ANSYS Advantage Русская редакция №13 2010 Машиностроение_Machinery

МАШИНОСТРОЕНИЕМАШИНОСТРОЕНИЕ

Èñïîëüçîâàíèå FLUENT ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ÈÀ

FSI-ðàñ÷åò ãàçîâûõëîïà ÃÒÄ

Ãèäðîäèíàìèêà ãðåáíîãî âèíòà

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании

ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками

или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно/технический

журнал

Выходит 4 раза в год

13'2010

Учредитель:

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Руководитель проекта:

Хитрых Денис

Над номером работали:

Чернов Александр

Юрченко Денис

Переводчик:

Юрченко Анна

Интернет�группа:

Николаев Александр

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Технологии

ANSYS Multiphysics

Опыт применения FSI-технологий ANSYS

при расчете выхлопного тракта газовой турбины ............................................... 2

Расчет НДС ответственных узлов карьерного самосвала

грузоподъемностью 360 тонн ................................................................................ 5

ANSYS CFD

Использование ANSYS FLUENT при проектировании измерительной

аппаратуры ............................................................................................................. 8

Моделирование последствий стихийных бедствий

с помощью ANSYS CFD ....................................................................................... 10

Разработка системы охлаждения дизельного поезда

с применением ANSYS CFX ................................................................................ 12

Моделирование гидродинамики гребного винта Rolls-Royce

с учетом эффекта кавитации .............................................................................. 16

Применение методов вычислительной гидродинамики

в проекте РУ для АЭС средней мощности ......................................................... 19

Применение методов вычислительной гидродинамики

при проектировании теплообменного оборудования ........................................ 23

Расчет в ANSYS FLUENT нагнетания воздушных пузырьков

на омываемую поверхность судна ...................................................................... 26

Мастер класс

Очистка и исправление дефектов геометрии в ANSYS DesignModeler 12.0 .. 28

Пример использования GGI-интерфейса и пользовательских функций

для задания характеристик вентилятора ........................................................... 31

Аппаратное обеспечение

Эффективность параллельных вычислений в комплексе ANSYS CFX 12.0

в зависимости от используемого типа сетевого интерконнекта ...................... 33

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010www.ansyssolutions.ru

13'2010

© 2010 ANSYS, Inc.

© 2010 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010www.ansyssolutions.ru


2

Опыт применения

FSI-технологий ANSYS

при расчете выхлопного

тракта газовой турбины

С помощью связанных расчетов в корот-

кие сроки была быстро определена при-

чина разрушительных вибраций и создан

новый проект выхлопного тракта.

Компании, занимающиеся добычей нефти и газа

на шельфе, могут нести существенные убытки

даже при незначительных простоях, поэтому они

должны быть осведомлены о возможных полом-

ках оборудования, которые могут повлечь за со-

бой любой сбой или отказ в работе системы. В

связи с этим, было проведено исследование ус-

талостных трещин и открытых разрывов в дымо-

вых трубах газовых турбин, вращающих электри-

ческие генераторы и газовые компрессоры, — на

буровой вышке, расположенной в Северном

море. 10-метровая конструкция, состоящая, из

сварных панелей направляет поток газов с тем-

пературой 540 °С и скоростью до 180 м/с. При

этом датчики вибраций, расположенные на одной

из труб, показали сильный уровень вибрации —

на частоте около 20 Гц, в особенности это касает-

ся нижней конической секции, в которой возника-

ет большинство трещин.

Для моделирования процессов, происходя-

щих в дымовых трубах, нефтедобывающая ком-

пания StatoilHydro обратилась в инженерно-кон-

салтинговую фирму Lloyd’s Register ODS

(LR ODS). Основной целью было определить

главную причину вибраций, возникающих в су-

Johan Gullman-Strand и Kenny Krogh Nielsen, Lloyd’s Register ODS, Копенгаген, Дания

Ýôôåêòèâíîñòü FSI-ðàñ÷åòîâ áûëà äîñòèãíóòà âî ìíîãîì áëàãîäàðÿ èñïîëüçîâàíèþ åäèíîãî èíñòðóìåíòà äëÿ ïîñòðîåíèÿ ðàñ÷åòíûõ ñåòîê — ANSYS ICEM CFD. Ñåòêè äëÿ CFD ðàñ÷åòà (ñëåâà â êàæäîé ãðóïïå) áûëè ïîñòðîåíû ñ ïîìîùüþ îáúåìíûõ ýëåìåíòîâ, îáîëî÷å÷íûå ýëåìåíòû èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ÍÄÑ (ñïðàâà)

Èñõîäíûé ïðîåêò Íîâûé ïðîåêò D1

3

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

ществующей конструкции, а также уровни шума,

характерные для двух новых проектов дымовых

труб. В существующей конструкции большинс-

тво сечений были главным образом прямоуголь-

ными, оба новых проекта имели цилиндричес-

кую форму в среднем сечении трубы. В одном из

новых проектов, D1, были достаточно длинные

секции с плоскими стенками. С помощью инже-

нерных расчетов специалисты LR ODS в сжатые

сроки подробно изучили представленные проек-

ты, что было бы затруднительно при создании и

тестировании физических прототипов. Сначала

инженеры провели модальный анализ с помо-

щью ANSYS Mechanical, получив достаточно

низкие первые собственные частоты в диапазо-

не от 15 Гц до 25 Гц. Формы колебаний из прове-

денного расчета показали, что максимальная

амплитуда колебаний приходится на нижнюю ко-

ническую секцию каждой конструкции.

Затем команда инженеров провела FSI-

расчет для исследования движения турбулент-

ного потока отработанных газов через дымовую

трубу и итоговых колебаний давления на стенки.

Получив колебания давления от отработанных

газов, специалисты могли определить, какие

моды были возбужденными. Затем можно было

рассчитать уровни напряжений для всей конс-

трукции. При проведении гидродинамических

расчетов и анализа колебаний специалисты

компании LR ODS использовали программные

комплексы ANSYS CFX и ANSYS Mechanical со-

ответственно.

Для работы над проектом специалисты

рассматривали несколько методов для расчета

турбулентного потока: решение осредненных

уравнений Навье-Стокса (RANS), метод крупных

вихрей (LES), метод отсоединенных вихрей

(DES) и подход нестационарной модели RANS

(URANS), вариант эффективного метода RANS,

в котором поток может изменяться со временем.

Принимая во внимание многолетний опыт рабо-

ты специалистов в области инженерных расче-

тов и эффективность метода URANS при расче-

те относительно низкочастотных колебаний, ин-

женеры LR ODS остановились на методе URANS

для проведения FSI-расчета дымовой трубы.

Использовался комплекс ANSYS CFX и

URANS подход для моделирования турбулент-

ности, поля скоростей и давлений в рамках

двустороннего FSI расчета. Затем поле давле-

ний передавалось в ANSYS Mechanical для рас-

чета поля напряжений, а также деформаций

стенок. Расчет проводился с шагом по времени

1 мс — достаточным для обеспечения высокой

точности.

Для расчета работы дымовой трубы на

протяжении 1 секунды, необходимо было про-

вести расчет 1,000 шагов при общем времени

расчета менее 12 часов — по сравнению с 6 дня-

ми, необходимыми для проведения пробных FSI-

расчетов с использованием моделей турбулент-

ности группы DES. Подобная скорость и эффек-

тивность расчетов была достигнута во многом

FSI-ðàñ÷åò ïîêàçàë, ÷òî îñíîâíàÿ ïðè÷èíà âèáðàöèé â èñõîäíîì ïðîåêòå çàêëþ÷àëàñü â îáøèðíîé îáëàñòè îòðûâíîãî òå÷åíèÿ — ÷àñòîòà êîëåáàíèé äàâëåíèÿ ñîâïàäàëà ñ ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé ñòåíîê äûìîâîé òðóáû. Áîëüøóþ çîíó ðåöèðêóëÿöèè, ïðèñóòñòâîâàâøóþ â èñõîäíîì ïðîåêòå, óäàëîñü çíà÷èòåëüíî óìåíüøèòü â íîâîì ïðîåêòå D1

Èñïîëüçîâàëñÿ êîìïëåêñ ANSYS CFX äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ ïîëÿ ñêîðîñòåé è äàâëåíèé â ðàìêàõ äâóñòîðîííåãî FSI ðàñ÷åòà â ïðîåêòå D1

www.ansyssolutions.ru


4

ANSYS Advantage. Русская редакция | 13'2010

благодаря использованию единого инструмента

для построения расчетных сеток — ANSYS ICEM

CFD.

FSI-расчет показал, что основная причина

вибраций в исходном проекте заключалась в об-

ширной области отрывного течения — частота

колебаний давления совпадала с собственной

частотой стенок дымовой трубы. Результаты

FSI-расчета показали, каким образом отрыв

больших отдельных вихревых структур приво-

дил к сильным вибрациям стенок. При таких

вибрациях, уровни циклических напряжений

превышали предел усталости материала, и амп-

литуда деформации превышала 2 мм.

Расчет показал, что большую зону рецир-

куляции, присутствовавшую в исходном проек-

те, удалось значительно уменьшить. Совместно

с производителем, Mjorud AS, инженеры LR ODS

внесли изменения в проект дымовой трубы с це-

лью увеличения первой собственной частоты

конструкции выше основной частоты колебаний

давления. Кроме того, дополнительная тепловая

изоляция позволила увеличить демпфирование

конструкции. Внесение проектных изменений

стало возможным благодаря использованию

расчетных комплексов ANSYS, что дало инжене-

рам возможность понять природу колебаний и

быстро проанализировать влияние различных

факторов.

Следуя проектным рекомендациям, произ-

водитель изготовил и опробовал дымовую трубу

нового образца на пяти газовых турбинах, уста-

новленных на нефтегазовой платформе. Поле-

вые испытания одной трубы показали, что мак-

симальный уровень одночастотных вибраций

сократился на 30%, а общий уровень вибраций

был уменьшен на 80%. Уже более двух с полови-

ной лет пять дымовых труб нового образца эф-

фективно и надежно работают на шельфовом

месторождении. Более того, благодаря разрабо-

танной методике FSI-расчета, компания Mjorud

получила эффективный инструмент для оценки

будущих проектов дымовых труб, что в свою

очередь позволит избежать затрат на экстрен-

ное устранение неисправностей.

Ëèòåðàòóðà1. [1] Gullman-Strand, J.; Nielsen, K.K.; Hansen, L.V.

DES and FSI2. for Industrial Applications, Proceedings of the Fourth

National3. Conference on Computational Mechanics, pp. 7–24,

2007,4. ISBN 978-82-519-2235-7,5. [2] Nielsen, K.K. et al. Coupled CFD–FEM Analyses

Used for Gas6. Turbine Exhaust Duct Vibration Troubleshooting,

Proceedings of7. Turbomachinery Symposium 2007.

Строение дымовой трубы газовой турбиныДымовая труба газовой турбины направляет го-

рячие газы вверх к утилизатору уходящего теп-

ла (WHRU) или к байпас-каналу (в зависимости

от положения отводного клапана). Геометрия

трубы является достаточно сложной из-за ком-

поновки газовой турбины и системы каналов, а

также необходимости минимизировать срыв по-

тока.

Коллектор отработанных газов с круглым

входным и прямоугольным выходным отверсти-

ями изменяет направление потока на 90° от оси

турбины. В исходном проекте за коллектором

располагалась гофрированная вставка, которая

механически отделяла часть трубы и компенси-

ровала тепловое расширение системы каналов.

Затем следовали две переходные секции : ниж-

няя (от прямоугольного к цилиндрическому се-

чению) и верхняя (обратно к прямоугольному

сечению). Подобная конструкция была создана

достаточно давно, при этом гидродинамика по-

тока не была приоритетной. Большинство уста-

лостных трещин образовывалось в нижней ко-

нической секции, в связи с этим была проведе-

на серия FSI-расчетов для изучения резонанс-

ных колебаний, вызванных движением турбу-

лентного потока отработанных газов в дымовой

трубе.

Ïîëå íàïðÿæåíèé ïîëó÷åííîå â ANSYS Mechanical äëÿ íîâîãî ïðîåêòà D1, â ìîìåíò âðåìåíè 1.995 ñåêóíä. Ïîêàçàíî èç äâóõ ðàçëè÷íûõ òî÷åê îáçîðà

5




Специалисты Liebherr используют про-

граммные комплексы ANSYS для расчета

напряженно-деформированного состоя-

ния грузовиков с гибридным двигателем.

Карьерные самосвалы предназначены для транс-

портировки больших объемов полезных ископа-

емых, добываемых при открытой разработке.

Максимальный эксплуатационный вес современ-

ных самосвалов измеряется сотнями тонн, для

сравнения — максимальная грузоподъемность

стандартного тягача составляет лишь 50 тонн.

В связи с необходимостью эффективного

использования топлива, добывающие компании

все чаще вместо механических агрегатов ис-

пользуют грузовые машины с дизельным двига-

телем, приводящим в действие генератор пере-

менного тока, который питает тяговые электро-

двигатели, вращающие колёса. Грузовики с гиб-

ридной установкой дешевле, ими легче управ-

лять по сравнению с механическими системами,

особенно на крутых подъемах дороги. Кроме

того, гибридные грузовики легче содержать и

ремонтировать, что является неоспоримым пре-

имуществом в условиях горнопромышленных

разработок, где зачастую поломки необходимо

ликвидировать на месте.

Компания Liebherr Mining Equipment Co. яв-

ляется мировым лидером по производству карь-

ерных самосвалов. Одной из наиболее популяр-

ных является модель T 282 B — на данный мо-

мент это лидер среди гибридных самосвалов.

Грузоподъемность составляет 363 тонны, длина

машины — 15,3 метров, а высота — 7,8 метров.

Мощный двигатель в 3650 лошадиных сил при-

водит в движение 6 четырехметровых колес.

Соотношение грузоподъёмность/ вес пус-

той машины является важнейшей характерис-

тикой для грузовиков. Показатель модели

T 282 B — 1.6 — является лучшем для данного

класса машин, что является неоспоримым пре-

имуществом в силу нескольких причин. Более

легкие самосвалы могут перевозить больше

груза, не перегружая колеса; в связи с этим до-

рогостоящие колеса могут прослужить дольше.

Кроме того, сокращается количество пустых хо-

док, что также является источником экономии.

Расчет НДС

ответственных узлов

карьерного самосвала

грузоподъемностью 360 тонн

Vladimir Pokras, ведущий специалист по компьютерному моделированию,

Liebherr Mining Equipment Co., Вирджиния, США

Liebherr T 282 B — ëèäåð ñðåäè ãèáðèäíûõ ñàìîñâàëîâ ïî ðàçìåðàì è ãðóçîïîäúåìíîñòè

Êàðüåðíûå ñàìîñâàëû ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ òðàíñïîðòèðîâêè áîëüøèõ îáúåìîâ ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ, äîáûâàåìûõ ïðè îòêðûòîé ðàçðàáîòêå



6


Основная трудность, возникающая при

проектировании легковесных самосвалов, за-

ключается в том, что они должны быть достаточ-

но прочными в суровых условиях работы на мес-

торождениях полезных ископаемых. Это доста-

точно трудная задача, особенно с учетом того,

что правила эксплуатации грузовиков наруша-

ются достаточно часто. Водители зачастую едут

с максимальной скоростью на загруженном са-

мосвале по валунам, выбоинам, огромным лу-

жам и трясине. Каждый день во всем мире гру-

зовики подвергаются подобным нагрузкам —

при перевозке угля в индонезийских джунглях,

медной руды в Чили, железной руды в Южной

Африке и нефтяного песка в северной Канаде.

Принимая во внимание миллионы долла-

ров и многие месяцы работы, требуемые для

проведения лишь одной серии испытаний прото-

типа на предмет подобных нагрузок, в процессе

проектирования инженеры Liebherr отдают пред-

почтение компьютерному моделированию. В

частности, создаются виртуальные прототипы

конструкции грузовика для изучения различных

случаев нагружения, включая повороты, попа-

дание в ямы и выбоины. В процессе расчетов, в

случае выявления проблем, существует возмож-

ность внести изменения в модель и рассмотреть

возможные варианты, что было бы чрезвычайно

затруднительно при проведении натурных испы-

таний.

Основная задача инженеров-конструкто-

ров Liebherr — найти и устранить возможные

проблемы в проекте на ранних этапах разработ-

ки, максимально сократив количество испыта-

ний физических прототипов. В настоящее время

для каждой новой модели грузовика требуется

изготовление 2-3 прототипов — это вдвое мень-

ше, чем требовалось 10 лет назад. В будущем

планируется изготавливать лишь один образец,

в связи с этим инженерные расчеты должны

быть максимально точными.

С помощью программного комплекса

ANSYS Mechanical инженеры Liebherr проводят

моделирование нагрузок, жесткости, деформа-

ции и собственных частот основных деталей и

систем грузовика — в особенности, в случаях,

когда необходимо точно рассчитать жесткость и

нелинейные характеристики конструкции. В про-

тивном случае, задание всех элементов абсо-

лютно жесткими не обеспечит необходимую точ-

ность для определения поведения машины в ус-

ловиях реальных нагрузок.

В частности, инженеры компании исполь-

зовали метод деформируемых тел Craig–

Bampton, доступный в программном комплексе

ANSYS Mechanical. Масса и жесткость элемен-

тов представляется с помощью обобщенных ко-

ординат или форм колебаний. Благодаря этому

сокращается число степеней свободы, и в ре-

зультате обеспечиваются адекватные статичес-

кие и динамические характеристики объектов.

Использование метода деформируемых тел

особенно важно для деталей, испытывающих

достаточно большие деформационные нагруз-

ки. Прежде всего, это относится к раме грузови-

ка и верхней части, поскольку они больше всего

деформируются под действием сил, возникаю-

Îñíîâíûå ÷àñòè ãðóçîâèêà — ðàìà (ââåðõó) è êóçîâ (âíèçó) îïðåäåëÿþòñÿ êàê ãèáêèå òåëà äëÿ èçó÷åíèÿ èõ äåéñòâèÿ ïðè áîëüøèõ íàãðóçêàõ

Êîíñòðóêöèÿ äëÿ çàùèòû ïðè îïðîêèäûâàíèè îáåñïå÷èâàåò áåçîïàñíîñòü âîäèòåëÿ â ñëó÷àå ñåðüåçíûõ àâàðèé, è äîëæíà îáëàäàòü ñïîñîáíîñòüþ ê äåôîðìàöèè, ïðåâûøàþùåé ïðåäåëüíîå íàïðÿæåíèå ñäâèãà. Â ñâÿçè ñ ýòèì, â ðàñ÷åòå äîëæíû ó÷èòûâàòüñÿ íåëèíåéíûå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ

7


щих при движении нагруженного самосвала по

бездорожью и труднопроходимой местности.

Важной особенностью ANSYS является

расчет нелинейно деформирующихся материа-

лов. Конструкция для защиты при опрокидыва-

нии обеспечивает безопасность водителя в слу-

чае серьезных аварий, и должна обладать спо-

собностью к деформации, превышающей пре-

дельное напряжение сдвига. В связи с этим, в

расчете должны учитываться нелинейные свойс-

тва материалов.

В контактных задачах «поверхность-по-

верхность» автоматически определяются точки

контакта с учетом различных свойств материа-

ла. В контактных задачах с трением инженеры

Liebherr расчитали силы, действующие на ку-

зов самосвала при различных перевозимых

грузах, таких как грунт, камни или руда. Свойс-

тва контактных элементов и трения важны при

расчетах болтовых соединений, проводимых в

программном комплексе ANSYS Mechanical с

использованием преднапряженных элементов.

Таким образом, специалисты Liebherr

смогли подробно изучить характеристики дета-

лей и сборок грузовика на ранних этапах проек-

тирования, до начала изготовления прототипов.

Компьютерное моделирование дает возмож-

ность изучить технические характеристики

компонентов, сборок и всей машины в целом.

Несколько лет назад моделирование применя-

лось как инструмент для верификации проекта

в конце этапа разработки, теперь создание

виртуальных прототипов стало важнейшим эта-

пом, тесно интегрированным в общий процесс

разработки.

Сегодня некоторые компании все еще

производят карьерные самосвалы «по старин-

ке», без использования инновационных техно-

логий. Однако единственный способ создания

мощных и конкурентных моделей заключается

в применении новых технологий проектирова-

ния изделий, в частности, программных комп-

лексов ANSYS. Использование таких инстру-

ментов позволяет компаниям завоевывать ли-

дирующие позиции в условиях глобальной кон-

куренции в сфере горно-транспортного обору-

дования.

Ñâîéñòâà êîíòàêòíûõ ýëåìåíòîâ è òðåíèÿ âàæíû ïðè ðàñ÷åòàõ áîëòîâûõ ñîåäèíåíèé, ïðîâîäèìûõ â ïðîãðàììíîì êîìïëåêñå ANSYS Mechanical ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðåäíàïðÿæåííûõ ýëåìåíòîâ

Êîìïàíèÿ Liebherr Mining Equipment Co., âñåìèðíûé ëèäåð ïî ïðîèçâîäñòâó êàðüåðíûõ ñàìîñâàëîâ, àêòèâíî èñïîëüçóåò êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ïðè ñîçäàíèè íîâûõ ìîäåëåé ãðóçîâèêîâ



8


С помощью инженерных расчетов про-

изводители немецкого измерительного

оборудования повышают надежность

продукции.

Расходомеры используются в авиации, судо-

строении, медицинских приборах, автомобиль-

ной отрасли и энергетике. Подобные устройства

позволяют контролировать бесперебойную ра-

боту всех систем и процессов путем измерения

таких характеристик, как объёмный расход, дав-

ление, температура и концентрация веществ.

Расходомеры помогают определить, являются

ли гидравлические характеристики оптималь-

ными, работает ли трубопровод на максималь-

ной мощности, правильно ли подаются добавки

(присадки) в основной поток. Подобные измери-

тельные системы должны быть надежными и

точными.

Работа измерительных приборов немецкой

компании VSE Volumentechnik GmbH основывает-

ся на принципе объемного нагнетания. Пара зуб-

чатых колёс, расположенных в корпусе, составля-

ет измерительный механизм прибора. Поворот

измерительного механизма на каждый шаг ре-

гистрируется бесконтактным способом системой

приема сигналов и преобразуется в цифровые

импульсы. Шестеренчатые расходомеры пред-

ставляет собой точную и эффективную систему

измерения объёмного расхода жидкостей, одна-

ко традиционно характеризуются повышенным

уровнем шума, вибрацией, а также потерями

давления вследствие постоянного вращения зуб-

чатых колес. Это приводит к преждевременному

износу оборудования, а также может доставлять

неудобство сотрудникам, работающим в непос-

редственной близости. Традиционные методы не

дают возможности определить точные причины

указанных проблем. Однако программные комп-

лексы линейки ANSYS позволяют моделировать

гидродинамические процессы в расходометре,

понять причины и предложить эффективное ре-

шение проблем эксплуатации.

На начальном этапе расчета инженеры ком-

пании VSE импортировали CAD-геометрию с пос-

ледующей «чисткой». Затем была создана рас-

четная сетка с использованием гексаэдральных и

призматических элементов. С помощью програм-

много комплекса ANSYS FLUENT инженеры про-

вели нестационарный гидродинамический расчет

расходомера. В ANSYS FLUENT технология дина-

мических сеток позволила автоматически пере-

страивать расчетную сетку в процессе счета, т.к.

вследствие вращательного движения механизма,

объемная сетка деформировалась. Комплекс

позволил провести расчет гидродинамики вра-

щающихся полостей с жидкостью между зубьями

шестеренок для каждого малого поворота обра-

зующего полный оборот системы.

Инженеры VSE провели расчет трехмерной

модели объемного расходомера: моделирова-

Использование

ANSYS FLUENT при

проектировании

измерительной аппаратуры

Axel Vedder, технический директор, VSE Volumentechnik GmbH, Neuenrade, Германия

Mourad Lotfey, CFD-инженер, ANSYS, Inc., Otterfing, Германия

Ðàñ÷åòíà ñåòêà ìîäåëè îáúåìíîãî ðàñõîäîìåòðà

9


лось несжимаемое, ламинарное, изотермичес-

кое, неньютоновское течение. Поскольку модели-

ровать реальные условия течения достаточно

сложно, для экономии вычислительных ресурсов,

в расчете использовались некоторые упрощения.

В проведенном расчете не учитывались силы

трения между зубчатыми колесами, а также про-

явления инерционных сил. Кроме того, в учет не

принимались трение и утечки между боковыми

поверхностями колес и стенками корпуса.

В результате расчетов была получена та-

кая информация, как распределение давлений,

скоростей, время пребывания и теплота вязкого

трения. С помощью трехмерных линий тока оп-

ределялись области рециркуляции. При расчете

в ANSYS FLUENT также определялось про-

странственное распределение скоростей, гради-

енты касательного напряжения, силы поверх-

ностного трения.

Далее инженеры рассчитали крутящий мо-

мент как векторное произведение поверхност-

ных сил (давление и трение) на расстояния от

зубчатого сектора до оси вращения. Проанали-

зировав влияние различных зон на общий крутя-

щий момент, инженеры обнаружили зону с мак-

симальным крутящим усилием. После внесения

соответствующих проектных изменений, они

смогли минимизировать потери давления (и со-

ответственно уменьшить общие энергозатраты

прибора). После этого появилась возможность

детального анализа процессов охлаждения,

смешивания, потери давления и дегазации.

Благодаря гидродинамическому расчету,

проведенному в ANSYS FLUENT, была установ-

лена причина возникновения шума, и инженеры

компании VSE смогли разработать меры по

уменьшению уровня вибрации, шума и потерь

давления. Специалисты VSE намерены и в даль-

нейшем проводить оптимизацию рабочих харак-

теристик приборов с помощью программных ком-

плексов ANSYS в силу их экономичности, свобод-

ной интеграции в проектную систему и значи-

тельного сокращения времени проектирования.

Построение динамических сетокТехнология динамических сеток в программном

комплексе ANSYS FLUENT позволяет моделиро-

вать сложные процессы, включающие нестацио-

нарное движение объектов. В подобных случаях

метод динамических сеток используется для пе-

ремещения границ и/или объектов с соответс-

твующим перестраиванием расчетной сетки.

Существует несколько технологий перестраива-

ния расчетной сетки, включая layering, smoothing

и remeshing, которые могут использоваться для

различных движущихся компонентов — в рам-

ках одного расчета. Пользователю необходимо

построить начальную сетку и описать движение

границ. Процесс движения и деформации сетки

(согласно описанному движению границ) осу-

ществляется с помощью решателя ANSYS

FLUENT, поскольку при дроблении и объедине-

нии ячеек учитываются соответствующие осо-

бенности. Функционал решателя позволяет ав-

томатически менять шаг по времени, что обес-

печивает сокращение времени и устойчивость

расчета. Возможность автосохранения (Autosave)

позволяет сохранять на каждом шаге по време-

ни промежуточные файлы, в которых содер-

жаться полевые величины и состояние расчет-

ной сетки. Сохраненные файлы могут также ис-

пользоваться для создания анимации динами-

ческих сеток и различных параметров (напри-

мер, профилей давления или линий тока). Техно-

логия динамических сеток совместима с другими

моделями, содержащимися в ANSYS FLUENT,

включая широкий спектр моделей горения, рас-

пыла и многофазных моделей, в том числе для

свободной поверхности и течения сжимаемой

жидкости. Динамические сетки могут использо-

ваться, в частности, при моделировании обгона

автомобиля, подвижного закрылка крыла само-

лета, движения поршня в цилиндре двигателя,

отсоединения боеприпасов от самолета, движе-

ния корабля, открытия/закрытия клапана.

Êîíòóðû äàâëåíèÿ íà ñòåíêàõ

Óâåëè÷åííûé ó÷àñòîê ñåòêè âîçëå çóá÷àòîãî êîëåñà



10


Итальянские ученые использовали про-

граммный комплекс ANSYS FLUENT в рас-

чете взаимодействия вулканических пото-

ков и зданий в зоне стихийного бедствия.

Геологические процессы, возникающие при из-

вержении вулкана, часто приводят к разруши-

тельным последствиям. Вулканические потоки

можно условно разделить на две категории —

хорошо изученные потоки лавы (при изверже-

нии) и пирокластические потоки (при бурном из-

вержении). Примерами бурного извержения вул-

кана могут быть природные катаклизмы вулкана

Везувий (Италия) в древние времена, а также

сравнительно недавние извержения вулканов

Святой Елены (США) и Пинатубо (Филиппины).

Извержение может быть вызвано дробле-

нием магмы вследствие больших нагрузок на

подземную расплавленную породу (магму)

или дроблением фреатомагматических от-

ложений, происходящего при взаимодействии

магмы с водой [1]. В обоих случаях в вулканах об-

разуется и извергается многофазная смесь горя-

чих газов и твердых частиц (пепел и пемза). Если

смесь в кратере состоит из равновесной струи,

извержение происходит только снизу вверх и об-

разует «вулканическую колонну»; если давление

превышает атмосферное, струи распространяют-

ся во всех напрявлениях и образуют «вулкани-

ческий гриб». Когда «колонны» и «грибы» дости-

гают максимально допустимой высоты при су-

ществующей скорости потока против гравитации,

происходит их разрушение, в результате которо-

го образуются пирокластические потоки.

Пирокластические потоки чрезвычайно

опасны, поскольку они быстро распространяют-

ся по окружающей территории [2], разрушая

здания и принося огромный вред жилым райо-

нам. Согласно последним геофизическим ис-

следованиям, поскольку кратер извержения

обычно находится вдали от жилых районов, пи-

рокластические потоки достигают жилых масси-

вов в виде турбулентного полностью развитого

течения [3]. Многофазная природа пирокласти-

ческих потоков влияет на турбулентность и ди-

намическое давление. В потоке присутствует

сильная стратификация скорости и концентра-

ции частиц [4], таким образом, турбулентность и

давление должны учитывать взаимодействие

газа и твердых частиц.

Основываясь на результатах предыдущих

исследований, ученые Университета Бари

(University of Bari, Италия) использовали програм-

мный комплекс для расчета гидродинамики

ANSYS FLUENT в расчете взаимодействия меж-

Моделирование

последствий стихийных

бедствий с помощью

ANSYS CFD

Domenico Maria Doronzo, аспирант, Centro Interdipartimentale di Ricerca per il Rischio Sismico e

Vulcanico (CIRISIVU), отдел геоминералогии, Университет Бари, Италия

Âóëêàíè÷åñêàÿ êîëîííà ïðè èçâåðæåíèè âóëêàíà Ñâÿòîé Åëåíû (ìàé 1980 ã.)

11


ду пирокластическими вулканическими потоками

и одним равносторонним зданием. Необходимо

было рассчитать локальное поле скоростей пото-

ка для последующей оценки последствий извер-

жения в зоне риска с учетом турбулентности.

Для моделирования многофазных турбу-

лентных потоков, сходящих со склонов вулкана

на определенном расстоянии от кратера, ученые

провели в ANSYS FLUENT серию двумерных ста-

ционарных расчетов для пирокластических пото-

ков. Размеры исследуемой области составили

190 м в длину и 50 м в высоту; здание размером

10 м х 10 м располагалось на расстоянии 80 м от

притока. Использовалась расчетная сетка с

200,000 прямоугольных ячеек. Для учета эффек-

тов стратификации потока и обратного течения

вблизи здания, была выбрана модель турбулент-

ности realizable k-ε в сочетании с неравновесны-

ми пристеночными функциями. Была обеспечена

необходимая детализация сетки вблизи грунта и

здания, на входе задавался профиль скорости с

учетом турбулентного пограничного слоя, а так-

же данные по интенсивности турбулентности и

масштабу длин, взятыми из литературы [5]. Для

моделирования частиц, содержащихся в потоке,

применялась модель дискретной фазы Эйлера-

Лагранжа в ANSYS FLUENT с использованием

ряда точек для ввода частиц. Данные точки поз-

волили задать распределение по размерам час-

тиц от 0.06 мм до 2.8 мм, а также профиль кон-

центрации, уменьшающийся снизу вверх вдоль

граничного условия входа — это позволило за-

дать стратификацию потока. На выходе было за-

дано атмосферное давление, в области земли и

стен строения было задано граничное условие

стенка (с условием прилипания).

Результаты расчетов показали сильное из-

менение поля скоростей в области здания вследс-

твие высокого числа Рейнольдса или сильного

турбулентного потока. Кроме того, результаты

показали, что концентрация частиц очень высока

возле фундамента здания, что усиливает дина-

мическое давление [3], сильно воздействующее

на двери.

Таким образом, использование численных

методов помогает при изучении действия пиро-

кластических потоков, а также в целом разжи-

женных природных потоков, на здания и естест-

венную среду с последующей оценкой возмож-

ного геологического риска. В будущем исследо-

ватели планируют сравнить результаты расчетов

в ANSYS FLUENT с новейшими эксперименталь-

ными исследованиями, посвященными действию

пирокластических потоков на здания [6, 7].

Ëèòåðàòóðà1. Carey, S. N. Transport and Deposition of Tephra by

Pyroclastic Flows and Surges in Sedimentation in Volcanic Setting; Editors R.V. Fisher and G.A. Smith, SEPM (Society for Sedimentary Geology): Tulsa, 1991; Special Publication No. 45, pp. 39–57.

2. Cas, R.; Wright, W. Volcanic Succession: Modern and Ancient; Allen and Unwin; London, 1987.

3. Dellino, P.; Mele, D.; Sulpizio, R.; La Volpe, L.; Braia, G. A Method for the Calculation of the Impact Parameters of Dilute Pyroclastic Density Currents Based on Deposits Particle Characteristics. Journal of Geophysical Research, 2008, Vol. 113, No. B07206, doi:10.1029/2007JB005365.

4. Valentine, G. A. Stratified Flow in Pyroclastic Surges. Bulletin of Volcanology, 1987, Vol. 49, pp. 616–630.

5. Blocken, B.; Roels, S.; Carmeliet, J. Modification of Pedestrian Wind Comfort in the Silvertop Tower Passages by an Automatic Control System. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2004, Vol. 92, pp. 849–873.

6. Dellino, P.; Zimanowski, B.; Buttner, R.; La Volpe, L.; Mele, D.; Sulpizio, R. Large-Scale Experiments on the Mechanics of Pyroclastic Flows: Design, Engineering and First Results. Journal of Geophysical Research, 2007, Vol. 112, No. B04202, doi:10.1029/2006JB004313.

7. Doronzo, D. M.; Dellino, P.; Buttner, R.; Dioguardi, F.; La Volpe, L.; Mele, D.; Sonder, I.; Sulpizio, R.; Zimanowski, B. Experimental Setting of Interaction between Pyroclastic Flows and Buildings. Conferenza A. Rittman, La Vulcanologia Italiana: Stato dell’Arte e Prospettive Future, 2009, abstract volume, pp. 281–282.

Ïðîôèëè èíòåíñèâíîñòè òóðáóëåíòíîñòè (ñëåâà), êîíöåíòðàöèè ÷àñòèö (ïîñåðåäèíå) è ñêîðîñòè âäîëü îñè Õ (ñïðàâà)



12


С помощью ANSYS компания Voith Turbo

снижает уровень шума вентиляторов в

системе охлаждения вагонов

В определенных режимах работы, в дизельном

поезде основным источником шума выступает

система охлаждения, в частности, вентиляторы.

В связи с постоянным ужесточением норм по

выбросам и, в целом, повышением требований к

продукции, системы охлаждения постоянно по-

вышают производительность, что в свою оче-

редь, приводит к повышению уровня шума. Спе-

циалисты немецкой компании Voith Turbo пред-

лагают свое решение данной проблемы.

Voith Turbo — ведущая компания, специали-

зирующаяся на изготовлении высокотехнологич-

ного оборудования, используемого в различных

отраслях промышленности, прежде всего, в авто-

мобильном, железнодорожном и водном транс-

порте. Оборудование, производимое Voith Turbo

Cooling Systems (подразделение Voith Turbo), пов-

семестно используется в вагонах и локомотивах,

включая высокоскоростные поезда(дизель-гид-

равлические, дизель-электрические и электри-

ческие). Охладительные системы Voith Turbo ис-

пользуются для охлаждения дизельных двигате-

лей, трансмиссий, инвертеров, дросселей и при-

водов.

Существенным недостатком традиционной

конструкции вентилятора является сильный шум,

возникающий при скорости вращения 3,500 об/

мин и окружной скорости лопасти до 360 км/ч.

Чтобы уменьшить уровень шума, инженеры Voith

Turbo Cooling Systems совместно с учеными

Разработка системы

охлаждения дизельного

поезда с применением

ANSYS CFX

Bernd Horlacher и Steffen Kаmmerer, инженеры-проектировщики, Voith Turbo, Crailsheim,

Германия

Äèçåëüíûé ïîåçä ATR 220 Pesa ñ óñòàíîâëåííîé ñèñòåìîé îõëàæäåíèÿ Voith Turbo

Ñòàíäàðòíûé âåíòèëÿòîð Voith (ââåðõó) è íîâàÿ ìîäåëü Voith SilentVent (âíèçó)

13


University of Siegen создали новую модель венти-

лятора Voith SilentVent™. Однако при его эксплуа-

тации возникает следующая проблема: системы

охлаждения в вагонах устанавливаются на крыше

или у основания, таким образом, они получаются

компактнее систем охлаждения локомотивов.

Входной канал вентилятора часто блокируется, и,

таким образом, возле лопастей входящий поток

сильно искажается. Это снижает эффективность

работы и повышает уровень шума вентилятора.

Еще одной проблемой является недоста-

ток места для установки при необходимости

большого расхода воздуха. Место для установки

ограничивается габаритами (высота вагона и

контур крыши ограничены, поскольку поезд дол-

жен проходить через туннели). Кроме того, по-

ток может блокироваться другими установлен-

ными системами, а корпус вентилятора имеет

заданную осевую монтажную высоту. С точки

зрения акустики, система охлаждения вагонa

является открытой, поскольку ее элементы яв-

ляются звукопроницаемыми.

Для оценки эффективности и анализа шу-

мового воздействия вентилятора SilentVent по

сравнению со стандартной конструкцией, инже-

неры, помимо собственных разработок, исполь-

зовали программный комплекс для расчета гид-

рогазодинамики. Необходимо было показать

эксплуатационную надёжность системы охлаж-

дения в сборе с помощью ANSYS CFX.

Система охлаждения состоит из четырех

теплообменников и трех осевых вентиляторов, в

которых воздуховоды разделяются металличес-

кими перегородками и загромаждаются трубами.

Рассматривался вариант, когда вагон прибывал

на станцию после движения на высокой скорости.

Вентиляторы все еще вращаются на полной ско-

рости, рассеивая тепло, но из-за отсутствия ес-

тественного вентилирования, теплый воздух мо-

жет вернуться к теплообменникам. Обратное те-

чение может ухудшить работу системы охлажде-

ния. Для точности расчетов, учитывалась большая

область снаружи системы охлаждения. Расчетная

сетка включала 50 миллионов расчетных ячеек и

и была сбалансирована исходя из детализации, и

наличия ресурсов для проведения расчетов в

сжатые сроки. Однако такие части, как вентиля-

тор, получили максимальную густоту сетки для

точного анализа областей срыва потока.

В данной модели были приняты некоторые

упрощения, в частности, теплообменники были

определены как пористая среда. Используя мо-

Êîíöåâîé âèõðü

Ñõåìà ñèñòåìû îõëàæäåíèÿì



14


дель пористого тела в ANSYS CFX на основе за-

кона Дарси, модель теплообменника была отка-

либрована по коэффициенту сопротивления для

соответствия зависимости потери давления от

объемного расхода.

Визуализация потока с использованием ли-

ний тока не показывает никаких обратных пото-

ков, проходящих через теплообменники охлади-

тельной системой с установленными стандарт-

ными вентиляторами Voith или с новыми венти-

ляторами SilentVent. В обоих случаях был пока-

зан чистый поток. С использованием гидродина-

мического кода ANSYS, инженеры смогли опре-

делить объёмный расход каждого вентилятора и

распределение потока от теплообменника до

вентиляторов. Инженеры смогли узнать крутя-

щий момент, потребляемую мощность, повыше-

ние давления и эффективность полной системы

охлаждения — эти данные чрезвычайно сложно

получить в идеальных условиях натурных испы-

таний.

Для оценки тонового шума в расчете ис-

пользовался макрос ANSYS CFX Turbo Noise на

основе модели Lowson. Результаты расчета хо-

рошо согласовались с экспериментом. Turbo

Noise использовался для сравнения различных

проектов и подтверждения меньшего уровня

шума вентилятора SilentVent по сравнению со

стандартным вентилятором.

В SilentVent расстояние между входным и

выходным отверстиями больше по сравнению со

стандартным вентилятором, в связи с чем возду-

ховод находится ближе к заграждающим трубам

и, в некоторых случаях, к земле. Кроме того, про-

исходит большее изменение направления (от-

клонение) потока воздуха между теплообменни-

ками и воздуховодом. В связи с этим, лопасти

вентилятора SilentVent были спроектированы та-

ким образом, чтобы избежать срыва потока.

Кроме того, оптимизировав расположение труб и

их соединений, можно улучшить квазиоптималь-

ный приток. Результаты, полученные в процессе

гидродинамических расчетов, планируется ис-

пользовать в дальнейших исследованиях.

В зависимости от этапа разработки, ис-

пользование виртуальных прототипов для одно-

го вентилятора или целой системы может сокра-

тить финансовые затраты на две трети.

Программные продукты ANSYS хорошо за-

рекомендовали себя в процессе работы над про-

ектами Voith Turbo. Инженеры расчетного отде-

ла используют прежде всего CFD-комплексы

для расчета преобразователей крутящего мо-

мента, гидродинамических муфт и гидродина-

мических тормозных устройств, а также многих

других высокотехнологичных устройств. С помо-

щью ANSYS CFX, инженеры Voith Turbo решают

самые разнообразные задачи, включающие не-

сжимаемые/сжимаемые потоки, многофазные

потоки, кавитацию и др. Этот программный ком-

плекс является стандартным при расчете вра-

щающихся машин.

Анализ лопаточных машин в пострпроцессоре ANSYS CFD-PostВ дополнение к общим функциям постпроцес-

синга, ANSYS CFD-Post обеспечивает возмож-

ности анализа параметров турбомашин. Исполь-

зуя ANSYS CFD-Post, пользователи получают

исчерпывающий набор инструментов для визуа-

лизации и анализа результатов.

Постпроцессор ANSYS CFD-Post может ра-

ботать с сечениями в двумерной системе коор-

Âîçäóõ, âûõîäÿùèé èç âåíòèëÿòîðà

Ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ, ìîíòèðóåìûå íà êðûøå (ñëåâà) è ó îñíîâàíèÿ (ñïðàâà)

15


динат. Для получения параметров потока, осред-

ненных в окружном направлении, могут исполь-

зоваться меридиональные сечения в осе-ради-

альной системе координат. Развертка попереч-

ного сечения «лопатка-лопатка» (межлопаточ-

ный канал) на произвольной высоте является

необходимой для понимания особенностей тече-

ния и поиска путей улучшения проекта.

В постпроцессоре присутствуют специаль-

ные возможности построения графиков для вра-

щающихся машин, что позволяет пользователям

с легкостью визуализировать уровень нагрузки

на лопатку в заданном сечении или отобразить

переменные потока вдоль заданных линий от ос-

нования лопатки до верхней кромки, от входа до

выхода или в окружном направлении.

Все иллюстрации и графики могут быть

встроенными в автоматически создаваемых отче-

тах на основе шаблонов, существующих для раз-

личных типов вращающихся машин, в том числе

насосов, вентиляторов, турбин, компрессоров и

др. Шаблоны включают стандартные характерис-

тики и величины, такие как высота напора, термо-

динамическая эффективность, коэффициент по-

терь. ANSYS CFD-Post содержит макрос расчета

уровня шума низкоскоростных вентиляторов.

Новости и события

Выход Cray CX1 на базе процессоров Intel

Xeon 5600 «Westmere»

Новая серия процессоров Intel Xeon доступна

при заказе суперкомпьютера Cray CX1Инженерно-консалтинговая компания «КАДФЕМ

Си-Ай-Эс», авторизованный партнер Cray Inc. в Рос-

сии, сообщила, что новая серия процессоров Intel

Xeon доступна при заказе суперкомпьютера Cray

CX1. Новая серия процессоров Intel Xeon 5600 полу-

чила кодовое название Westmere. С помощью нового

процессора, Cray CX1 позволяет достигать произво-

дительности более 1 терафлопа в условиях эксплуа-

тации в офисных помещениях. Кроме того, увеличе-

ние производительности предполагает значительное

улучшение соотношения цена/качество для супер-

компьютера Cray CX1.

Линейка процессоров Xeon 5600 изготовлена

по 32 нм технологии и является развитием линейки

процессоров Xeon 5500. Применение новой техноло-

гии изготовления позволило увеличить производи-

тельность процессора за счет увеличения частоты

вычислительных ядер, емкости кэша, а также для са-

мых производительных процессоров серии (напри-

мер, 2.93 Ггц Xeon 5670) наличия шести ядер, в то

время как для предыдущего поколения «Nahalem»

этот показатель составлял максимум 4 ядра.

Таким образом, теперь Cray CX1 может иметь

до 96 процессоров и достигать производительности

более 1 терафлопа на одном шасси (4 FLOPs X 2.93

Ггц X 6 ядер на процессор X 2 процессора на блейд X

8 блейдов на шасси). Производительность более 1

терафлопа является значительным прорывом для

Cray CX1. При этом больше не требуется использо-

вание центра обработки данных.

В Cray CX1 процессоры Xeon 5600 будут доступ-

ны в восьми различных вариантах: они будут варьиро-

ваться от Xeon L5630 (2.13 Ггц, 4 ядра, 80W) до X5670

(2.93 Ггц, 6 ядер, 95W). При сравнении Xeon 5600 с

соответствующим поколением Xeon 5500 (Nehalem),

стоимость процессора и потребление энергии являет-

ся аналогичной. Сохранение цены означает, что Cray

CX1 предлагает значительные преимущества в соот-

ношении цена/производительность.

Как уже отмечалось, для некоторых вариантов

процессоров количество ядер на процессор будет

увеличено с 4 до 6. Это обеспечивает увеличение пи-

ковой производительности до полутора раз. Факти-

ческая производительность будет зависеть от прило-

жения. Большинство HPC-приложений, при исполь-

зовании шести ядер, будут работать на 20–40% быс-

трее, чем на процессорах с 4 ядрами.

Команда Cray проводила тестирование Xeon

5600 в течение нескольких недель, получив хорошую

производительность.

Для LINPACK эффективность составила более

85% на экспериментальном изделии. Мы ожидаем,

что на серийных изделиях производительность

LINPACK достигнет 1TFLOP.

Для приложений от Independent Software Vendor

(ISV) также получено хорошее ускорение, хотя, как и

ожидалось, результаты отличаются, в зависимости

от приложения и набора данных. В стандартных тес-

тах определения производительности (Benchmark)

ANSYS Fluent, Xeon 5600 (2.93 Ггц, 6 ядер), по срав-

нению с Xeon 5500 (2.93 Ггц, 4 ядра), показал увели-

чение производительности от 1.16 до 1.36 раз.

Все результаты тестирования Cray CX1 совпа-

дают с прогнозируемой производительностью Intel

для Xeon 5600.

С увеличением числа ядер до шести на 1 про-

цессор (12 процессоров на блейд), рекомендуется

увеличить размер оперативной памяти и емкости

дисковой системы для блейдов — для сохранения

баланса в вычислительной системе. Например, для

многих приложений рекомендуется выделение 2 Гб

оперативной памяти на ядро процессора.

В течение многих лет производительность более

1 терафлопа была контрольной точкой для высокопро-

изводительных расчетов. Компания Cray рада предло-

жить достижение этого уровня производительности в

одной системе без необходимости применения реше-

ния класса центра обработки данных — с возможнос-

тью использования в офисном помещении. В супер-

компьютере Cray CX1 эффективность высокопроизво-

дительных вычислений вышла на новый уровень, и с

помощью Intel Xeon 5600 был сделан значительный

шаг вперед.

Компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», авторизован-

ный партнер Cray Inc. в России, реализует и осущест-

вляет техническую поддержку продуктов Cray на тер-

ритории России. Более подробную информацию Вы

можете получить на сайте http://www.ansys.msk.ru, по

телефону (495) 644-0608 или отправив запрос по

email.



16


Компания Rolls-Royce использует ком-

пьютерное моделирование при проекти-

ровании гребных винтов.

За многие годы название Rolls-Royce стало си-

нонимом качества — и не только в области авто-

мобилестроения. Продукция филиала компании

Rolls-Royce Marine используется на 20,000 тор-

говых и военных кораблях во всем мире. Компа-

ния производит газовые турбины и дизельные

двигатели, ядерные энергетические установки,

рулевые приводы, стабилизаторы, гребные вин-

ты, водомётные движители, лебедки, краны,

рули и др. В компании 7,000 сотрудников, кото-

рые работают с 2,000 клиентов во всем мире. В

Швеции находится центр гидродинамических

исследований Rolls-Royce Marine, в котором про-

водятся расчеты гидродинамики гребных винтов

и водомётных движителей. Благодаря серии

CFD-расчетов и натурных экспериментов, ком-

пании удалось разработать новый гребной винт

регулируемого шага Kamewa CP-A.

В новом гребном винте лопасти могут вра-

щаться вокруг своей продольной оси для изме-

нения шага гребного винта. Благодаря измене-

нию можно повысить эффективность и манев-

ренность судна на любой скорости и при любых

режимах нагрузки. Выбег при торможении мож-

но сократить наполовину по сравнению с винтом

фиксированного шага. Обычно в процессе раз-

работки винта используются натурные экспери-

менты и расчет потенциального течения. Пре-

имущество экспериментов заключается в учете

реальных физических процессов, однако их про-

ведение требует существенных затрат времени

и денег. Расчет потенциального течения не учи-

тывает реальную геометрию гребного винта. С

другой стороны, использование программных

комплексов для расчета гидродинамики (CFD)

позволяет учитывать все особенности реальной

геометрической модели гребного винта. Кроме

того, это обеспечивает исчерпывающие резуль-

таты (по сравнению с натурными эксперимента-

Моделирование

гидродинамики гребного

винта Rolls-Royce с учетом

эффекта кавитации

Johan Lundberg, CFD-инженер и Per Aren, менеджер проекта, Rolls-Royce Marine, Kristinehamn,

Швеция

Íåñòðóêòóðèðîâàííàÿ ïîâåðõíîñòíàÿ ñåòêà, èñïîëüçóåìàÿ â CFD-ðàñ÷åòå âèíòà Kamewa CP-A

Ðàñ÷åò ãðåáíîãî âèíòà XF5 (ââåðõó) è íîâîãî âèíòà Kamewa CP-A (âíèçó) â óñëîâèÿõ îòêðûòîé âîäû. Ïîêàçàíû êîíòóðû ñêîðîñòè (1 è 2). Ñòðåëêàìè ïîêàçàíà òîëùèíà ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ

17


ми и расчетом потенциального течения) в таких

характеристиках как скорости и давление пото-

ка в произвольной точке области решения с уче-

том вязкости. Основная сложность заключалась

в том, что в CFD-модели необходимо было

учесть все особенности потока вблизи винта —

для сравнения с результатами физических экс-

периментов.

Инженеры Rolls-Royce Marine провели се-

рию CFD-расчетов. При построении расчетной

сетки использовался препроцессор TGrid. Стро-

илась сетка на основе hexcore-метода, для дан-

ного метода характерно большое число гексаэд-

ральных элеметов находящихся в центральной

части области решения — такой метод является

оптимальным сточки зрения количества элемен-

тов и скорости построения. Инженеры Rolls-

Royce Marine использовали технологию full multi-

grid initialization совместно с решателем pressure-

based coupled в программном комплексе ANSYS

FLUENT, что обеспечило адекватные и быстрые

результаты во многих расчетах. Турбулентность

рассчитывалась с помощью известной RNG k-ε

модели.

Вначале были проведены расчеты гребно-

го винта в условиях открытой воды. Считалось,

что винт работает в поле равномерного тече-

ния — без учета влияния корпуса судна. Для

расчета вращающегося гребного винта исполь-

зовался подход rotating reference frame. С помо-

щью этого подхода решались уравнения течения

во вращающейся системе координат лопасти

винта. Получив поле давления и сдвиговые на-

пряжения на поверхности лопасти, можно было

определить осевую нагрузку и крутящий мо-

мент, а также КПД гребного винта.

Следующим этапом стало изучение взаи-

модействия гребного винта с выступающими

частями судна. Инженеры Rolls-Royce Marine

провели расчет всего корпуса судна, чтобы

учесть влияние кильватерного следа в конструк-

ции винта. Для расчета винта в поле течения под

действием корпуса использовался метод сколь-

зящих сеток. Скользящие сетки используются в

нестационарных расчетах, когда одна область

сетки вращается (или перемещается) относи-

тельно других участков. По традиции, в компа-

нии Rolls-Royce гребной винт разрабатывался

последним в процессе проектирования судна, в

связи с этим, не было возможности изменить

конструкцию корпуса и оптимизировать гребную

установку. С помощью моделирования взаимо-

действия гребного винта и корпуса данная про-

блема была успешно решена.

Благодаря CFD-расчетам специалисты

Rolls-Royce Marine получили возможность рас-

смотреть несколько вариантов геометрии ступи-

цы гребного винта. Результаты расчетов дают

гораздо больше информации по сравнению с

натурными экспериментами. В частности, ком-

пьютерное моделирование помогает определить

толщину пограничного слоя любого перспектив-

ного проекта. Чем тоньше граничный слой, тем

выше эффективность проекта. Используя ком-

пьютерное моделирование, инженеры компании

рассмотрели несколько проектов и пришли к вы-

воду, что толщину пограничного слоя можно

уменьшить, изменив контур ступицы винта.

Еще одной проблемой было возникнове-

ние кавитации гребного винта из-за действия

кильватерного следа. Кавитация представляет

собой образование в жидкости полостей (ка-

верн), заполненных паром, и возникает в резуль-

тате уменьшения давления в жидкости ниже

критических величин. Перемещаясь в область с

более высоким давлением, каверны схлопыва-

ются, образуя при этом скачок давления и раз-

рушая близлежащие части конструкции. С по-

мощью программного комплекса ANSYS FLUENT

определялись области низкого давления, в кото-

рых гребной винт Kamewa CP-A был подвержен

кавитации. Благодаря изменениям в геометрии,

Êîíòóðû êîýôôèöèåíòà äàâëåíèÿ äëÿ âèíòà XF5 (ñëåâà) è íîâîãî âèíòà Kamewa CP-A (ñïðàâà). Íà ôîòîãðàôèÿõ ëîïàñòåé ïîêàçàíû çîíû êàâèòàöèè. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ â ANSYS FLUENT ïîìîãëè óìåíüøèòü äàâëåíèå íà îñíîâàíèå ëîïàñòè âèíòà CP-A. Íà ôîòî âèíòà CP-A êàâèòàöèÿ îòñóòñòâóåò



18


давление удалось поднять выше критического

уровня и устранить кавитацию, это позволило

увеличить нагрузку на основание лопасти и в

целом повысить КПД винта.

Согласно исследованию University of

Delaware, ежегодно международные торговые и

военные корабли потребляют 289 млн. топлива,

это вдвое больше общего потребления таких

стран, как Германия [1]. Расчеты ANSYS FLUENT

показали, что изменения в геометрической мо-

дели винта повысят эффективность на 1-1.5%,

что было подтверждено на практике. Это срав-

нительно небольшое изменение, в случае при-

менения на большинстве судов, может сократить

топливные расходы на несколько миллиардов

долларов. Кроме того, это поможет значительно

снизить потребление энергии и уровень выбро-

сов парниковых газов.

Ëèòåðàòóðà1. Corbett, J.J.; Koehler, H.W. Updated Emissions from

Ocean Shipping, Journal of Geophysical Research — Atmospheres, 108(D20), 2003; pp. 4650–4666.

Íîâûé ãðåáíîé âèíò Kamewa CP-A îò Rolls-Royce Marine


«КАДФЕМ Си-Ай-Эс» побеждает в конкурсе

ANSYS Online Multiphysics Image Gallery

Работа специалистов компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

названа среди лучших в рамках конкурса ANSYS

Online Multiphysics Image Gallery

По итогам конкурса «ANSYS Online Multiphysics Image

Gallery Competition», специалисты инженерно-кон-

салтинговой компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» были

названы в числе победителей. Ежегодный конкурс

«ANSYS Online Multiphysics Image Gallery Competition»

посвящен изображениям, иллюстрирующим резуль-

таты многодисциплинарных расчетов, проведенных

в программных комплексах ANSYS (ранее конкурс

проводился под названием «ANSYS Wall Planner

Calendar»). В 2009 году специалисты компании

«КАДФЕМ Си-Ай-Эс» представили задачу гидроди-

намического расчета гребного винта, выполненного

с использованием газодинамических пакетов ANSYS

FLUENT, ANSYS CFX, а также ANSYS TurboGrid.

Следует отметить, что в 2005, 2006 и 2008 гг.

проекты компании (в тот период — ЕМТ Р) также

были представлены в конкурсе и одержали победу.

Свидетельство о верификации ANSYS

MechanicalВыдано свидетельство о верификации Российской

академии архитектуры и строительных наук для про-

граммного комплекса ANSYS Mechanical

НИЦ СтаДиО, партнер компании «КАДФЕМ Си-Ай-

Эс» (ранее — ЕМТ Р), и Научно-образовательный

центр компьютерного моделирования Московского

государственного строительного университета (НОЦ

КМ МГСУ), объявили о выдаче Российской акаде-

мией архитектуры и строительных наук Свиде-

тельства о верификации ANSYS Mechanical (№ 02/

ANSYS/2009. О верификации программного средс-

тва, применяемого для решения задач теории поля и

расчета статического и динамического напряженно-

деформированного состояния зданий, сооружений и

конструкций).

Заявителями являются ЗАО «ЕМТ Р» (с 2009 г.

— «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»), ЗАО НИЦ СтаДиО,

«ГК Техстрой», ГОУ ВПО МГСУ (Россия). Авторами ве-

рификационного отчета выступили ЗАО НИЦ СтаДиО,

ГОУ ВПО МГСУ (Россия). Дата включения в реестр ве-

рифицированных программных средств — 10 июня

2009 года, срок действия свидетельства — до 10 июня

2019 года.

По результатам работы, выпущено 4 тома ве-

рификационного отчета, включающие:

— основные положения и возможности, матрицы

верификации;

— решенные тесты из Verification Manual;

— задачи, предложенные экспертами, и разрабо-

танные авторами отчета;

— задачи, отражающие опыт использования

ANSYS Mechanical при строительном проекти-

ровании и экспертизах.

Материалы, относящиеся к Свидетельству о верифи-

кации ANSYS Mechanical Вы можете найти на сайте

http://www.stadyo.ru.

Ðàñ÷åò ãèäðîäèíàìèêè ãðåáíîãî âèíòà â ANSYS CFX

19




Одним из приоритетных направлений деятель-

ности ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова» явля-

ется создание установок малой и средней мощ-

ности, для которых стоит задача оперативной и

качественной адаптации реакторных установок

(РУ) к специфическим требованиям конкретного

заказчика.

Без качественного изменения технологий

проектирования, изготовления и пост-произ-

водственного сопровождения изделий, путем

комплексного и полномасштабного внедрения

самых современных компьютерных технологий

информационной поддержки жизненного цикла

изделий решить данные задачи не представля-

ется возможным.

В рамках совместных работ ОАО «ОКБМ

им. И.И. Африкантова» и РФЯЦ ВНИИЭФ, в обос-

нование технического проекта реакторного блока

с целью определения гидравлического сопротив-

ления основного контура циркуляции теплоноси-

теля в реакторном блоке в номинальном режиме

работы РУ, специалистами предприятия, при

поддержке специалистов IT-подразделения, были

проведены работы по полномасштабному трех-

мерному моделированию РУ в системе Unigraphics

NX и последующие гидродинамические расчеты

трассы циркуляции теплоносителя.

На первом этапе работ, с целью повыше-

ния эффективности управления проектными

данными была подготовлена и выделена об-

ласть единого информационного пространства

для взаимодействия всех участников проекта:

конструкторских, расчетных и технологических

подразделений. Технически такая задача была

решена созданием проектного архива и класси-

фикатора РУ в PDM-системе Search.

В основу процесса проектирования реак-

торного блока положено использование техно-

логии трехмерного параметрического модели-

рования. Конструкторская 3D-модель, создан-

ная на этапе технического проекта, содержит

полный объем необходимой информации. Одно-

временное участие в проекте специалистов раз-

ного профиля, выполняющих разные задачи,

позволило параллельно вести работы по проек-

тированию компонентов реакторного блока.

Основополагающим принципом создания

единого информационного пространства явля-

ется принцип единственности описания объек-

та в базе данных. Решение различных приклад-

ных задач, требующих различной степени дета-

лизации данных (расчетное обоснование конс-

трукции, конструкторско-технологическая под-

готовка производства, выпуск чертежей и спе-

цификаций, создание ИЭТР) осуществляется

не дублированием данных, а созданием раз-

личных сценариев использования базовой

конструкторской модели на основе прямых ас-

социативных связей. Такая технология работы

позволяет сократить время разработки изде-

лий различной сложности, обеспечить актуаль-

ность и достоверность информации, передава-

емой в различные прикладные приложения, и, в

итоге, избежать ошибочных решений при про-

ектировании.

На рис. 1 представлена расчетная модель

для гидродинамического расчета тракта цирку-

ляции, созданная на базе полной конструкторс-

кой модели реакторного блока с сохранением

прямых ассоциативных связей.

Расчетный анализ и обоснование конструк-

ции — один из этапов технологии сквозного со-

здания изделий с использованием компьютер-

ных информационных систем.

Инженерный анализ конструкции прово-

дился с целью оптимизации тракта циркуляции

Применение методов

вычислительной

гидродинамики в проекте РУ

для АЭС средней мощности

М.А. Большухин, В.В. Банкрутенко, В.В. Кузьмин, Д.Н. Свешников, Н.Л. Люкина,

Е.А. Солунина, ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова»



20


первого контура, поскольку гидродинамика по-

тока в патрубках реактора достаточно сложна, и

расчет с использованием справочных данных

по коэффициентам гидравлических сопротив-

лений не позволяют получить достоверные ре-

зультаты.

Учитывая сложность поставленной задачи,

расчеты проводились при консультационной

поддержке специалистов компании «КАДФЕМ

Си-Ай-Эс», ведущего партнера ANSYS в России

и странах СНГ.

Предварительно проводились верифика-

ционные расчеты с целью разработки и подбора

наиболее оптимальных сеточных и математи-

ческих моделей течения теплоносителя.

В качестве примера в статье представлено

сравнение результатов расчета гидравлическо-

го сопротивления модели части контура цирку-

ляции теплоносителя РУ (рис. 2) с помощью 3D

гидродинамического кода ANSYS CFX и резуль-

татов экспериментов на аэродинамической мо-

дели с различными вариантами доработок по

снижению сопротивления контура (таблица 1).

Таблица 1 Сравнение результатов расчета и

эксперимента

Варианты без затеснителя и с затеснителем

Íàèìåíîâàíèå äîðàáîòêè

Ñõåìà ó÷àñòêà

ξ7(1)-9 ξ7(2)-9 Δh7-9,êÏàÏ Δh7-9,

%Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò

Ýêñï-íò Ýêñï-íò Ýêñï-íò

Áåç çàòåñíèòåëÿÁåç òîðöåâîãî âûñòóïà

2.37 2.26 37.0

0.27

2.59 2.41 36.9

Çàòåñíèòåëü Áåç òîðöåâîãî âûñòóïàÁåç ðàçäåëèòåëÿ

2.19 2.04 33.0

1.54

2.33 2.08 32.5

Варианты с разделителем

Íàèìåíîâàíèå äîðàáîòêè

Ñõåìà ó÷àñòêà

ξ7(1)-9 ξ7(2)-9 Δh7-9 Ï Δh7-9, %Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò Ðàñ÷åò

Ýêñï-íò Ýêñï-íò Ýêñï-íò

Áåç ðàçäåëèòåëÿ

Áåç òîðöåâîãî âûñòóïà

2.19 2.04 33.0

1.54

2.33 2.08 32.5

Ðàçäåëèòåëü â ïàòðóáêå


2.163 2.19 32.2

2.42

2.34 2.14 33.0

Ðàçäåëèòåëü â ïàòðóáêå è ÏÃÁåç òîðöåâîãî

âûñòóïà

2.103 2.398 33.1

2.80

2.37 2.00 32.2

Ðàçäåëèòåëü â ÏÃ


1.916 2.074 29.4

2.00

2.23 1.83 30.0

В ходе данного этапа работ было получены

следующие улучшения:

— за счет включения торцевого выступа на

входе в реакторный патрубок и затеснения

потока в корпусе реактора можно умень-

шить сопротивление реакторного патруб-

ка.

— выбрана оптимальная длина затеснителя в

корпусе реактора;

— установка разделителя в кольцевую каме-

ру ПГ позволяет снизить сопротивление

патрубка.

По разработанной методике проведен гид-

родинамический расчет натурной конструкции

Ðèñ. 1. Ñîçäàíèå ðàñ÷åòíîé ìîäåëè äëÿ ðàñ÷åòà ãèäðîäèíàìèêè ïîòîêà èç êîíñòðóêòîðñêîé ñáîðêè

Ðèñ. 2. Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü òðàññû ïåðâîãî êîíòóðà

Âûõîä ïîòîêà

Âõîä ïîòîêà

21


РУ отдельных участков и всей трассы циркуля-

ции теплоносителя первого контура в целом.

В рамках программы совместных работ

«ОКБМ им. И.И. Африкантова» и РФЯЦ ВНИИ-

ЭФ, специалистами РФЯЦ ВНИИЭФ проводился

независимый расчет гидродинамики первого

контура. Результаты расчетов представлены в

таблице 3.

Дополнительно был проведен расчет вари-

анта шестипетлевой компоновки РУ, с целью оп-

ределения характера изменения гидравлическо-

го сопротивления по сравнению с вариантом

четырехпетлевой компоновки, поскольку умень-

шились проходные сечения патрубков.

Сравнение результатов расчета четырех- и

шестипетлевой компоновок приведены в виде

диаграммы на рис. 3.

Таким образом, при уменьшении проходно-

го сечения патрубков суммарный перепад давле-

ния по первому контуру увеличился на 21,7 %.

Основные выводы:Продемонстрированные в статье компьютерные

технологии информационной поддержки жиз-

Таблица 3. Результаты расчетов всей трассы

CFXÐàñ÷åò ÂÍÈÈÝÔ

Ñåòêà ¹1 Ñåòêà ¹2

Ó÷àñòîê 1

Äàâëåíèå íà âõîäå in, Ïà

20936.2 20468.4

Äàâëåíèå íà âûõîäå out, Ïà

1190.91 216.092

Ïåðåïàä äàâëåíèÿ, Ïà 19745.29 20252.31 19609

Ó÷àñòîê 2Äàâëåíèå íà âõîäå

in, Ïà14161.3 15299.9


2842.64 2952.55


Ó÷àñòîê 3

Äàâëåíèå íà âõîäå in, Ïà

51233.5 57503.3


1350.42 1548.91


Ñóììàðíûå ïîòåðè, Ïà

80947.03 88554.05 85160



22


ненного цикла изделий позволяют достичь при-

нципиально нового качества создания и пост-

производственного сопровождения реакторных

установок и, тем самым, способствуют выполне-

нию масштабных бизнес-задач.

С помощью 3D гидродинамического кода

ANSYS CFX проведен анализ гидродинамики

первого контура РУ для различных вариантов

компоновок, позволяющий обоснованно вы-

брать проектные решения для реакторных уста-

новок.

О достоверности полученных данных сви-

детельствуют предварительные верификацион-

ные расчеты и сравнение с независимым расче-

том специалистов РФЯЦ ВНИИЭФ.

На следующем этапе работ планируется

анализ связанного тепло-гидравлического и на-

пряженно-деформированного состояния ПГБ РУ

при отключении части оборудования (анализ

парциальных режимов работы РУ).

Ëèòåðàòóðà1. M.À.Ìèõååâ, È.Ì.Ìèõååâ. Îñíîâû òåïëîïåðåäà÷è.

Ì., «Ýíåðãèÿ», 1977.

Ðèñ. 3. Ñîïðîòèâëåíèå ó÷àñòêîâ òðàññû äëÿ ÷åòûðåõ è øåñòèïåòëåâîé êîìïîíîâîê ÐÓ


Обновления ANSYS 12.1.1 для

операционных систем Linux

Вышла версия программных продуктов

ANSYS 12.1.1 для операционных систем Linux

x86, Linux x64 с поддержкой работы модулей в

среде ANSYS Workbench 2.0

Инженерно-консалтинговая компания

«КАДФЕМ Си-Ай-Эс», специализирующаяся

на оказании профессиональных услуг, внед-

рении и технической поддержке наукоемкого

программного обеспечения компании ANSYS,

Inc., сообщила о выходе новой версии про-

граммных ANSYS 12.1.1 для операционных

систем Linux 32, Linux x64 с поддержкой рабо-

ты следующих модулей в среде ANSYS

Workbench 2.0:

Electric (ANSYS)

Explicit Dynamics (ANSYS)

••

Fluid Flow — Blow Molding (POLYFLOW)

Fluid Flow — Extrusion (POLYFLOW)

Fluid Flow (CFX)

Fluid Flow (FLUENT)

Harmonic Response (ANSYS)

Linear Buckling (ANSYS)

Magnetostatic (ANSYS)

Modal (ANSYS)

Random Vibration (ANSYS)

Response Spectrum (ANSYS)

Shape Optimization (ANSYS)

Static Structural (ANSYS)

Steady-State Thermal (ANSYS)

Thermal-Electric (ANSYS)

Transient Structural (ANSYS)

Transient Structural (MBD)

Transient Thermal (ANSYS)

•••••••••••••••••

Ðàáî÷àÿ ñðåäà ANSYS Workbench 2.0 â Linux Centos 5.4

Çàïóñê ANSYS Workbench 2.0 â îïåðàöèîííîé ñèñòåìå Linux

23




ВведениеВ настоящее время в ОКБМ «ОКБМ им. И.И. Аф-

рикантова» на различных этапах проектирова-

ния широко используются технологии компью-

терного моделирования (САЕ), позволяющие

обеспечить выбор оптимальных характеристик

оборудования.

Современный уровень развития вычисли-

тельной гидродинамики позволяет моделиро-

вать течения от простейшего ламинарного до

турбулентного с сильной анизотропией парамет-

ров с помощью моделей, построенных на вихре-

вых теориях: LES и DES.

Ядерные энергетические установки, раз-

работкой которых занимается ОКБМ «ОКБМ им.

И.И. Африкантова», являются сложной наукоем-

кой продукцией, поэтому особое внимание уде-

ляется расчетному анализу и обоснованию про-

ектов.

Частью расчетного обоснования является

анализ гидродинамики и температурного состо-

яния конструкции, при этом используются ком-

мерческие CFD-коды.

Освоение и применение CFD-кодов проис-

ходит в тесном контакте с разработчиками и

поставщиками кодов («КАДФЕМ Си-Ай-Эс»,

партнер ANSYS в России и странах СНГ), для

постановки верификационных экспериментов

привлекаются научные коллективы, имеющие

соответствующий опыт исследований.

В настоящее время уровень освоения CFD-

кодов позволяет сотрудникам ОКБМ приступить

к решению сложных задач, имеющих важное

прикладное значение.

В качестве примера, в настоящей статье

представлен анализ гидродинамики теплоноси-

теля РУ ВБЭР — 300 и исследование темпера-

турных пульсаций в элементах теплообменного

оборудования.

1. Применение методов вычислительной гидродинамики в проекте РУ ВБЭР — 300.В рамках совместных работ ОАО «ОКБМ им И.

И. Африкантова» и РФЯЦ ВНИИЭФ, в обоснова-

ние технического проекта реакторного блока

ВБЭР — 300, с целью определения гидравличес-

кого сопротивления основного контура циркуля-

ции теплоносителя в реакторном блоке в номи-

нальном режиме работы РУ были проведены

работы по полномасштабному трехмерному мо-

делированию РУ ВБЭР — 300 в системе

Unigraphics NX (рис. 1) и последующие гидроди-

намические расчеты трассы циркуляции тепло-

носителя 1 контура с помощью ANSYS CFX.

Инженерный анализ полномасштабной

конструкции (рис. 2) проводился с целью опти-

Применение методов

вычислительной гидродинамики

при проектировании

теплообменного оборудования

М.А. Большухин, Д.Н. Свешников, Н.Л. Люкина, Е.А. Солунина,

ОАО «ОКБМ им. И. И. Африкантова»

Ðèñ. 1. Ñîçäàíèå ðàñ÷åòíîé ìîäåëè äëÿ ðàñ÷åòà ãèäðîäèíàìèêè ïîòîêà èç êîíñòðóêòîðñêîé ñáîðêè



24


мизации тракта циркуляции первого контура,

поскольку гидродинамика потока в патрубках

реактора достаточно сложна и расчет с исполь-

зованием справочных данных по коэффициен-

там гидравлических сопротивлений не позволя-

ют получить достоверные результаты. При этом

были получены локальные характеристики пото-

ка (распределения скоростей, давлений и гидро-

динамических сил) и интегральные характерис-

тики всего контура циркуляции теплоносителя

(гидравлическое сопротивление контура).

Оптимизация тракта циркуляции позволи-

ла увеличить расход по 1контуру при сохране-

нии мощности ГЦН. В результате тепловая мощ-

ность РУ увеличена на ~5%

2. Исследование температурных пульсаций в теплообменном оборудованииТемпературные пульсации возникают вследс-

твие высокого температурного перепада между

теплообменивающимися средами (до 300°С) и

сложной гидродинамики потока теплоносителя

в различных местах теплообменника.

Ранее исследования условий работы эле-

ментов теплообменника проводились на натур-

ных моделях, однако такой подход имеет недо-

статки. В частности, работы по изготовлению

натурной модели части теплообменника и ее ис-

пытания на стенде отличаются высокой стои-

мостью и требуют значительных затрат време-

ни. С точки зрения достижения результата по

исследованию температурных пульсаций в теп-

лообменном оборудовании для подобных испы-

таний свойственны следующие недостатки:

— условия тепломассообмена в теплообмен-

нике сложны, поля скоростей и температу-

ры в теплоносителе отличаются неодно-

родностью, что приводит к необходимости

установки такого количества датчиков тем-

пературы, которое неизбежно приводит к

искажению реальных процессов по сравне-

нию со штатным теплообменником и за-

трудняет обработку и анализ результатов

испытаний;

— исследование температурных пульсаций,

выявление определяющих факторов, влия-

ющих на их характеристики и поиск путей

по оптимизации условий работы отдельных

узлов теплообменника требует проведения

многочисленных экспериментов и их опе-

ративной обработки, по результатам кото-

рой корректируется программа испытаний

и изменяется конструкция модели. Как по-

казывает опыт, необходимой гибкости при

проведении испытаний натурной модели

по объективным причинам достичь не уда-

ется;

— по опыту, испытания часто не достаточно

информативны, а результаты бывают про-

тиворечивы.

Существующий опыт применения CFD-тех-

нологий, позволяет выполнить обоснование ре-

сурса некоторых теплообменников на базе ре-

зультатов расчетного исследования температур-

ного режима наиболее нагруженных узлов с

применением 3D гидродинамических кодов, на-

пример ANSYS CFX, включая верификацию

вместо предусмотренных ранее испытаний на-

турной модели теплообменника на стенде.

На первом этапе работ проведены экспе-

рименты на масштабных моделях исследуемых

узлов и соответствующие верификационные

расчеты (рис. 3,4).

На втором этапе работ разработана ком-

пьютерная модель штатного теплообменника,

проведены расчетные исследования темпера-

турного состояния теплообменника в условиях

пульсаций температуры теплоносителя вблизи

поверхности теплообменных труб с целью под-

готовки исходных данных для расчета прочнос-

Ðèñ. 2. Ðàñïðåäåëåíèå ïîëíîãî äàâëåíèÿ

Ðèñ. 3. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ìîäåëü è êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü èññëåäóåìîãî óçëà

25


ти и проведен расчет напряженно- деформиро-

ванного состояния конструкции (рис. 5). По по-

лученным данным разработаны рекомендации

по оптимизации конструкции узлов теплооб-

менника.

Основные выводы1. Подтверждена высокая эффективность

применения CFD-кодов для решения раз-

личных задач, возникающих при проекти-

ровании и эксплуатации оборудования раз-

личного назначения.

2. К настоящему времени выполнено боль-

шое количество верификационных расче-

тов для анализа сопряженных задач гидро-

динамики, тепломассобмена и температур-

ного состояния конструкций в стационар-

ных и нестационарных режимах на базе

результатов выполненных ранее и прово-

димых в настоящее время экспериментов.

Запланировано проведение ряда расчет-

но-экспериментальных работ с привлече-

нием научных коллективов Российской Фе-

дерации, имеющих соответствующий опыт

исследований, с целью верификации CFD-

кодов для решения наиболее сложных за-

дач обоснования проектных решений.

3. Наиболее актуальными задачами повыше-

ния экономической эффективности приме-

нения CFD кодов являются:

— повышение уровня квалификации и накоп-

лении опыта пользователей CFD-кодов;

— вовлечение в процесс освоения CFD-тех-

нологий большего числа молодых специа-

листов;

— расширение и углубление контактов с раз-

работчиками или поставщиками CFD-ко-

дов и научными коллективами, обладаю-

щими соответствующим знаниями и опы-

том;

— расширение верификационной базы;

— своевременное приобретение обновлен-

ных версий CFD-кодов;

— повышение мощностей компьютерного

парка.

Ëèòåðàòóðà1. Ïðîãðàììà ðàçâèòèÿ «ÎÊÁÌ èì.

È.È.Àôðèêàíòîâà» íà ïåðèîä äî 2015 ã.2. Îò÷åò î ÍÈÈÐ: Àýðîäèíàìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ

ó÷àñòêà ïàðîãåíåðàòîð — ïàòðóáîê — ðåàêòîð òðàññû öèðêóëÿöèè 1ê óñòàíîâêè ÂÁÝÐ 300. (2 ýòàï) èíâ. ¹ 247158

3. Ïðîãðàììà ñîâìåñòíûõ ðàáîò ïî ðàçâèòèþ ìåòîäîâ ñêâîçíîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ ßÝÓ ÐÔßÖ-ÂÍÈÈÝÔ, «ÎÊÁÌ èì. È.È.Àôðèêàíòîâà», ÐÍÖ ÊÈ íà 2008 ã.

Ðèñ. 4. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ è êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü äëÿ èññëåäîâàíèÿ òåìïåðàòóðíûõ ïóëüñàöèé â óçëå ïðèâàðêè òåïëîîáìåííîé òðóáû ê êîëëåêòîðó

Ðèñ. 5. Êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü òåïëîîáìåííèêà è ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ òåìïåðàòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ



26


В последние десятилетия в связи с постоянным

увеличением стоимости энергоносителей и не-

обходимостью уменьшения выбросов CO2 воз-

никла потребность создания судов с низким

энергопотреблением. Расход горючего может

быть уменьшен, в том числе, за счет снижения

сопротивления корпуса во время передвиже-

ния. В основном, общее сопротивление возни-

кает за счет поверхностного трения, профиль-

ного и волнового сопротивлений. Из всех пере-

численных факторов наиболее существенным

является поверхностное трение. У крупнотон-

нажных судов, передвигающихся с небольшой

скоростью, к примеру, танкеров, поверхностное

трение может составлять до 70% от полного со-

противления. В связи с этим, возникла необхо-

Расчет в ANSYS FLUENT

нагнетания воздушных

пузырьков на омываемую

поверхность судна

Takafumi Kawamura и Asako Murakami, Кафедра изучения инновационных технологий,

Токийский университет, Япония

Ðåçóëüòàòû ëàáîðàòîðíûõ èññëåäîâàíèé ïîâåäåíèÿ âîçäóøíûõ ïóçûðüêîâ â òóðáóëåíòíîì ïîãðàíè÷íîì ñëîå. Äëÿ ñðåäíåãî äèàìåòðà ïóçûðüêà 1.4 ìì ïèêîâîå ñîäåðæàíèå ñîñòàâèëî îêîëî 3%. Ïàðàìåòðû ìîäåëè ïóçûðüêîâîãî ïîòîêà áûëè óñòàíîâëåíû òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû âîñïðîèçâîäèëàñü èçìåðåííàÿ êîíöåíòðàöèÿ âîçäóõà

27


димость максимального уменьшения поверх-

ностного трения. Среди предложенных методов

уменьшения поверхностного трения наиболее

перспективным представляется введение на

омываемую поверхность корабля слоя воздуш-

ных пузырьков.

Нагнетание воздушных пузырьков приме-

нялось и ранее с целью уменьшения поверхнос-

тного трения. Его эффективность неоднократно

подтверждалась в результате лабораторных эк-

спериментов. Однако на практике возникают оп-

ределенные трудности при внедрении данного

метода на реальных судах. Количество энергии,

необходимое для нагнетания воздуха на дно

корпуса, увеличивается пропорционально ско-

рости течения и тяговому сопротивлению судна.

При пузырьковом режиме снижается КПД греб-

ного винта. Для экономии энергии необходимо

оптимизировать такие параметры, как средний

диаметр пузырьков, объемный расход воздуха,

а также расположение инжекторов.

В связи с этим, ученые Токийского универ-

ситета провели полномасштабный натурный эк-

сперимент с использованием 126-метрового

судна для перевозки цемента, в ходе которого

пузырьки воздуха диаметром менее 2 мм пода-

вались на дно корпуса. Результаты эксперимен-

та показали экономию расхода топлива 5%. На-

ряду с экспериментом, специалисты Токийского

университета проводили гидродинамические

расчеты для получения данных по распределе-

нию воздуха и снижению поверхностного тре-

ния. Для расчета объемной концентрации и ско-

рости воздуха в воздушной фазе была разрабо-

тана модель пузырькового потока (bubble flow

model), которая была реализована в ANSYS

FLUENT при помощи решения нескольких урав-

нений переноса (скалярной величины).

Расчеты, проведенные в ANSYS FLUENT,

показали, что пузырьками воздуха покрывается

34% омываемой поверхности, что приводит к со-

кращению полного сопротивления корпуса суд-

на на 10%. Результаты расчетов показали, что

большая экономия достигается у судна с бал-

ластом по сравнению с судном, имеющим пол-

ную загруженность. Эти результаты соответс-

твовали данным, полученным в ходе экспери-

мента с цементовозом.

Ожидается, что в ближайшем будущем

многие суда будут оборудованы системами по-

дачи пузырьков воздуха. При этом, для сокра-

щения расходов на дорогостоящие проверки и

испытания, необходимо внедрять в процесс про-

ектирования программные комплексы для ком-

пьютерного моделирования.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû:Kawamura, T., Ito, A., Hinatsu, M., «Numerical Simulation of Bubbly Flow Around a Marine Propeller,» Proceedings of FEDSM2007, 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering Conference, 2007, San Diego, California, U.S.A.

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà ïîâåðõíîñòè êîðïóñà êîðàáëÿ ñîçäàâàëàñü â GAMBIT. Èíæåêöèÿ âîçäóõà ìîäåëèðîâàëàñü ñ ïîìîùüþ ÃÓ mass flux â îáëàñòè ó íîñà ñóäíà

Ðàñïðåäåëåíèå ïîäàâàåìîãî âîçäóõà âîêðóã êîðàáëÿ. Ïîêàçàí êîíòóð îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè âîçäóõà â ïðîöåíòàõ

Ðàñ÷åò ïîâåðõíîñòíîãî òðåíèÿ ïðîâîäèëñÿ â ANSYS FLUENT. Ëîêàëüíîå ïîâåðõíîñòíîå ñîïðîòèâëåíèå óìåíüøèëîñü íà 50%, îáùåå ñîïðîòèâëåíèå ñîêðàòèëîñü íà 10%

Ðàñ÷åò îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè âîçäóõà âîçëå ãðåáíîãî âèíòà. Ðàñïîëîæåíèå ãðåáíîãî âèíòà ïîêàçàíî îêðóæíîñòüþ, ñðåäíÿÿ îáúåìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ âîçäóõà íà äàííîì ó÷àñòêå ñîñòàâèëà 1%


28



В данной статье мы рассмотрим базовые воз-

можности программного комплекса ANSYS

DesignModeler (DM) для исправления дефектов

твердотельных 3D-моделей, импортируемых в

DM из сторонних CAD-комплексов.

В качестве объекта для демонстрации воз-

можностей DM мы выбрали модель, содержа-

щую большое количество галтелей, мелких по-

верхностей и пр.

Для начала загрузите ANSYS Workbench 12.0

или 12.1. Далее перетащите раздел Geometry из

панели Component Systems в поле Project

Schematic. Затем нажмите на правую кнопку мыши

и в выпадающем меню выберите строку Import

Geometry. После этого следует указать путь к пап-

ке, в которой находится файл «cat_convert.x_t» —

исходная модель изделия в формате Parasolid.

На следующем этапе следует загрузить

DM. Для этого снова нажимаем правой кнопкой

мыши на строку Geometry и в выпадающем

меню выбираем строку Edit.

После загрузки DM на экране появится

специальная панель, в которой следует выбрать

единицу измерения модели, в нашем случае —

мм (Millimeter). Далее нажмите на иконку

Generate в верхнем контекстном меню. На экра-

не появится демонстрационная 3D-модель. Дан-

ная модель состоит из 69 поверхностей, при

этом часть поверхностей отсутствует.

Изменим режим отображения модели с по-

верхностного представления на каркасную мо-

дель (View→Wireframe). Это позволит нам визу-

ализировать и локализовать проблемные места.

Красным цветом на рис. 2. выделены несвязан-

ные ребра.

Применим к поверхностной модели опера-

цию Sew: Greate→Body Operation. В строке

Type выбираем команду Sew. Далее необходимо

выбрать все поверхности. Для этого нажимаем

на правую кнопку мыши и в появившейся пане-

ли выбираем строку Select All. Нажимаем Apply.

Поверхности можно выбрать и другим спо-

собом: измените режим выбора объектов (Select

Mode) c Single Select на Box Select. После чего с

помощью прямоугольной рамки вы сможете ука-

зать соответвтующую область.

В результате выполнения операции Sew

мы получим одно поверхностное тело. Включите

режим отображения объектов Wireframe и вы

увидите, что большинство ребер изменили свой

цвет с красного на черный (рис .3). Это означа-

ет, что эти ребра теперь являются связанными.

Очистка и исправление

дефектов геометрии

в ANSYS DesignModeler 12.0

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Êíîïêà Generate Ðèñ. 2. Âèçóàëèçàöèÿ â DM íåñâÿçàííûõ ðåáåð

29


На следующем этапе мы протестируем по-

верхностную модель на предмет корректного

сопряжения поверхностей (рис. 4а). Для этого

воспользуемся операцией Tools→Repair→Repair Seam. В панели Details of RepairSeam в

строке Find? выбираем Yes. Далее переходим в

дерево проекта, в котором появилась дополни-

тельная ветка RepairSeam1, выделяем эту ветку

и применяем операцию Generate. Результаты

выполнения этой операции показаны на рис. 4б

В нашей поверхностной модели отсутству-

ет несколько поверхностей. Для их восстановле-

ния воспользуемся операцией Tools→Repair→Repair Holes.

Для Hole 1, Hole 2 и Hole 3 используйте ме-

тод Surface Patch (по умолчанию). Нажмите

Generate, чтобы запустить процесс. В результа-

те мы получим полностью замкнутое поверхнос-

тное тело, которое можно будет конвертировать

в твердотельную модель с помощью ранее ис-

пользованной команды Sew. Только в данном

случае необходимо будет в строке Form Solid?

выбрать опцию Yes.

Далее мы попробуем убрать острые углы в

твердотельной модели. Для этого в DM сущест-

вует специальная команда Tools→Repair→Repair Sharp Angles. После выполнения этой

команды DM проинформирует нас о том, что в

модели обнаружено 5 острых углов. Нажимаем

Generate для «лечения» этих углов. В результате

объединения поверхностей в локальных местах

мы избавились от 4 из 5 острых углов в модели.

Далее последовательно выполняем следу-

ющие команды: Tools→Repair→Repair Slivers и

Tools→Repair→Repair Spikes. Первая команда

диагностирует модель на наличие разрывов в

виде вытянутой щели, а вторая команда на на-

личие вытянутых клинообразных поверхностей

или разрывов аналогичной формы.

Заметим, что в сеточных препроцессорах

для описания тетраэдральных элементов плохо-

го качества используется идентичная термино-

логия (см. рис. 7).

После выполнения описанных выше ко-

манд в дереве проекта появятся две новых вет-

Ðèñ. 3. Ðåçóëüòàòû âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Sew

Ðèñ. 5. Äëÿ âèçóàëèçàöèè ìåñòà ðàñïîëîæåíèÿ îòñóòñòâóþùèõ ïîâåðõíîñòåé ïðîñòî íàâåäèòå êóðñîð ìûøè íà ëþáóþ èç ñòðîê Hole # (RMB)

Ðèñ. 4. à — íàëîæåíèå ïîâåðõíîñòåé; á — ðåçóëüòàò âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Repair Seam

À

Á


30



ки: RepairSlivers# и RepairSpike#. Поскольку в

нашей модели отсутствуют подобные дефекты,

то необходимо удалить эти ветки.

Далее выполним команду Tools→Repair→Faces. После всех операций, проделанных над

моделью, она содержит 34 поверхности. Требу-

ется «вылечить» только одну поверхность с на-

званием Face 1. Для нее используйте опцию

Automatic (по умолчанию). Для всех остальных

поверхностей — опцию Do not Repair. Для уско-

рения процесса выбора Repair Method для каж-

дой из 33-х поверхностей можно воспользовать-

ся опцией Select in All Below (см. рис. 9).

Затем выполните команду Tools→Repair→Edges.

В заключение необходимо объединить по-

верхности. Для этого используется команда

Tools→Merge (рис. 10). В строке Merge Type вы-

берите Faces; в строке Selection Method —

Automatic; Find Cluster Now? — Yes. Далее выбе-

рите две поверхности, которые на рис. 11 выде-

лены зеленым цветом.

Сохраните отредактированную модель:

File→Save as.

В данной статье мы рассмотрели только

базовые инструменты ANSYS DesignModeler для

редактирования и исправления дефектов гео-

метрии. В действительности, возможности этого

пакета намного шире.

Все файлы, необходимые для изучения

этого урока, вы можете получить, отправив за-

прос по email: [email protected].

Ðèñ. 6. Îñòðûå óãëû (Sharp Angles) â 3D-ìîäåëè

Ðèñ. 7. Âíåøíèé âèä òåòðàýäðàëüíûõ ýëåìåíòîâ ïëîõîãî êà÷åñòâà

Ðèñ. 8. ANSYS DesignModeler îáíàðóæèë â ìîäåëè 34 ïîâåðõíîñòè. Òðåáóåòñÿ «âûëå÷èòü» òîëüêî Face 1

Ðèñ. 9. Äëÿ âñåõ îñòàëüíûõ ïîâåðõíîñòåé, êðîìå Face 1, â ñòðîêå Repair Method íåîáõîäèìî âûáðàòü îïöèþ Do not Repair

Ðèñ. 10. Ïîâåðõíîñòè, îáúåäèíåííûå â êëàñòåðû (ãðóïïû)

Ðèñ. 11. Âûáåðèòå äâå ïîâåðõíîñòè, âûäåëåííûå çåëåíûì öâåòîì

31




В отдельных случаях для моделирования харак-

теристик вентилятора вместо реальной физи-

ческой модели вентилятора можно использовать

дополнительные возможности газодинамичес-

кого комплекса ANSYS CFX: источниковые чле-

ны или GGI интерфейс. В данной статье мы рас-

смотрим сначала пример использования GGI

интерфейса для моделирования эффекта уве-

личения давления при прохождении потока че-

рез вентилятор. Эта возможность доступна в

пакете ANSYS CFX начиная с версии 11.0.

Аэродинамическая характеристика венти-

лятора, как правило, имеет вид, показанный на

рис. 1. Подобные кривые хорошо аппроксимиру-

ются полиномами 2-го или 3-го порядка. Для оп-

ределения полинома в ANSYS CFX можно исполь-

зовать либо язык выражений CEL, либо одномер-

ные пользовательские функции 1D User Function.

Для создания выражения перейдите в раз-

дел Expressions дерева проекта, дважды нажми-

те на правую кнопку мыши и далее выберите

опцию New. Присвойте новому выражению имя

P rise и в появившейся панели наберите следую-

щий текст:

(-5.9867*Q^2+53.108*Q+986.3[m^3 s^-1])*1[kg

m^-1 s^-1].

Создайте еще одно выражение с именем Q:

Q = massFlow()@Interface 1 Side 1/

massFlowAve(Density)@Interface 1 Side 1.

Пример использования

GGI-интерфейса

и пользовательских функций

для задания характеристик

вентилятора

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Àýðîäèíàìè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà âåíòèëÿòîðà


32



Используя это выражение, мы сможем кон-

тролировать массовый расход через поверх-

ность интерфейса.

Далее нам необходимо будет создать поль-

зовательскую функцию. Для этого в верхнем

контекстном меню следует нажать на иконку

User Function. Присвойте функции имя

fandata. В опции Arguments Units укажите раз-

мерность аргумента функции — [m^3 s^-1], а в

опции Result Units — размерность самой функ-

ции — [Pa].

Заполните таблицу Interpolation Data. В

столбец Coordinate (массовый расход) внесите

следующие значения: 0; 1.8; 3.6; 5.4; 7.2; 9; 10.8;

12.6; 14.4; 16.2; 18. В столбец Value (давление):

995.68; 1057.91; 1095.248; 1095.248; 1045.464;

983.234; 871.22; 721.868; 494.84; 0.

Кроме этого, на панели Basic Setting необ-

ходимо включить опции Extend Min и Extend

Max.

Мы определили пользовательскую функ-

цию, однако для того, чтобы ее использовать,

необходимо создать еще одно выражение вида:

P rise = fandata(Q), где

Q = massFlow()@Interface 1 Side 1/

massFlowAve(Density)@Interface 1 Side 1.

Таким образом, с помощью языка выраже-

ний CEL и пользовательской функции мы зада-

ли в ANSYS CFX аэродинамическую характе-

ристику вентилятора. Теперь для моделирова-

ния вентилятора мы можем использовать GGI-

интерфейс.

Создадим интерфейс с именем Fan Int. Для

этого в верхнем меню необходимо выбрать икон-

ку . Далее выбираем тип интерфейса Fluid

Fluid и указываем две поверхности интерфейса.

Затем включаем опцию Mass And Momentum и в

поле опции Pressure Change набираем имя вы-

ражения P rise.

При использовании дополнительного ис-

точникового члена для моделирования вентиля-

тора необходимо предварительно создать отде-

льный объем для вентилятора, так как в этом

случае он моделируется в виде Subdomain.

Для создания Subdomain необходимо пе-

рейти в верхнее контекстное меню и выбрать

иконку . Повторите все настройки панели

Subdomain, показанные на рис. 2. Переменная

length в данном случае — это размер объекта

Subdomain в направлении течения потока газа

(ось Y). При этом следует помнить, что данный

метод не учитывает закручивание потока после

вентилятора. Для этого необходимо выполнить

еще несколько дополнительных процедур в

ANSYS CFX.

На рис. 3-4 показаны результаты использова-

ния Subdomain для моделирования вентилятора.

Ðèñ. 2. Íàñòðîéêè ïàíåëè Subdomain êîìïëåêñà ANSYS CFX

Ðèñ. 3. Óâåëè÷åíèå ìàññîâîãî ðàñõîäà â êàíàëå (âåíòèëÿòîð ïîêàçàí íà ðèñóíêå ââèäå ñèíåãî ïàðàëëåëåïèïåäà — Subdomain)

Ðèñ. 4. Óâåëè÷åíèå äàâëåíèÿ â êàíàëå çà âåíòèëÿòîðîì

33




Целью данного тестирования являлось исследо-

вание быстродействия кластерной системы для

расчетов вычислительной гидрогазодинамики в

комплексе ANSYS CFX 12 в зависимости от типа

сетевого интерконнекта. Кластерная система

строилась на основе процессоров Intel Nehalem.

Использовалось несколько рабочих моделей для

оценки производительности системы.

Описание системыКластер состоит из 10 одинаковых узлов, объ-

единенных сетью GbE и Infiniband DDR.

Каждый узел имеет следующую конфигу-

рацию:

— два процессора Intel Nehalem Xeon Е5540

2,53Ггц 8Мб кэш,

— 48 Гб оперативной памяти 4Гб*12шт,

— адаптер Infinihost III Lx DDR v25204.

Поддержка технологии Hyper treading в процес-

сорах во всех тестах отключена.

Операционная система: CentOS 5.3 x86-64.

Коммутатор: Infiniband Flextronics F-X430044 24-

port 4X DDR.

Драйвера: Infiniband — OFED 1.4.

Дисковая система:

На 1 узле находится 4 жестких диска по 300Гб WD

VelociRaptor300BLFS. Файловая система ext3, без

RAID массива. С данного узла организовано сете-

вое монтирование образов на все остальные узлы,

которые являются бездисковыми. Локальные пап-

ки пользователей находятся также на 1 узле. На 10

узле помимо системного раздела, находится мас-

сив RAID0 из 3 дисков 300Гб WD VelociRaptor300BLFS.

С данного узла на все остальные смонтирована ра-

бочая папка для проектов.

Описание моделей для тестаМодель 1 (см. рис. 1)представляет собой сим-

метричную область расчета, в которой находит-

ся сложное геометрическое тело, обтекаемое

трансзвуковым потоком. Размерность задачи

выбрана таким образом, чтобы модель занима-

ла 8 Гб оперативной памяти. Контрольным от-

резком времени является время решения 70

итераций.

Модель 2 (см. рис. 2) представляет собой

задачу, состоящую из более чем 30 областей

расчета, включая 4 основных области с газом, а

также твердые тела, около 30 интерфейсов меж-

ду ними, модель радиационного теплообмена.

Основные физические модели в задаче — естес-

твенная конвекция, нагрев твердых тел внутрен-

ними источниками тепла, задача внутренней теп-

лопроводности, контактные термосопротивле-

ния, переходная модель турбулентности. Специ-

фика данной задачи состоит в наличии большого

количества радиационных элементов, это резко

повышает объем использованной оперативной

памяти, а также требует наличия областей рас-

Эффективность

параллельных вычислений

в комплексе ANSYS CFX 12.0

в зависимости

от используемого типа

сетевого интерконнекта

ООО «Сименс», отдел корпоративных технологий

Ðèñ. 1. Îáòåêàíèå ñôåðû


34



чета разного размера, что повышает параметр

перекрытия в областях расчета при параллель-

ном расчете. Для расчета модели требуется око-

ло 150 Гб оперативной памяти. Контрольным от-

резком времени для задачи является время ре-

шения одной итерации. Данное время в ходе

тестов определялось по времени решения от 500

до 1500 итераций. Время указано в секундах.

Тестирование на стандартном соединении

GbE проводилось с использованием режима

MPICH Distributed Parallel, тестирование с ис-

пользованием Infiniband проводилось с исполь-

зованием режима HP MPI Distributed Parallel.

В ходе тестирования проверялось как вре-

мя полного решения задачи — Wall clock time,

так и процессорное время — solving time.

Данные тестирования по задаче 1 с исполь-

зованием GbE приведены в таблице ниже.

number of server

wall time

solve time

wall ratio

wall vs ideal

solv ratio

solv vs ideal

10 960 385 3,32 33% 7,65 76%

9 970 410 3,28 36% 7,18 80%

8 989 460 3,22 40% 6,40 80%

7 1023 510 3,11 44% 5,77 82%

6 1101 570 2,89 48% 5,17 86%

5 1240 680 2,57 51% 4,33 87%

4 1432 810 2,22 56% 3,64 91%

3 1689 1137 1,89 63% 2,59 86%

2 2195 1469 1,45 73% 2,00 100%

1 3184 2945 1,00 100% 1,00 100%

Пояснения к результатам в таблице

Кроме ранее обозначенных критериев, в табли-

це приведены результаты обработки данных.

Wall ratio — отношение полного времени расчета

к времени расчета на 1 сервере, wall vs ideal —

относительное ускорение по полному времени

расчета, solv ratio — отношение процессорного

времени расчета к процессорному времени рас-

чета на 1 сервере, solve vs ideal — относительное

ускорение по процессорному времени расчета.

Из анализа этих данных, легко заметить,

что эффективность решения задачи сущест-

венно уменьшается начиная с 3-го узла в клас-

тере, и на 10 узлах эффективность составляет

36%. При этом также видно, что эффектив-

ность, рассчитанная по процессорной нагрузке,

имеет высокие параметры даже при расчете на

10 узлах — до 80%.

Рассмотрим данные тестирования модели

1 при использовании Infiniband.

number of server

wall time

solve time

wall ratio

wall vs ideal

solv ratio

solv vs ideal

10 482 470 6,61 66% 6,27 63%

9 498 498 6,39 71% 5,91 66%

8 530 530 6,01 75% 5,56 69%

7 589 589 5,41 77% 5,00 71%

6 650 650 4,90 82% 4,53 76%

5 766 766 4,16 83% 3,84 77%

4 910 910 3,50 87% 3,24 81%

3 1190 1181 2,68 89% 2,49 83%

2 1685 1685 1,89 94% 1,75 87%

1 3184 2945 1,00 100% 1,00 100%

Пояснения к результатам

В результате применения более быстрого сете-

вого интерконнекта эффективность по полному

времени расчета выросла почти в 2 раза по

сравнению с GbE.

В таблице ниже показана доля времени,

необходимая для расчета с использованием

Infiniband относительно GbE.

IB vs GbE

10 50%

9 51%

8 54%

7 58%

6 59%

5 62%

4 64%

3 70%

2 77%

1 100%

Также можно отметить изменившееся со-

отношение между полным и процессорным вре-

менем расчета. В случае применения Infiniband

оба времени практически одинаковы. Это связа-

но с существенными различиями в работе биб-

лиотек параллельности для MPICH и HP MPI.

Ðèñ. 2. Ìóëüòèäîìåííûé ðàñ÷åòíûé îáúåêò

35


Более четко все эти зависимости можно

проследить на графике.

В тестировании модели 2 не требовалось

определение полной кривой ускорения от коли-

чества серверов. Ввиду размеров модели, ее

расчет возможен минимум на 3 узлах кластера.

В ходе тестов были замерены скорости на 3 и 10

узлах кластера.

Полное и процессорное время расчета од-

ной итерации для 2-ой модели на 3 узлах класте-

ра при использовании GbE составило 289 и 121

с соответственно. Для варианта Infiniband вре-

мена составили 169 и 168 с. При использовании

10 узлов кластера с использованием Infiniband

время расчета составило 89 и 88 с.

Данные также приведены ниже в таблице.

wall time solv time

3 servers Gbe 289 121

3 servers IB 169 168

10 servers Gbe 155 51

10 servers IB 88 88

Время одной итерации с Infiniband умень-

шилось до 52% от времени в случае расчета с

GbE.

Технико-экономические аспекты

применения Infiniband

В случае использования коммерческих про-

граммных продуктов, наращивание вычисли-

тельных мощностей без учета всех составляю-

щих расходов может привести к необоснован-

ных тратам и потере эффективности всего про-

граммно-аппаратного комплекса. Например,

при использовании комплекса ANSYS CFX на

данной конфигурации кластера с использова-

нием процессоров Intel Nehalem доля стоимости

оборудования Infiniband не превышает 5-7% от

стоимости всего кластера и программного ком-

плекса. При этом даже на 2-х узлах скорость

при применении Infiniband увеличивается на

23%, что обеспечивает полную окупаемость

данного решения. Также очевидно, что увеличе-

ние скорости расчета с помощью дополнитель-

ных узлов на основе Intel Nehalem при примене-

нии GbE, имеет предел в районе 3 — 4 кратного

прироста.

Итоги и рекомендации

В случае применения кластеров на основе Intel

Nehalem для расчетов гидрогазодинамики в про-

граммном комплексе ANSYS CFX 12 (и других

подобных), рекомендовано применение сетево-

го интерконнекта Infiniband DDR начиная с 2 уз-

лов. На примере тестовой задачи 1 показано,

что даже при снижении размера расчетной об-

ласти на один процесс ниже 75 000 гексаэдри-

ческих элементов (рекомендовано производите-

лем программного комплекса как минимальное

количество элементов на один процесс (исполь-

зуемое ядро процессоров) при параллельном

расчете) наблюдается ускорение расчета при

повышении количества узлов кластера.

При расчете большой модели, включаю-

щей в себя различные физические модели и

множество областей расчета, время расчета при

применении Infiniband DDR также существенно

уменьшилось. Однако ускорение расчета второй

модели в зависимости от количества узлов клас-

тера показывает несколько меньший рост, чем у

первой. В данном случае это может объясняться

особенностями параллелизации больших задач,

состоящих из множества расчетных областей.

Это приводит к увеличению зон перекрытия па-

раллельных частей в расчете, сверх обычных

10-15% до 30-50%.

Таким образом, при оценке реальной ско-

рости вычислений необходимо учитывать увели-

чение расчетных узлов относительно исходной

модели. Данное обстоятельство требует отде-

льного рассмотрения и применения програм-

мных мер воздействия — изменения алгоритма

разбиения задачи на части, оптимизации рас-

четной сетки.

Необходимо учесть, что наличие в расчете

модели радиационного теплообмена не только

увеличивает размер оперативной памяти и вре-

мя расчета, но и требует организации быстрого

доступа к файловой структуре в рабочем ката-

логе.

Дополнительно в настройках решателя не-

обходимо использовать увеличенные парамет-

ры для выделения памяти, например, Memory

allocation factor-Real Stack size = 1.4. В процессе

расчета в рабочей директории создаются фай-

лы, содержащие данные трассировки лучей в

модели. При достаточно большом количестве

радиационных элементов в модели, файлы до-

стигают существенных размеров и для быстрой

работы решателя с ними необходимо применять

высокоскоростные дисковые системы.

В проведенном тесте для рабочей директо-

рии был создан скоростной массив из 3 дисков,

но ввиду того, что монтирование рабочей дирек-

тории проводилось стандартными средствами

операционной системы nfs mount, доступ к рабо-

чим файлам осуществлялся через интерфейс

GbE. Очевидно, это замедлило скорость расче-

та второй модели и внесло существенную нели-

нейность в ускорение по узлам кластера. В сле-

дующих тестах предполагается использовать

высокоскоростное дисковое решение с исполь-

зованием возможности сети Infiniband для пере-

дачи файлов.

ЭЛЕКТРОНИКА, МЭМСЭЛЕКТРОНИКА, МЭМСИ НАНОТЕХНОЛОГИИИ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû êàòàïóëüòèðîâàíèÿ êàòàïóëüòèðîâàíèÿ â ANSYSâ ANSYS

Èíòåãðàöèÿ ANSOFT Èíòåãðàöèÿ ANSOFT â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ ANSYSANSYS

CFD-ìîäåëèðîâàíèå CFD-ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñòàäèîíàñòàäèîíà

ANSYS Advantage Русская редакция №13 2010 Машиностроение_Machinery

Documents