Публикации
Ключ к будущему: исследование и оптимизация конструкции
Часто инженерам приходится сталкиваться с более обыденными задачами: как сделать уже существующий на рынке продукт или идею лучше, быстрее, компактнее, легче, дешевле или усовершенствовать каким-либо другим образом. Оптимизация такого рода не столь приятна, как разработка принципиально нового продукта, но она по-прежнему остаётся чрезвычайно важной для технического прогресса. Сравните, к примеру, последние модели сотовых телефонов с самыми первыми мобильниками, или современные ноутбуки с электронным цифровым интеграторами и вычислителями. Тогда вы поймёте, какую роль оптимизация играет для всего мира, не говоря уже о покупателях, которые не жалеют денег на приобретение самых последних версий продукта, даже если они отличаются от предыдущих моделей совсем незначительно.
ПРИМЕР: ПРОСТОЙ ТЕПЛООТВОД (РАДИАТОР)
Большинство инженеров знает, что оптимизация даже небольшого числа показателей может быть дорогостоящей, занимает много времени и бывает мучительно трудной. Случается и такое, что на попытку оптимизировать продукт тратятся миллионы, а нужного результата удаётся достичь лишь частично. CD-adapco предлагает инструмент, который переворачивает эту парадигму «с ног на голову».
Чтобы продемонстрировать возможности оптимизации в области электронной промышленности, CD-adapco выполнило расчёт простого радиатора с использованием модуля Optimate+ в связке с программным кодом STAR-CCM+. Радиатор имел следующие исходные параметры:
Сегодня с повышением требований к эффективному использованию топлива и контролю выбросов выхлопных газов растёт спрос на турбокомпрессоры...
Несмотря на строгое разделение светодиодов по прямому напряжению, допускаемые производственные отклонения могут вызывать серьёзные расхождения в потребляемом токе и температуре внутри диодов...
С учётом этих требований твердотельный построитель STAR-CCM+ 3D-CAD позволил без труда построить модель радиатора. Используя ряд ограничений для надёжного и логичного решения, компания CD-adapco создала моделирование, позволяющее быстро и без особых усилий пользователя проверить тысячи различных конфигураций радиатора с сотнями наиболее вероятных условий (режимов) его работы. На рисунке 1 показано три конфигурации радиатора, полученные таким способом.
Рисунок 1. Геометрия трёх конфигураций радиатора, созданная с использованием модуля Optimate+
После разработки конструкции радиатора к работе подключился модуль Optimate+. Программный код предоставил модулю необходимые данные о допустимом диапазоне переменных толщины основания, высоты изгиба (высота, на которой происходит резкий изгиб пластины), угла изгиба, а также количества и ширины пластин. Для работы с другими функциями задачи был написан небольшой Java код. Возможность простого кодирования определённых функций является существенным преимуществом при оптимизации радиатора. Сам код был тривиальным; даже начинающие кодеры могут быстро научиться писать скрипты Java для STAR-CCM+.
Всю остальную работу взял на себя модуль Optimate+. Optimate+ был разработан в сотрудничестве с компанией Red Cedar Technology, партнёром CD-adapco, которая позволила напрямую использовать свой междисциплинарный инструмент оптимизации HEEDS в STAR-CCM+. Он быстро «прокручивает» сотни возможных потенциальных вариантов конструкции, используя гибридный, прогрессивный, адаптивный параллельный алгоритм SHERPA (Simultaneous Hybrid Exploration that is Robust, Progressive and Adaptive). Этот алгоритм позволил Optimate+ быстро определить наилучшие из возможных конфигураций (всего было сделано 100+ запусков в течение двух дней на 80 общих процессорах) в автоматическом режиме. Optimate+ выполнил точную настройку и расчёты без участия пользователя, кроме установки переменных и количества запусков в оптимизационном процессе. Даже данные для пост-процессинга для каждого запуска были заданы автоматически, исключая утомительную работу и позволяя детально исследовать результаты выполненной оптимизации модулем Optimate+.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Целью исследования было свести к минимуму тепловое сопротивление и массу радиатора. Несмотря на то, что одно может противоречить другому, метод SHERPA Pareto позволил свести к минимуму одновременно оба показателя. Таблица 1 показывает оптимальные показатели конструкции радиатора при различных скоростях потока. Столбец «Производительность» означает оценку эффективности конструкции методом SHERPA с соизмерением теплового сопротивления и массы и определёнными оптимизационными вычислениями. Как видно из Таблицы 1, сильное падение (на 90%) теплового сопротивления резко повышает производительность радиатора, несмотря на увеличение массы чуть более 15%.
Первое, что бросается в глаза по результатам оптимизации, это то, что при любой скорости потока наиболее эффективны минимальная толщина основания и минимально возможная толщина пластин. Это и понятно, т.к. в этом случае уменьшается масса радиатора, и появляется больше пространства для теплопереноса. Кроме того, максимальный угол изгиба пластин оказался наиболее эффективным для всех трёх оптимизированных конфигураций, хотя это условие и не является универсальным. Таблица 2 показывает десять наилучших результатов со скоростью потока 3 м/с.
Таблица 1. Характеристики оптимизированных конструкций радиатора
Таблица 2. Десять наилучших конфигураций радиатора при скорости потока 3 м/с
Очень важно, что Optimate+ позволил определить, что по мере увеличения скорости потока увеличивается оптимальное число пластин для радиатора. В идеальном случае охлаждения пограничные слои для каждой пластины должны просто прикасаться на выходном конце пластин. При низкой скорости потока пограничные слои между пластинами толще, тем самым оптимальное охлаждение получается при минимальном количестве пластин, в то время как при более высоких скоростях из-за более тонких пограничных слоёв нужны более тонкие зазоры между пластинами, что означает увеличение количества пластин при том же размере радиатора. Результаты оптимизации наглядно демонстрируют увеличение количества пластин по мере увеличения скорости воздушного потока, а также резкое снижение теплового сопротивления.
Рисунки 2-4 показывают температуру и поток воздуха после оптимизации.
Рисунок 2. Дальний план профиля скорости воздушного потока вокруг радиатора
Рисунок 3. Профиль температуры радиатора и окружающего воздуха
Рисунок 4. Профиль скорости воздушного потока, проходящего через пластины радиатора
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Как Вы можете догадаться, потенциальные области применения полученных результатов практически безграничны. Уже сейчас многие компании используют STAR-CCM+ для численного исследования и усовершенствования своих разработок до создания их физического прототипа; чаще всего, требуется построить лишь один физический прототип. Optimate+ и SHERPA позволяют автоматизировать большую часть оптимизационной работы.
Только представьте себе пассажирский самолёт, разработанный путём ввода переменных в программу и нажатия одной кнопки! Или созданное таким же образом архитектурное здание с оптимальными условиями комфорта, где каждая комната имеет оптимальную температуру без «холодных зон». Представьте себе разработанный всего за несколько дней современнейший суперкомпьютер, компактный и потребляющий мало энергии. Куда ещё Вас может завести Ваше воображение?
-
Квадратное основание - 40 мм
-
Общая высота - 10 мм
-
Радиатор имеет 3-8 пластин с резким изгибом на различной высоте, угол которого растёт от середины к концу. Угол изгиба не может превышать 70 градусов
-
Пластины устанавливаются на равном и разумном расстоянии друг от друга
-
Толщина основания может изменяться до 8 мм
-
Необходимо выполнить расчёты для разных скоростей воздушного потока (1, 3, 5, 8 и 10 м/с).
