией, поэтому двумерные модели необходимо рассматривать как частный случай трехмерных.

    Препроцессор выполняет следующие функции:

  • Задание физико-математической постановки задачи: выбор модели для внутренних точек расчетной области (задание конкретного вида уравнений, значений коэффициентов), а также задание на границах расчетной области граничных условий, а для нестационарных задач - начальных условий.
  • Задание начальной сетки и критерия адаптации.
    •

    Солвер позволяет задать параметры, управляющие расчетом. К таким параметрам относятся: шаг по времени, выбор схемы аппроксимации уравнений по пространству и по времени, частота автосохранения и др.

    Постпроцессор служит для вывода и представления визуализации полученных в результате расчетов данных. В FlowVision используется большой набор методов визуализации, которые классифицируются по типу представляемых математических величин: скалярная величина, скалярное поле, векторное поле (скорости), а также по используемой геометрии (трехмерной или двумерной). Важно, что данные могут выводиться на любом этапе расчета, и это позволяет отслеживать динамику моделируемого процесса.

    12.2. Алгоритм моделирования в программном комплексе FlowVision

    Основными этапами моделирования в комплексе FlowVision являются:

  • создание геометрии (расчетной области) задачи с использованием пакета Solid Works;
  • экспорт/импорт созданной геометрии из SolidWorks в FlowVision;
  • выбор математической модели (набора уравнений), необходимой для формализованного описания жидкости данной задачи;
  • задание начальных и граничных условий;
  • построение равномерной конечно-объемной расчетной сетки с последующей ее адаптацией для более детального разрешения течения;
  • проведение расчета;
  • визуализация результатов.
    •

    В качестве демонстрации применения комплекса FlowVision рассматривается задача моделирования течения смазочно-охлаждающей жидкости по каналам расточной борштанги токарного станка [12.7]. Целью исследования является определение температуры в зоне резания, а также получение картины распределения давления и векторного поля скоростей в проточных областях борштанги и детали.

    12.3. Моделирование течения смазочно-охлаждающей жидкости по каналам расточной борштанги

    Известно, что применение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при обработке глубоких отверстий на токарных станках играет очень важную роль и зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости и глубины резания, требований к качеству обработанной поверхности, способа подачи жидкости и других условий [12.1].

    При глубоком растачивании подвод СОЖ и отвод стружки осуществляется по специально предусмотренным каналам. Один из каналов располагается внутри инструмента и называется внутренним. Наружный канал создается между наружной поверхностью инструмента и поверхностью обрабатываемого отверстия в заготовке. Иногда при растачивании роль наружного канала выполняет отверстие в заготовке, с которым она поступает на операцию [12.1]. В данной задаче рассматривается наружный подвод СОЖ и внутренний отвод стружки.

    Переходя к описанию модели, необходимо отметить, что импорт исходной геометрической модели в программу FlowVision может осуществляться непосредственно в виде конечно-элементной модели с использованием специальных приемов "препарирования". Область расчета модели для комплекса FlowVision создана в системе геометрического моделирования SolidWorks.

    Поток СОЖ должен обладать необходимыми характеристиками, так как применение той или иной смазочной жидкости зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости и глубины резания, требований к качеству обработанной поверхности, способа подачи жидкости и других условий. В качестве охлаждающей жидкости выбран продукт ECOCUT HFN 5 LE. ECOCUT HFN 5 LE - это смазочно-охлаждающая жидкость на основе высококачественного базового масла с повышенными антикоррозийными свойствами и стойкостью к старению. Специальный пакет EP присадок позволяет выдерживать высокие механические нагрузки и уменьшает трение и износ в процессе обработки металлов резанием. ECOCUT HFN 5 LE рекомендуется для обычных и тяжелых операций растачивания и шлифования стали, чугуна и цветных металлов. Данный продукт обладает пониженной испаряемостью и малым образованием тумана, что значительно способствует повышению культуры и безопасности производства.

    Выбор исходных параметров задачи

    Технические характеристики станка для обработки глубоких отверстий и физические свойства смазочно-охлаждающей жидкости взяты из специализированной литературы [12.1].

    Параметры борштанги:

    Длина l 1.3 [м]
    Внутренний радиус r1 0.03 [м]
    Внешний радиус r2 0.06 [м]

    Геометрические параметры обрабатываемой детали:

    Внутренний радиус r3 0.0855 [м]

    Геометрические параметры расточной головки

    Длина l 0.24 [м]
    Внутренний радиус r 0.03 [м]
    Внешний радиус r6 0.08 [м]

    Входные параметры:

    Скорость на входе Vin1 415 [кг м-1 с-1]
    Температура на входе Tin1 20 [°C]
    Температура внешней стенки Tw 22 [°С]
    Температура в зоне резания Tr 230 [°С]

    Параметры смазочно-охлаждающей жидкости:

    Плотность $$\rho$$ 830[кг м-3]
    Вязкость $$\mu$$ 0.00332 [кг м-1 с-1]
    Теплопроводность $$\lambda$$ ж 8.04104 [Вт м-1 К-1]
    Теплоемкость Ср 2422 [Дж кг-1 К-1]

    Число Рейнольдса: $$Re = V_{inl}D \rho / \mu = 0.5 \times 0.06 \times 830 / 0.00332 = 20667$$ (для определения числа Рейнольдса в качестве характерного размера D взят минимальный диаметр проточной части).

    Моделирование в программном комплексе FlowVision 3.0.5 выполняется в рамках модели турбулентного течения, так как Re <= 103 12.2.

    Перед началом описания процесса решения задачи следует пояснить, что пользовательский интерфейс взаимодействия с FlowVision организован в форме, схожей с Проводником (Explorer) операционной системы Windows (см. рис. 12.1). В левой части окна FlowVision приводится иерархическая структура наборов параметров, которыми можно управлять при решении задачи - каждая группа параметров, как правило, описывает некоторое понятие и именуются в FlowVision папкой. В правой части окна FlowVision показываются параметры выбранной папки, где каждый параметр представлен на отдельной строке в формате "Имя_параметра Значение_параметра". Для задания или изменения значения параметра следует выделить поле значения параметра и осуществить ввод нового значения.

    (рис 12.1) Эскиз внутренней поверхности обрабатываемой детали

    12.3.1. Создание геометрической модели

    Геометрия модели создана в системе SolidWorks.

    Создание твердотельной модели проточной части конструкции в программе SolidWorks происходило в три этапа:

  • создание эскиза (рис 12.2(рис 12.2) Эскиз внутренней поверхности обрабатываемой детали(рис 12.3) Эскиз борштанги
  • создание детали (рис 12.4(рис 12.4) Модель внутренней поверхности обрабатываемой детали(рис 12.5) Деталь борштанги и режущей головки
  • создание сборки и вычитание объемов: создание проточной части (того объема, который занимает жидкость) - см. рис. 12.5.

    Геометрическая модель области расчета загружена в FlowVision HPC в формате STL через меню/команду File/New (Файл/Создать). При загрузке геометрической модели автоматически создан соответствующий объем, который по умолчанию определился как Подобласть#0 - см. рис. 12.14.

    (рис 12.14) Подобласть#0
    •

    12.3.2. Задание физической модели

    Для задания физической модели в Препроцессоре необходимо определить следующие параметры:

  • вещество,
  • фаза,
  • модель.
    •

    Вещество:

    В папке Вещества:

  • Создается Вещество#0, соответствующее СОЖ:

    Агрегатное состояние = Жидкость

    Плотность =830 [кг x м-3]

    Вязкость =0.00332 [кг x м-1с-1]

    Теплопроводность =8.04104 [кг x m-1K-1]

    Удельная теплоемкость =2422 [Дж x кг-1K-1]

    Фаза

    В папке Фазы:

  • Создается непрерывная Фаза#0:
  • В папку Вещества Фазы#0 загружено Вещество#0
  • В окне свойств папки Физические процессы задано:
    •

    Движение = Ньютоновская жидкость

    Теплоперенос = Конвекция и теплопроводность

    Турбулентность = Стандартная k-e модель

    Задание процесса Ньютоновская жидкость означает, что будут решаться уравнения Навье-Стокса. При задании процесса Конвекция и теплопроводность к расчету подключается уравнение энергии. Задание Стандартной k-e модели турбулентности означает, что будут решаться уравнения для переноса турбулентной энергии и диссипации.

  • В окне свойств папки Начальные данные задаются:

    Скорость = (X=0, Y=0, Z=0)

    Давление = 0

    Температура = 20

    Пульсации = 0.03

    Масштаб турбулентности = 0.001

    Начальные данные задают распределение расчетных величин в начальный момент времени во всей расчетной области.

    Модель

    Модель зазора (рис. 12.7) позволяет получить решение в узких каналах без разрешения их расчетной сеткой.

    В папке Модели:

  • Создается Модель#0:
    •

    Использовать модель зазора = Стандартная модель зазора

  • В папку Фазы Модели#0 загружается Фаза#0:

    • Стандартная модель зазора

  • Мин. зазор = 0.000001

    • Макс. зазор = 0.002

    (рис 12.7) Модель зазора

    12.3.3. Задание вращения

    Для задания вращения необходимо создать локальную систему координат.

    По умолчанию в расчетной области присутствует одна предусмотренная система координат, жестко связанная с геометрией (СКГ). Эта система отображается в графическом окне проекта (при условии Поместить в (0;0;0) = Да ). В дереве Препроцессора в папке Локальные системы координат создается дополнительная локальная система координат (ЛСК) Локальная СК#0. В папке Локальная СК#0 задается Вращение#0 со следующими параметрами:

    Скорость =62.8 рад/с

    Центр

    X =0

    Y =0

    Z =0

    Направление

    X =1

    Y =0

    Z =0

    Центр = (0;0;0) - это задание центра оси вращения в данной ЛСК, а Направление = (1;0;0) означает задание направления оси вращения вдоль оси Y в данной ЛСК.

    Для задания вращения в граничном условии ГУ#Стенка_вращения определяется Вращение = Вращение#0 (см. ниже).

    12.3.4. Граничные условия

    Граничные условия (рис. 12.8) задают распределение расчетных величин на границах расчетной области.

    Прежде чем задавать граничные условия, необходимо указать модель для расчетной подобласти.

  • В окне свойств Подобласть#Течение выбирается:
    •

    Модель = Модель#0

    В общем случае процедура задания граничных условий включает в себя следующие этапы:

  • создание граничных условий,
  • задание параметров граничных условий,
  • расстановка граничных условий.
    •

    В подобласти устанавливаются следующие граничные условия:

    ГУ Стенка_резец

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка, логарифмический закон

    Температура Нулевой поток

    ГУ Стенка_вращение

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка, логарифмический закон

    Вращение Вращение#0

    ГУ Горячая_стенка

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка

    Температура Польз. Значение

    Значение 300

    ГУ Вход

    Тип Вход/Выход

    Переменные:

    Скорость Нормальная массовая скорость

    Значение 415 [кг/м2с]

    ГУ Выход

    Тип Свободный выход

    Переменные:

    Скорость Давление

    ГУ Стенка_торец

    Тип Стенка

    Переменные:

    Скорость Стенка

    (рис 12.8) Распределение граничных условий

    12.3.5. Начальная расчетная сетка

    В окне свойств Начальной сетки задается равномерное разбиение вдоль каждой оси (рис. 12.9):

    nX=54

    nY=16

    nZ=16

    а) начальная сетка в плоскости XY

    б) начальная сетка в плоскости YZ

    (рис 12.9) Начальные сетки

    12.3.14. Адаптация расчетной сетки

    Для получения более точного решения вблизи зоны резания применяется адаптация в пространстве (рис. 12.10).

    а) начальная расчетная сетка в плоскости XY

    б) начальная расчетная сетка в плоскости YZ

    (рис 12.10) Расчетные сетки

    12.3.7. Задание параметров, управляющих расчетом

    Последним этапом подготовки проекта к расчету является задание параметров, управляющих расчетом.

    На закладке Управление в окне свойств Шаг по времени задаются:

    Способ Числом КФЛ

    Число КФЛ 1

    Макс. шаг 0.02

    12.3.8. Запуск на расчет

    Запуск на расчет осуществляется из Препостпроцессора. При этом Солвер-Агент и Лицензионный сервер должны быть запущены.

    Для того чтобы начать расчет необходимо авторизироваться на солвер-агенте:

  • нажать кнопку LOG IN,
  • ввести имя пользователя и пароль, под которым пользователь зарегистрирован на солвер-агенте.
    •

    Для того чтобы подключиться к Солверу, необходимо:

  • нажать кнопку,
  • запустить новый солвер, выбрать его из списка и подключиться к нему,
  • загрузить проект на солвер.
    •

    Файлы проекта будут находиться в двух директориях: клиентской и солверной. В обоих директориях находится сам файл проекта, информация о геометрии, граничных условиях, визуализации и невязках. В солверной части проекта хранится вся информация о расчетной сетки и результатах расчета. Увидеть результаты расчета можно только, если проект подключен к солверу и синхронизирован с ним.

    После загрузки проекта на солвер станет доступен запуск солвера на расчет. Чтобы запустить солвер на расчет, необходимо:

  • нажать кнопку,
  • указать параметры запуска на расчет.
    •

    Остановить расчет можно кнопкой.

    12.3.9. Результаты расчета

    Просмотр результатов расчета осуществляется в Постпроцессоре с помощью слоев визуализации. Для создания слоя визуализации в Постпроцессоре необходимо:

  • создать и настроить соответствующий объект,
  • создать слой требуемого типа на объекте,
  • в слое выбрать переменную и выполнить необходимые настройки слоя.
    •

    Создание слоя и изменение его настроек может проводиться или до запуска проекта на расчет или после остановки расчета. Обновление созданных слоев в процессе расчета осуществляется в соответствии с настройками каждого слоя.

    Интегральные характеристики

    Слой Характеристики предоставляет доступ к информации об интегральных значениях переменной и зависит как от базового объекта ( Супергруппа, Пространство, Плоскость и др.), так и типа переменной. В рассматриваемой задаче слои Характеристики создаются на объекте Супергруппа.

    Для того чтобы сделать слой информативным, в окне свойств слоя необходимо задать переменную. Информация об интегральных значениях выводится в окно Инфо.Имеется возможность сохранения этих данных в текстовый файл (см. ниже).

    Переменная = Давление

    (рис 12.11) Содержимое Инфо-окна

    Переменная = Температура

    (рис 12.12) Содержимое Инфо-окна

    Для того чтобы записывать содержимое слоя Характеристики в файл, необходимо задать в окне свойств слоя:

    Сохранение в файл

    Тип =Автоматическое

    Режим записи =Дописывать

    Все данные записываются в текстовый формат glo, который для построения графиков динамики величин можно экспортировать в Excel.

    На рис. 12.13 и 12.14 представлены графики изменения температуры на выходе и давления с течением времени.

    (рис 12.13) График изменения температуры на выходе с течением времени

    а) Характеристика давления на поверхности режущей головки вдоль оси X

    б) Характеристика давления на поверхности режущей головки вдоль оси Y

    (рис 12.14) Характеристики давления на поверхности режущей головки

    Из графиков видно, что с течением времени изменение характеристик становится незначительным, из чего можно сделать вывод об установлении решения.

    Распределение давления

    Для визуализации распределения давления в области сечения, проходящего через горизонтальную плоскость, строится слой Цветовые контуры (рис. 12.15). Слой Цветовые контуры демонстрирует распределение скалярной переменной с помощью цветовых переходов.

    Для создания слоя в контекстном меню Объекты создается новый объект:

    Тип объекта = Плоскость

    Для создания слоя Цветовые контуры в контекстном меню Плоскости#0

  • создается слой,
  • задается Тип = Цветовые контуры,
  • в окне свойств слоя задаются:
    •

    Переменная = Давление

    Метод = Цветовая заливка

    Для того чтобы сделать заливку сглаженной, в окне свойств слоя задается

    Интерполяция = Да

    На регулярной сетке = Нет

    (рис 12.15) Распределение давления в подобласти течения

    Область максимального давления находится во внешнем канале. Значительное изменение давления наблюдается при попадании СОЖ в область между направляющими элементами и обрабатываемой деталью. Во внутреннем канале давление минимальное.

    Векторное поле скоростей

    Для визуализации векторного поля скоростей служит слой Вектора. Направление вектора совпадает с направлением векторного поля в начальной точке вектора, а длина пропорциональна модулю поля в этой точке.

    Для создания слоя Вектора на Плоскости#0

  • в контекстном меню Плоскости#0 выбирается Создать слой,
  • задается Тип=Вектора.
    •

    В окне свойств слоя задается

    Переменная = Скорость

    В графическом окне отображается распределение скоростей:

    a) Векторное поле скоростей в плоскости XY

    б) Векторное поле скоростей в проточной части вдоль оси Y

    в) Векторное поле скоростей между режущей головкой и обрабатываемой деталью

    (рис 12.16) Векторные поля скоростей

    Из рис. 12.16а видно, что поток ускоряется в зоне расточной головки и замедляется, попадая в проточную часть обрабатываемой детали. рис. 12.16б . Рис. 12.16в показывает вращение потока жидкости.

    Распределение температуры

    Для визуализации распределения температуры в плоскости течения строится слой Цветовые контуры в контекстном меню Плоскости#0 (рис. 12.17). В окне свойств слоя задаются

    Переменная = Температура

    Метод = Цветовая заливка

    Для того чтобы сделать заливку сглаженной, в окне свойств слоя задается

    Интерполяция = Да

    На регулярной сетке = Нет

    (рис 12.17) Распределение температуры

    На рис. 12.17 видно, что температура на выходе устанавливается равной 26°С. Полученный результат хорошо согласуется с рекомендациями по обработке глубоких отверстий, представленными в специализированной литературе. Так, в целях снижения энергетических затрат рекомендуется поддерживать температуру циркулирующей СОЖ от 25 до 50°С [12.1].

    12.3.10. Заключение

    С помощью программного комплекса FV 3.0.5 проведено исследование движения смазочно-охлаждающей жидкости в проточной части расточной борштанги и обрабатываемой детали, вращающейся с постоянной угловой скоростью вокруг горизонтальной оси. В результате:

  • построена расчетная модель, позволившая провести исследование движения жидкости в проточной части расточной борштанги и обрабатываемой детали,
  • получены картины распределения давления и векторного поля скоростей в проточных областях борштанги и детали,
  • получены картины распределения температуры СОЖ, нагревающейся от зоны резания.
    •

    Проведенный анализ полученных результатов показал, что решение, найденное с помощью FlowVision 3.0.5, является адекватным, а, следовательно, применение программного комплекса FlowVision для решения рассматриваемого класса задач является возможным.

    Предыдущее занятие Следующее занятие
    Вернуться к учебному плану
    ^