STAR-CCM+
Рабочий процесс
1. CAD to Mesh
Подготовка геометрии для построения сетки
Обычно наиболее трудоёмким и удручающим процессом в CFD моделировании является создание сетки высокого качества для модели CAD. STAR-CCM+ решает эту проблему, позволяя в значительной степени автоматизировать процесс преобразования модели CAD в сеточную с сохранением возможности выполнять операции вручную.
Cовременная технология построения сеток основана на подходе, который позволяет создавать сеточные слои, структурированные сетки для пристеночных границ за пределами пограничного слоя. Такой способ подходит для вычислений, связанных с моделированием фронта ударной волны – пилотируемый исследовательский аппарат, входящий в слои атмосферы.
STAR-CCM+ предлагает широкий ряд современнейших технологий создания объёмных сеток, в том числе многогранных, как в случае с грузовым самолётом. Многогранные сетки обеспечивают быструю сходимость решения, а также они легки в построении и более эффективны по сравнению с четырёхгранными сетками.
STAR-CCM+ предлагает широкий ряд современнейших технологий создания объёмных сеток, в том числе многогранных, как в случае с расчётом вертолёта Bell 407. Многогранные сетки обеспечивают быструю сходимость решения, а также они легки в построении и более эффективны по сравнению с четырёхгранными сетками.
Cовременная технология построения сеток основана на подходе, который позволяет создавать сеточные слои, структурированные сетки для пристеночных границ за пределами пограничного слоя. Такой способ подходит для вычислений, связанных с моделированием фронта ударной волны – пилотируемый исследовательский аппарат, входящий в слои атмосферы.
Импорт или создание геометрии CAD
Если Вы хотите использовать модель непосредственно из среды моделирования, импортировать сборку CAD или создать новую геометрию, - STAR-CCM+ имеет решение.
Как правило, геометрия создаётся в программном обеспечении и подстраивается под конструкторские и производственные нужды, а не для целей моделирования. Кроме того, модели сложных конструкций с приближенными к реальным условиями делают процесс построения сеток более трудоёмким. STAR-CCM+ имеет надёжные инструменты, обеспечивающие использование для сеточного разбиения ‘чистой’ геометрии.
При создании геометрии в родном формате CAD можно воспользоваться следующими способами, упрощающими дальнейшее построение сеток:
-
Клиенты CAD: STAR-CCM+ предоставляет возможность передачи геометрии CAD прямо из среды CAD в STAR-CCM+ без потери точности для последующего построения сетки и других операций в STAR-CCM+. Это позволяет проводить исследования типа «что - если» с несколькими вариантами конструкции в полностью автоматическом режиме. Кроме того, такая возможность позволяет создавать сетки в знакомой среде CAD, устраняя или уменьшая необходимость передачи или подготовки геометрии далее в STAR-CCM+.
-
Импорт CAD: STAR-CCM+ также имеет возможность импортировать разнообразные родные форматы CAD и PLM, а также преобразовывать их в формат STAR-CCM+ (pull method).
Если необходимо изменить существующую геометрию или создать новую, STAR-CCM+ предоставляет мощный и полностью параметрический твердотельный построитель 3D с поэлементным построением. Инструменты геометрии включают в себя: создание тонкостенных и твёрдых тел, извлечение областей внешнего и внутреннего потока, впечатывание, расширенные параметры геометрии для исследования и оптимизации конструкции.
Мощные инструменты построения сеток
STAR-CCM+ может быстро, легко и эффективно подготавливать и генерировать сетки для самых сложных геометрий. Используя ручные и автоматические инструменты подготовки поверхности, STAR-CCM+ значительно сокращает время подготовки геометрии и построения сеток, от недель и месяцев до нескольких часов.
-
Построение сеток: Методология построения сеток в STAR-CCM+ обеспечивает простую и надёжную автоматизацию всех процессов, от создания начальной геометрии до построения сеток. Каждый шаг в процессе генерации сеток может быть выполнен в последовательном порядке, или же самостоятельно, со стандартным набором пользовательских параметров.
-
Подготовка поверхности: STAR-CCM+ обеспечивает выбор и гибкость при подготовке поверхности для генерации объёмных сеток. Во время подготовки поверхностей доступен обширный набор функций, например, диагностика ошибок, различные манипуляции с базовыми элементами поверхности, идентификация топологии, возможность упрощения модели, Булевы операции, впечатывание на триангулированных поверхностях и т.д.
-
Автоматическое замыкание поверхности: Революционная и непревзойдённая технология STAR-CCM+ замыкания поверхности позволяет пользователям в разы снизить время подготовки поверхности.
-
Создание объёмных сеток: STAR-CCM+ предлагает широкий ряд технологий создания объёмных сеток: построители многогранных, усечённых шестигранных сеток, повышающие точность и эффективность расчёта, построители призматических слоёв для точного описания пограничных слоёв. Для задач с несколькими расчётными областями (например, сопряжённый теплообмен и взаимодействие твёрдого тела с жидкостью) имеется возможность автоматического создания согласованных сеток. Также к технологиям создания объёмных сеток относятся генератор сетки для тонких тел и генератор обобщенной цилиндрической сетки (обобщённый цилиндр).
-
Создание параллельных сеток: STAR-CCM+ имеет специальную технологию построения параллельных сеток, позволяющую в полной мере использовать мощность вычислительных кластеров для построения сеток, вместо последовательного построения сеток, требующего одного вычислительного узла с большим объёмом памяти.
-
Деформация сетки: в задачах взаимодействие твёрдого тела с текучей средой компоненты деформируют и изменяют форму. STAR-CCM+ предоставляет возможность деформации сетки, позволяя, таким образом, смоделировать движение.
Независимо от сложности геометрии, упорядоченный процесс STAR-CCM+ обеспечивает лёгкое создание, изменение, передачу, импорт или подготовку геометрии для генерации высокоточных объёмных сеток с использованием разнообразных инструментов и с учётом всех требований моделирования
2. Решения
Интуитивно понятный процесс определения и решения задач со сложной физикой
После определения топологии задачи с помощью сеточного континуума, описанного в разделе ‘CAD to Mesh’, необходимо определить физический континуум для точного моделирования физики и настройки подходящих параметров по мере развития решения.
На рисунке показан расчёт полёта самолёта F18 на больших углах атаки. Поток вокруг самолёта визуализируется с помощью линий тока, давление на плоскости представлено палитрой в оттенках серого, вихри на законцовках крыла показаны с помощью Изо-поверхностей критерия Q (Q Criterion)
STAR-CCM+ позволяет смоделировать различные режимы потока, включая поток без вязкости, ламинарный, турбулентный (RANS, LES, DES), неустановившийся, несжимаемый, дозвуковой/ трансзвуковой/ сверхзвуковой/ гиперзвуковой. На рисунке показана визуализация постоянных чисел Маха для ракеты Scud.
STAR-CCM+ использует клиент-серверную архитектуру. Сервер выполняет численный расчёт, а клиент используется для его управления и визуализации. Клиент-серверная архитектура позволяет визуализировать результаты, т.к. они генерируются удалённо на кластере HPC.
На рисунке показан расчёт полёта самолёта F18 на больших углах атаки. Поток вокруг самолёта визуализируется с помощью линий тока, давление на плоскости представлено палитрой в оттенках серого, вихри на законцовках крыла показаны с помощью Изо-поверхностей критерия Q (Q Criterion)
STAR-CCM+ имеет технологии решения широкого ряда физических задач с использованием раздельного или сопряжённого решателя. Используя интерактивное дерево с моделями, можно легко определить физический континуум для каждой жидкой или твёрдой среды на интуитивно понятной иерархической основе.
К возможностям физики STAR-CCM+ относятся: 2D, 3D, стационарное состояние, явные и неявные нестационарные схемы, гармонический баланс, сопряжённый теплообмен, излучение, прочность твёрдого тела и др. Программный код позволяет рассчитать невязкие, ламинарные и турбулентные вязкие потоки. К моделям турбулентности относятся: уравнение Навье-Стокса, осреднённое по Рейнольдсу (Reynolds-Averaged Navier-Stokes - RANS), модель крупных вихрей (Large Eddy Simulation - LES), модель отсоединённых вихрей (Detached Eddy Simulation (DES). Также доступны модели неньютоновых жидкостей (Non-newtonian models), помогающие решать задачи из области биологии, пищевой и химической промышленности.
Существуют разнообразные модели расчёта движущихся элементов, например, подвижная система координат (moving reference frame), модель движения твёрдого тела (rigid body motion), модель движения с 6 степенями свободы (6DOF motion), которые позволяют значительно сократить время расчёта. Материалы представлены в виде однофазных, многокомпонентных материалов и многофазной смеси. Для исследования твёрдых частиц, пузырьков газа или капель жидкости доступны модель многофазности Лагранжа и метод дискретных элементов (Discrete Element Method - DEM). Модель Эйлеровой многофазности позволяет рассчитать несколько газообразных или жидких фаз. К другим современным физическим моделям относятся модель горения, свободной поверхности и кавитации, аэро-акустическая модель, модель взаимодействия жидкости с твёрдым телом и др.
После установки физического континуума можно запускать задачу на расчёт. STAR-CCM+ является уникальным кодом, обеспечивающим полное интерактивное управление процессом моделирования. Он позволяет пользователю отслеживать развитие решения по мере выполнения расчёта.
Визуализация потока важна для анализа поведения жидкостей/твёрдых тел, а возможность производить полноценные инженерные данные – это ключевой момент для эффективного сравнения конструкции и проверки на соответствие экспериментальным данным. Помимо инструментов визуализации STAR-CCM+ имеет обширный набор опций для отслеживания решения, анализа данных и создания отчётов.
STAR-CCM+ предоставляет множество инструментов для создания отчётов и динамического отслеживания инженерных данных через рисунки. Виды отчётов варьируются от анализа простых статистических данных до анализа специализированных (узконаправленных) данных. Эти инструменты обеспечивают более быструю сходимость решения с желаемым результатом. Кроме того, анализ данных, выполненный в STAR-CCM+, может быть задан в виде шаблона в файле sim и далее автоматически запускаться через Java.Это обеспечивает надёжные результаты, а также автоматическое создание файлов для отчётов.
3. Пост процессинг
Инструменты STAR-CCM+ для получения превосходных инженерных данных
Успешность расчёта во многом зависит от доступности инструментов для эффективного анализа и представления полученных результатов. STAR-CCM+ специально разработан для предоставления пользователю возможности извлекать и анализировать значимые технические результаты.
На рисунке показана тангенциальная скорость и давление на поверхности вследствие аэродинамических эффектов взаимодействия беспилотников, летящих в непосредственной близости друг от друга.
Расчёт вхождения космического корабля NASA X-34 в атмосферу при большом угле атаки с использованием возможности адаптивной сеткой: STAR-CCM+ предлагает широкий ряд эффективных решателей для различных режимов потока, от низкоскоростного до гиперзвукового, и жидкого континуума (Изображение от TLG Aerospace)
Компания Innovazione использовала STAR-CCM+ для выполнения аэродинамического анализа спортивного мотоцикла. (Рисунок Роберто ди Франческо, Innovazione).
На рисунке показана тангенциальная скорость и давление на поверхности вследствие аэродинамических эффектов взаимодействия беспилотников, летящих в непосредственной близости друг от друга.
Динамические данные
STAR-CCM+ позволяет отслеживать решение на любом этапе моделирования с динамическим обновлением результатов. По мере выполнения расчёта и развития решения пользователь может постоянно отображать данные и на ходу изменять настройки решателя. Это означает, что решение находится под непрерывным контролем пользователя, обеспечивая точность результатов и эффективное использование компьютерных ресурсов.
Эффективный анализ и передача данных
STAR-CCM+ имеет широкий ряд визуальных инструментов, помогающих получить полное представление о конструкции на основе результатов. Простая в использовании интегрированная среда STAR-CCM+ позволяет быстро и без особых усилий пользователя исследовать поток, тепловое поле, электрическое поле и поле напряжений и, соответственно, оценить эффективность конструкции. Программа для 3D просмотра, STAR-View+, обеспечивает обмен данными между всей организацией и может встраиваться в Microsoft Word, Excel и PowerPoint.
Численный анализ
Ключевую роль в пост-процессинге STAR-CCM+ играют инструменты извлечения и анализа технических данных. Отчёты обеспечивают мгновенное отображение числовых данных, в том числе, сил, коэффициентов, статистики и ряда других специализированных данных. Мониторы позволяют создавать отчёты динамического решения посредством запроса поля результатов. Наконец, обширный набор инструментов визуализации, графики, таблиц и манипулирования данными обеспечивает удобный доступ к результатам, включая данные по векторам, линиям тока и ограниченным линиям тока (масляные потоки), изо-поверхностям и контурам, сечениям плоскостью и произвольным сечениям, а также анимации, рисунки 2D&3D и отображатели составных элементов.
