Сравнение CFD-решений, интегрирующихся с CAD

Внедрение инженерных расчетов в цикл разработки изделия вполне оправдано – они помогают снизить затраты при работе с конструктивными изменениями. Но непросто сделать CFD-анализ доступным внутри интерфейса трехмерных CAD-программ. По большому счёту, присутствие CFD в интерфейсе CAD не дает никаких новых или расширенных возможностей для сложных задач гидрогазодинамики по сравнению с отдельными CFD-решениями. Речь идет об упрощении и подготовки геометрии, извлечении области жидкости из твердого тела, обеспечении точности моделирования посредством высококачественного разбиения на конечные элементы и настройки точности CFD-решения. Поэтому утверждения, что интеграция с CAD дает выдающиеся преимущества за счет указанных свойств, ошибочны.

Однако, среди тысяч пользователей, которые занимаются расчетом потоков и обладают скромным бюджетом на проектирование, эти решения популярны. Следует отметить один особенно полезный аспект CFD-решений, встроенных в CAD, – их потенциал для проведения параметрических исследований и оптимизации.

Подробнее разобраться в реальных преимуществах встроенных решений для инженерного анализа поможет сравнение лидеров этого сегмента: SolidWorks Flow Simulation от Dassault Systèmes и Autodesk CFD от Autodesk, а также относительного новичка – Discovery Live от ANSYS. Другие САПР частично интегрировали возможности автономного ПО с помощью плагинов.

SOLIDWORKS FLOW SIMULATION

SolidWorks Flow Simulation можно считать самой CAD-встроенной CFD-программой в этом классе. Для запуска моделирования гидрогазодинамики в интерфейсе SolidWorks присутствуют специальные пункты меню, а значит, нет необходимости запускать для этого отдельное приложение. Объемы геометрии, извлеченные для CFD-анализа, и граничные условия, необходимые для CFD-моделирования, напрямую связаны с трехмерными поверхностями геометрии SolidWorks, что исключает необходимость переопределения настроек модели для экспериментов с простыми изменениями геометрии. Разработчики SolidWorks, видимо, ориентировали это решение на проектировщиков промышленного оборудования и электроники, то есть на тех, кто не имеет опыта в области гидродинамики, численного анализа или CFD.

Базовый интерфейс и рабочий процесс

После включения надстройки Flow Simulation в SolidWorks в дереве модели появляется дополнительная одноименная вкладка, нажатие на которую открывает «мастер» в верхней части панели инструментов. Он помогает пользователю выбрать физический процесс для моделирования, например, определиться между моделированием несжимаемой или сжимаемой жидкости. Если выбран внешний поток, на следующем шаге пользователю будет предложено выбрать размер его характеристики. После завершения работы «мастера» дополнительные настройки, включающие спецификацию граничных условий, создание сетки, моделирование и постобработку, выполняются в основном графическом интерфейсе пользователя, а рабочий процесс, как правило, выполняется сверху вниз на панели слева.

Возможности моделирования физических процессов

За последнее десятилетие возможности SolidWorks Flow расширились настолько, что теперь она во многом способна конкурировать с ведущими автономными CFD-программами. ПО хорошо справляется с основными задачами, включая возможность моделирования многокомпонентных жидкостей или газов, стационарных и нестационарных потоков, предоставляет встроенную базу данных материалов и достойных инструментов предварительной и последующей обработки. Пользователям также доступны несколько расширенных функций, включая отслеживание частиц Лагранжа в дисперсной фазе, физику движущейся системы отсчета, излучение, модели свободной поверхности объема жидкости (VOF), физику пористых сред, физику сжимаемого потока и сопряженную передачу тепла с твердыми телами. Некоторые дополнительные функции SolidWorks Flow включают в себя физику скалярного переноса, Эйлеровы многофазные потоки, физику реагирующего потока, выбор модели турбулентности, динамические взаимодействия жидкости и тела (DFBI), физику изменения фазы, двустороннюю связь Лагранжевой фазы с дисперсной фазой, модель распыления и модель капель, а также расширенные настройки решателя и элементы управления.

Подготовка геометрии и создание сетки

В целом, процесс подготовки 3D-модели с помощью SolidWorks Flow Simulation очень схож с тем, который используется для импорта в автономный пакет CFD. Сложные 3D-модели должны быть упрощены путем подавления деталей, ненужных для анализа, и объединения общих твердых тел для устранения лишних пересечений. Затем извлекается область жидкости путем идентификации водонепроницаемого набора поверхностей, определяющих её объем. Часто неоднородная геометрия препятствует определению этого объема и нуждается в корректировке. Небольшие объемы могут требовать устранения до создания сетки, чтобы избежать излишне больших вычислительных требований к ней. Инструменты «Проверка модели» и «Очистка CAD» полезны, но чаще всего требуется значительное вмешательство пользователя для устранения проблемных участков геометрии, а затем их восстановления в родной среде 3D-модели.

Когда получен водонепроницаемый объем, можно выполнить разбиение на конечные элементы. Инструменты создания сетки в Flow Simulation призваны упростить этот процесс для пользователя, ограничивая количество необходимых входных данных. Допускается только гексагональная сетка без параметров призматического пограничного слоя. Плотность сетки «по умолчанию» назначается с помощью ползунка числовой шкалы. Базовый уровень пользовательского размера сетки определяется через настройки сетки для всех режимов жидкость/твердое тело, для отверстий между смежными поверхностями или для определенных пользователем пространственных объемов. Инструмент адаптивного уточнения позволяет программе во время моделирования корректировать уточнение сетки  на основе решения переменных градиентов, если это необходимо. Комбинация этих методов, как правило, даёт среднее или низкое качество сетки. Для его повышения необходимо уменьшить размер элемента. К сожалению, создание сетки не обладает преимуществами многоядерных компьютерных архитектур.

Расчет

SolidWorks Flow использует решатель конечных объемов, который, как показало пристальное рассмотрение, довольно неэффективен. Решение соответствующих уравнений сохранения массы и энергии на основе конечного объема уже давно является отраслевым стандартом. Позже вы увидите сравнение его с другими методами, такими как метод конечных элементов (FEM) и решетчатый метод Больцмана (LB). Распределение вычислений решателя по ядрам допустимо, но неэффективно по сравнению с распараллеливанием других пакетов ПО, рассматриваемых в этой статье, что приводит к меньшему, чем линейное, сокращению времени вычислений с дополнительными ядрами. В одном примере моделирование в SolidWorks требовало от 4 до 100 раз больше времени, чем сопоставимое моделирование, выполненное в ANSYS Fluent. Результаты при этом были менее точными.

Одной из особенно приятных особенностей моделирования потока является встроенная возможность многопараметрической оптимизации. Этот инструмент позволяет выбрать геометрию 3D-модели или параметры моделирования в качестве входных переменных, определить диапазоны изменения переменных и целевые величины, представляющие интерес для оптимизации. Затем пользователь может использовать схему экспериментов для создания поверхности отклика и градиентных методов, чтобы ориентироваться на локальный оптимум.

Постобработка

Постобработка в SolidWorks Flow, хотя не является впечатляющей и не соответствует уровню ведущих автономных CFD-решений, все же выигрывает от внедрения в Solidworks с его усовершенствованным визуальным подходом к представлению 3D-информации. Доступны типовые векторные, контурные, обтекаемые и изоповерхностные графики, а также экспорт данных в формате Excel. Выходные данные могут быть изображены прямо рядом с собственными 3D-моделями, что делает создание высококачественной графики менее трудоемкой, чем попытка собрать вместе изображения в сторонних инструментах, таких как Adobe Photoshop.

Рисунок 1 – Визуализация расчета в SolidWorks Flow при совмещении с исходной геометрией

Использование

Моделирование может выполняться на любом количестве ядер, но улучшения производительности ограничены.

AUTODESK CFD

Autodesk приобрела компанию Blue Ridge Numerics в 2011 году, и вскоре после этого программный продукт, ранее известный как CFdesign, был переименован в Autodesk CFD. Чисто технически Autodesk CFD не встроен в CAD, поскольку для его запуска из рабочего пространства Inventor или Fusion 360 требуется отдельное приложение. Но это решение все еще относится к категории CAD-встроенных, потому что связь между файлами расчета и исходной 3D-моделью может поддерживаться путем выполнения определенных действий. Можно с уверенностью сказать, что Autodesk CFD предназначен в основном для представителей электронной и архитектурной промышленности, что имеет смысл, учитывая масштабное присутствие в этих отраслях других продуктов Autodesk.

Базовый интерфейс и рабочий процесс

Autodesk CFD можно запустить напрямую из Inventor и других 3D-САПР или автономно. При запуске из CAD-пакета 3D-модель помещается непосредственно в CFD-пространство с сохранением ассоциативных связей. Таким образом, при введении конструктивные изменений модели в CAD и перезапуске её в CFD, ПО автоматически обновляет параметры, согласно исходной модели. Эта ассоциативность обеспечивает согласованность между моделями и сокращает время настройки, необходимое для последующих итераций проектирования.

И наоборот, можно импортировать геометрию файла CAD непосредственно в Autodesk CFD (.x_t, .sldprt, .sldasm, .step, .iges, and .3dm и т.д.). Во время импорта может быть активирован инструментарий оценки модели, который инициирует серию тестов для поиска возможных проблем в геометрии, таких как мелкие элементы, зазоры и пересечения. Инструментарий выявляет эти ошибки, но не исправляет их. Это значит, что пользователю необходимо внести исправления в исходную модель, а затем снова запустить тест.

В остальном рабочий процесс в Autodesk CFD очень напоминает SolidWorks. Правда существуют некоторые моменты, которые хочется улучшить. Например, приходится часто переключаться между инструментами выделения поверхности и объема при назначении геометрических объектов объектам моделирования. Другой пример – необходимость назначения на одной поверхности отдельно нескольких граничных условий, например, температуры и скорости, вместо задавания комбинированного граничного условия.

Возможности моделирования

Autodesk CFD охватывает большинство базовых функций автономных программ, включая возможность моделирования многокомпонентных жидкостей или газов, стационарных или нестационарных потоков, предоставляет встроенную базу данных материалов и достойные инструменты предварительной и последующей обработки. Список возможностей, доступных в пакете Autodesk CFD Ultimate немного шире, чем в Solidworks Flow, и представляет собой набор дополнительных функций, таких, например, как более широкий диапазон моделей турбулентности.

Подготовка геометрии и создание сетки

Расчет в Autodesk CFD основан на конечных элементах. Поверхностные сетки являются треугольными, а объемные элементы – тетраэдрическими по умолчанию. Инструменты для создания сетки позволяют назначать плотность сетки с помощью ползунка. Уточнение отдельных поверхностей или областей также возможно. Инструментом «Авторазмер» можно пользоваться в том случае, если вы готовы полагаться на удачу. Призматические слои в пограничном слое твердых поверхностей могут быть получены при активированной опции «Приграничный слой». Однако всегда помните, что толщина призматического слоя должна соответствовать выбранной модели турбулентности.  

Одной из самых приятных функций, связанных с сеткой, является инструмент обтекания поверхности, который можно использовать, чтобы определять область для моделирования внешнего потока, то есть для испытаний в аэродинамической трубе.

Рисунок 2 – Конечно-элементная модель Autodesk CFD

Расчет

Autodesk CFD является чем-то вроде изгоя в сообществе CFD, поскольку он использует решатель на основе конечных элементов. Устоявшаяся критика применения этого метода к уравнениям Навье-Стокса заключается в том, что он может быть менее точным и менее эффективным, чем метод конечных объемов.  Испытания подтвердили, что Autodesk CFD медленнее, чем лучшие в своем классе решатели на основе конечных объемов, и незначительно медленнее, чем SolidWorks Flow Simulation, при работе на сопоставимых сетках.

Постобработка

Учитывая, что CFD был разработан независимо от других инструментов Autodesk и до сих пор является автономным продуктом, неудивительно, что он отличается от хорошо проработанных средств визуализации, доступных в Inventor и Fusion 360. Преданные пользователи могут только надеяться, что Autodesk CFD в конечном итоге будет использоваться одной или обеими этими платформами.

Лицензирование и использование

В настоящее время Autodesk CFD Premium и CFD Ultimate доступны в виде годовой подписки. С помощью этой подписки пользователь также получает доступ к Fusion 360. Кроме того, можно приобрести подписку Autodesk Inventor, если вы предпочитаете более традиционное ПО для 3D-моделирования. Моделирование может быть выполнено на любом количестве физических ядер, к которым у вас есть доступ, но есть один важный нюанс. Как правило, вычисления методом конечных элементов не масштабируются линейно с числом процессов. По собственному признанию Autodesk, пользователи могут ожидать только 20%-ного ускорения при переходе с 4 на 8 процессоров и 10%-ного ускорения при переходе с 8 на 16. Кроме этого Autodesk предоставляет возможность облачных вычислений, но и этот вариант не сулит значительного улучшения производительности.

ANSYS DISCOVERY LIVE

Удивительно, насколько нехарактерным для ANSYS оказался продукт Discovery Live и его использование. Компания, ранее утверждавшая, что для получения точных результаты CFD необходимо серьезное программное обеспечение, теперь утверждает, что вспомогательный характер ПО важнее точности. По их словам, симуляция должна снова стать чем-то несерьёзным. Теперь можно видеть приблизительные результаты от изменений дизайна с каждым щелчком мыши.

Пользователей могут привлечь два аспекта. Во-первых, все модели решетки Больцмана по своей природе зависят от времени и, таким образом, вполне естественно приводят к гораздо более привлекательным визуализациям потока, демонстрирующим нестационарное поведение. Такие визуализации говорят об интуитивном понимании того, что жидкости ведут себя далеко не так статично, как говорят бесконечно усредненные по времени результаты CFD, которые большинство пользователей привыкло видеть. Второе – это легкость, с которой изменение геометрии может отражаться на расчете. Discovery Live – это совершенно особенный организм, в котором вычислительная область может перестроиться на лету.

Эта возможность, в худшем случае, является новым и красивым использованием технологии прямого 3D-моделирования, а в лучшем – прорывом, который станет примером для всех будущих CFD-программ. Последнее окажется верным, если ANSYS изобрели масштабируемый подход к созданию сетки, которая в настоящее время способна создавать структуры в реальном времени при изменение геометрии.  Почему это так важно? Если технология может производить сетку в реальном времени сейчас, можно разумно ожидать, что с дальнейшими улучшениями аппаратного обеспечения GPU, тонкие решетки будут активно развиваться и дальше.  Кроме того, методы решетки Больцмана, хотя и не такие надежные, как методы конечных объемов, но имеют потенциал быть такими же точными, если продолжат развиваться. 

Поскольку эта технология слишком нова и дает весьма реалистичные результаты, в ближайшее время ее будут использовать только профессионалы и исследователи. Здесь нет полного анализа рабочего процесса, вы просто можете найти и посмотреть живую демонстрацию. Также на Discovery Live можно приобрести годовую подписку, но понадобится выдающаяся видеокарта для выполнения постобработки.