КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена обзору программных приложений для моделирования и вычисления в гидродинамике. Рассмотрены области применения и функции программного моделирования в инженерии, также тепловые, статистические и динамические характеристики. Для этого произведён сравнительный анализ программ Ansys, СОМSОL и ОреnFОАМ.

ABSTRACT

The article is devoted to an overview of software applications for modeling and computing in hydrodynamics. The fields of application in engineering, as well as thermal, statistical and dynamic characteristics are considered. For this purpose, a comparative analysis of programs such as Ansys, СОМSОL and ОреnFОАМ was performed.

Ключевые слова: системы автоматизированного проектирования, вычислительная гидродинамика, программное обеспечение, моделирование, Ansys, СОМSОL Multiphysics, ОреnFОАМ.

Keywords: computer-aided design systems, computational fluid dynamics, software, modeling, Ansys, СОМSОL Multiphysics, ОреnFОАМ.

В связи с интенсивным развитием инженерной сферы науки, возникает необходимость внедрения компьютерного моделирования для ускорения процессов производства.

Одним из путей решения данного вопроса является использование современных программных обеспечений вычислительной гидродинамики (далее СFD), реализующих управляющие законы и уравнения для решения задач с помощью математических моделей. Данные программы следуют физическим законам и обеспечивают как численные, так и аналитические решения.

Исходя из данных международного энергетического прогноза, можно сделать вывод, что происходит истощение невозобновляемых источников энергии. Следовательно, резко встаёт вопрос о нахождении рационального и экологичного метода сжигания топлива. Программное моделирование СFD помогает промышленным компаниям решить данную задачу путём выхода за рамки классических методов. Кроме того, оно предоставляет пользователям более глубокое понимание поведения жидкости при определённых обстоятельствах.

Применение программного обеспечения для анализа СFD практически бесконечно. Программы СFD могут быть широко использованы в аэрокосмической, автомобильной и судостроительной промышленности, проектировании и архитектуре. Секторы, в которых программное обеспечение для моделирования СFD актуально, включают: биотехнологии, городское планирование, производство сантехнических приборов, системы управления водными ресурсами, гражданское строительство, разработка видеоигр и многое другое.

Использование программного обеспечения СFD включает в себя:

•  Литьё пластмасс под давлением. Моделирование этого промышленного процесса на компьютере экономит время, деньги и ресурсы, что позволяет минимизировать производственные дефекты.
• Характеристики потока жидкости. СFD нашло применение в биотехнологии для производства передовых медицинских устройств, используемых в респираторном и сердечно-сосудистом лечении.
•  Тепловые характеристики. Данный метод анализа часто используется производителями оружия и электроники.
• Статические характеристики конструкции. Анализ реакции конструкции на механическую нагрузку и эксплуатационные характеристики материала в условиях напряжения.
• Динамические характеристики конструкции. С помощью этого анализа СFD определяются правила соответствия, связанные с сейсмическими строительными нормами.

Некоторые программные решения СFD являются очень общими, в то время как другие ориентированы конкретно на определённые отрасли или случаи использования. Программное обеспечение СFD с открытым исходным кодом часто используется и для решения фундаментальных проблем, таких как реалистичное программирование потока сигаретного дыма при создании цифровых анимационных фильмов. Несмотря на то, что программные комплексы СFD решают не все инженерные проблемы, но именно так они в основном разрабатываются и продаются.

В наши дни коммерческое программное обеспечение СFD доступно для различных платформ, включая Windows, Linux, macOS и даже облачные вычислительные системы, которые подключаются к браузерам и мобильным приложениям. Однако пользователи очень заинтересованы в автоматизации и оптимизации управления проектами. Процесс использования сложных симуляций в основном слишком энергозатратен для средних рабочих станций и ноутбуков.

По этой причине был сделан большой толчок к созданию СFD-проектов в облаке и обеспечению совместной работы команды с помощью мобильных приложений и других устройств.

Многие СFD-приложения предлагают собственное моделирование и дизайн, но современный спрос пользователей явно способствует интеграции с популярными системами автоматизированного проектирования (далее, CAПP). Ещё одна тенденция в программном обеспечении СFD связана с поддержанием в курсе событий членов команды, не участвующих в проектировании. В то время как проекты СFD в большинстве случаев относятся к сфере инженерии, всегда будет необходим вклад персонала, специализирующегося на развитии бизнеса, маркетинге, продажах и других корпоративных функциях. Осложнения могут возникнуть, если интерфейс программного обеспечения СFD и рабочие процессы являются чрезмерно техническими, а не ориентированными на пользователей.

Точность данных является обязательным условием, особенно в ситуациях, связанных с дизайном помещений, производством датчиков, разработкой технологий автомобильных тормозов и пр. Помимо этого, необходимо учитывать и другие факторы, такие как совместная работа в команде, интеграция CAПP и простота моделирования.

Отрасли производства, апеллирующие решениями СFD, должны учитывать степень возможности воссоздания модели в соответствии с собственным геометрическим дизайном, используемым решением СFD. Программное обеспечение СFD, управляемое CAПP, предлагает расширенные функции, которые импортируют все инженерные данные в исходный файл. Более того, интерфейс СFD должен быть максимально похож на приложение CAПP.

Структурирование, организация и отображение данных - значимые аспекты программного обеспечения СFD, последовательно генерирующие большие объёмы наборов данных, которые часто невозможно достичь в процессе физического тестирования. Способ отображения этих наборов данных и способ их передачи является показателем эффективности.

Для обеспечения автоматизированного анализа к функциям СFD относятся:

• Сетчатые системы. Программное обеспечение для моделирования СFD должно позволять рассматривать процессы аэродинамики. Таким образом, сетчатая система разбивается на различные элементы. Например, в случае проектирования беспилотных летательных аппаратов самые передовые решения СFD автоматизируют процесс разбивки, чтобы исключить использование чертёжной доски CAПP. Метод конечных элементов обеспечивает высочайший уровень автоматизации сеточной системы. Автоматическое уточнение систем сетки также доступно в некоторых решениях СFD, что обеспечивает более реалистичные сценарии моделирования.
• Объем потока. Наличие автоматизированного расчёта области потока позволяет оптимизировать время моделирования с помощью использования булевой логики программного обеспечения.
• Решатели СFD. Решатели составляют уравнения для конечных объёмов, обеспечивающие неизменность значений потока. Это служит важным условием для решения задач гидрогазодинамики с высокой точностью. Решатели включают в себя самые необходимые функции физического моделирования для вывода правильных результатов.
• Решения. Каждая проблема СFD будет иметь несколько решений, основанных на факторах, параметрах и итерациях. Эти решения могут быть сужены в зависимости от области применения. Более умные решения СFD автоматизируют процесс сужения области применения на основе простых входных данных, предоставляемых пользователями.

Исходя из вышеперечисленных условий (свойств) выделяются следующие платформы для выполнения требуемого моделирования:

1. ANSYS - это программный продукт для моделирования, обеспечивающий выявление ошибок в прототипах перед утверждением. Программа позволяет создавать виртуальные модели своих творений, а затем подвергнуть их целой серии проверочных испытаний. Проведение анализа дизайна в результате может значительно сократить объем физических испытаний, которые необходимо провести, прежде чем продукт будет отправлен на реализацию. Программа была разработана таким образом, чтобы обеспечить максимальную гибкость. Обучающие могут настроить встроенный в приложение инженерный симулятор для удовлетворения потребностей практически любой отрасли. Сосредоточившись на том, что разработчик называет всепроникающей технологией моделирования, ANSYS адаптирует свои модели к конкретному типу тестируемого продукта. Например, аэрокосмический инженер может узнать больше о том, какое влияние окажет сопротивление на новый планер. ANSYS для создания сложной 3D-модели экспериментального самолёта может быть использован с помощью модуля мультифизического моделирования, чтобы посмотреть, какие силы действуют на него в полете. Компании, проектирующие сантехническое оборудование, могут применять модуль жидкостей для проверки расхода душевых кабин и смесителей. В ANSYS встроен полный пакет вычислительной гидродинамики, дополнительные виджеты моделирования:

• электромагнетизм для радиочастотного и теплового проектирования;
• оптический для проектирования линз, а также лазерных устройств;
• полупроводники, которые поставляются с рядом готовых микросхем;
• структурный анализ, включающий в себя полнофункциональный инструмент ВЭД;
• разработка встраиваемых систем и программного обеспечения;
• моделирование систем наряду с поддержкой датчиков и сбором данных.

2. СОМSОL Multiphysics - программный продукт для моделирования, который позволяет легко понимать, прогнозировать и оптимизировать физические процессы. Инженеры и учёные практически из любой области исследований могут использовать приложение для моделирования конструкций в рамках процесса разработки продукта. После того, как специалисты по технической части завершили разработку имитационной модели, они могут преобразовать её в специальную программу с автономным пользовательским интерфейсом. Это даёт возможность делиться своими разработками с другими экспертами. Более того, можно обмениваться моделями с пользователями всех стандартных пакетов CAПP. СОМSОL включает в себя специальные модули импорта для обоих форматов.

СОМSОL Multiphysics также поставляется с набором инструментов моделирования геометрии, которые позволяют создавать твёрдые объекты, поверхности и кривые. Геометрия определяется серией математических операций.

Каждая отдельная операция может получить независимый набор входных параметров, что облегчает будущие изменения и параметрические исследования. При создании сложных проектов можно работать с логическими операциями.

Как только будет определён объект, допускается запустить на нем набор тестов. С помощью полностью связанной матрицы Якоби в СОМSОL возможно использование линейных и нелинейных систем уравнений. Выполняя задачи СFD, СОМSОL предлагает решения как для стационарных исследований, так и нестационарных. Он также рекомендует данные решения для анализа механики твёрдого тела. Исследование твёрдых объектов осуществляется за счет выбора выхода собственной частоты. Дополнительно поддерживается:

• стохастическое моделирование;
• моделирование турбулентности;
• моделирование методом Монте-Карло.

Независимо от того, в каких сферах инженерии осуществляются исследования, СОМSОL Multiphysics обладает инструментом моделирования, который позволяет спрогнозировать наиболее точный результат.

3. ОреnFОАМ - программное обеспечение для СFD, которое поддерживается в Linux, mасОS и Windоws 10. Данное программное приложение вычислительной гидродинамики делает возможным моделирование почти любой среды. Компании, работающие в аэрокосмической и транспортной отраслях, могут использовать ОреnFОАМ для тестирования конструкций самолётов и автомобилей, систем пожаротушения, двигателей и других продуктов без необходимости в физических прототипах.

Некоторые ключевые функции программного обеспечения для автоматизированного проектирования ОреnFОAМ включают моделирование турбулентности, теплофизики и транспорта, а также моделирование многофазного потока. Большинство программ CAПP могут поддерживать создание сеток для простых и сложных геометрий, ОреnFОАМ в этом случае не стал исключением. В свою очередь, такого рода программное приложение использует цифровые решения с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений и решателей линейных систем. Также к поддержке моделей гидродинамики ПO для моделирования ОреnFОАМ обладает большим диапозоном функций оценки конечных элементов. Другими словами, ОреnFОAМ находит широкое применение в моделировании, для анализа структур и тепловых свойств систем. Помимо этого, возможности BЭД позволяют решать транспортные и электромагнитные трудности. Независимо от вида деятельности: управление крупным производственным предприятием или использование в научно-исследовательских работах, ОреnFОAМ предоставляет мощные функции моделирования, помогающие анализировать широкий спектр систем.

Таблица 1.

Сравнение компьютерных пакетов СFD

Заключение. Были изучены следующие программные приложения: Ansys, СОМSОL Multiphysics и Open Foam. Сразу стоит отметить, что у существующих коммерческих программ есть два главных недостатка: во-первых, высокая стоимость и строгие ограничения лицензии; во-вторых, закрытый исходный код. В результате этого рекомендуется рассмотреть также свободное программное обеспечение.

Проводя сравнение данных компьютерных комплексов, можно сделать выводы, что рассматриваемые программы проводят все основные виды анализа: электромагнитный, тепловой, гидродинамический и механический. Типы расчётов статистический и динамический позволяют построить двумерные, трёхмерные и осесимметричные геометрические модели. Ansys, СОМSОL Multiphysics и Open Foam обладают высокой точностью и учебными материалами, что позволяет использовать их в образовательных целях.

Список литературы:

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Аналитический обзор пакетов прикладных программ для моделирования энергетических процессов потребителей энергосистем АПК // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 6-2. – С. 191-195.
2. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В., Обухов К.Н. Компьютерные технологии в научных исследованиях энергоэффективности потребительских энергосистем АПК // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 10. – С. 71-72. 
3. Бордовский Г.А., Кондратьев А.С., Чоудери А.Д.Р. Физические основы математического моделирования: учебное пособие для вузов. -Москва: Издательский дом «Академия», 2005. – С.175-178.
4. Васильев В. А., Калмыкова М. А. Анализ и выбор программных продуктов для решения инженерных задач приборостроения / Современная техника и технологии. 2013. №3 / [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://technology.snauka.ru/2013/03/1702 (дата обращения 02.04.2022)
5. Шабанов, А. С. Применение пакетов программ FEMM и COMSOL Multiphysics в задачах расчета линейных электромагнитных двигателей / А. С. Шабанов, В. Ю. Нейман // Современные материалы, техника и технологии. — 2017. — № 5 (13). — С. 96–100.
6. Stolarski T., Nakasone Y., Yoshimoto S. Engineering Analysis with ANSYS Software. Butterworth-Heinemann – 2018. - 562 p.