ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ AUTODESK CFD

Интеграция и совместная работа с САПР

В Autodesk CFD используются продвинутые механизмы непосредственного импорта трехмерной геометрии из различных САПР. Имея трехмерную модель, созданную в одной из распространенных CAD-систем, пользователь может открыть ее в Autodesk CFD и использовать как основу для построения расчетной модели.

Кроме того, приложение Autodesk CFD можно интегрировать непосредственно в одну из распространенных САПР (Inventor, Revit, SpaceClaim, PTC Creo, Solidworks и пр.).

Продвинутые инструменты работы с геометрией

Начиная с 2019 версии, подписчики Autodesk CFD имеют доступ к Fusion 360 Ultimate, который позволяет упростить геометрию существующей трехмерной модели и сделать ее более дружественной к созданию расчетной модели. Также с помощью него можно создавать простые трехмерные объекты, анализировать и редактировать существующие модели. С помощью Fusion 360 можно залить отверстия, удалить лишние мелкие детали с модели (фаски, скругления и пр.), которые не влияют на результаты расчета, но их обработка и расчет могут занимать большое количество времени.

Грамотное применение Fusion 360 для подготовки модели способствует формированию качественной сетки и сокращению времени расчета.

Библиотека материалов и компонентов

В состав Autodesk CFD входит полноценная библиотека материалов, веществ и компонентов, которые широко используются в промышленности. Каждый объект библиотеки содержит в себе описание всех своих теплофизических характеристик, что позволяет применять их в формировании расчетных задач. В библиотеке можно найти различные жидкости и газы, пассивные и активные компоненты электронных приборов, устройства для создания систем теплообмена и многое другое.

Библиотека Autodesk CFD полностью открыта, поэтому каждый пользователь может создавать неограниченное число своих материалов и объектов или редактировать существующие.

Простота освоения и использования

При разработке Autodesk CFD был реализован важный принцип – приложение должно быть максимально простым и понятным даже тем пользователям, которые не имеют опыта проведения гидро - и газодинамических расчетов в программных системах. Все элементы интерфейса программы давно стали стандартными и знакомыми по другим продуктам Autodesk, что позволяет легко освоить систему и быстро начать работать в ней.

В Autodesk CFD можно найти большое количество инструментов, упрощающих и ускоряющих работу по созданию задач, проведению расчетов и анализу результатов. Продуманные мастера и диалоговые окна, наглядные инструменты ввода и вывода результатов, средства определения нагрузок и коэффициентов, призваны ускорить работу пользователей. Для первоначального освоения программы доступны пошаговые текстовые видеоинструкции, а полноценная справочная система позволит разобраться во всех тонкостях работы.

Автоматическая генерация расчетных сеток

С одной стороны, генератор расчетной сетки, реализованный в Autodesk CFD, способен избавить пользователя от рутинных процедур, поскольку генерирует очень качественную сетку конечных элементов в автоматическом режиме. С другой стороны, опытные пользователи могут самостоятельно настроить параметры генерации сетки и вручную выделить отдельные зоны, где необходимы особые параметры сетки.

Сеточный генератор способен автоматически выделить области, в которых необходимо реализовать разные виды сеток. Например, для точного моделирования течения в пограничном слое система формирует в нужных областях пристеночный слой из призматических элементов. При формировании сеток в больших объемах система самостоятельно уменьшит размер ячеек в тех местах, где присутствуют мелкие объекты или происходит смена формы или направления потока.

Математический решатель CFD\CFD2

В основе Autodesk CFD лежат два уникальных математических решателя: CFD и CFD2. Решатель CFD разрабатывался с самых первых версий программы и ориентирован на вычисление простых задач. Более новый и продвинутый решатель CFD2 разрабатывался специально для расчета больших задач, содержащих 30-50 миллионов элементов. Он полностью поддерживает многопроцессорные и многопоточные технологии, автоматически распределяет вычисления по процессорам, ядрам и потокам.

Решатели настроены таким образом, что подходят для работы с большинством задач. Однако опытные и продвинутые пользователи могут выполнить тонкую настройку алгоритмов. Например, на выбор доступны разные схемы адвекции, модели турбулентности и многое другое.

В Autodesk CFD реализована поддержка большинства реальных физических процессов:

• моделирование внешних и внутренних несжимаемых и сжимаемых потоков;
• моделирование нестационарных потоков;
• моделирование процессов теплопередачи;
• работа с периодическими граничными условиями;
• моделирование свободного течения жидкости методом свободной поверхности (Volume of Fluid – VOF);
• скалярное смешивание потоков;
• работа с процессами испарения и излучения;
• прогнозирование потенциальных мест возникновения кавитации и эрозии;
• моделирование и анализ солнечного нагрева и нагрева под действием электрического тока;
• средства визуализации дыма;
• расчет и анализ теплового комфорта;
• работа с ротационными машинами (осевые компрессоры, насосы, вентиляторы), теплообменниками, печатными платами, термоэлектрическими компонентами, тепловыми радиаторами;
• поддержка проницаемых материалов.

Высокопроизводительные вычисления

Для тех расчетных задач, в которых используются сложные трехмерные модели с большим количеством элементов сетки или предполагается расчет длительных процессов, в Autodesk CFD реализована технология высокопроизводительных вычислений HPC (High Performance Computing). С помощью нее можно запустить приложение на многоядерной рабочей станции или на вычислительном кластере.

Вычисления в облаке

С помощью Autodesk CFD можно проводить как расчеты на локальном компьютере пользователя, так и в высокопроизводительном облаке Autodesk. Вычисления в облаке позволяют использовать локальный компьютер даже тогда, когда производится расчет, а кроме того, они проводятся гораздо быстрее. Для доступа к облачным вычислениям необходимо иметь действующую единую учетную запись Autodesk ID и оплаченные облачные кредиты Autodesk Cloud Credits. Пользователю достаточно загрузить подготовленную расчетную модель в облако и запустить процесс решения, после выполнения которого все результаты автоматически загрузятся обратно на компьютер.

Моделирование свободной поверхности

В Autodesk CFD реализована поддержка моделирования свободного течения жидкостей методом свободной поверхности VOF (Volume of Fluid). С помощью него можно моделировать и анализировать взаимодействие потока и тела, которое может менять свое положение. Применение такого метода позволяет решать задачи анализа процессов прорыва плотин, наполнения шахт и штолен водой, разлива масла из танкера и другие.

Моделирование потоков с движущимися твердыми телами

С помощью решателя Autodesk CFD Motion пользователи системы могут моделировать и анализировать взаимодействие потока жидкости или газа с телом, которое находится в этом потоке, при этом оно не закреплено или движется по определенному описанному закону.

В Autodesk CFD реализован анализ следующих видов движения твердых тел:

• принудительное движение, заданное пользователем, или движение, создаваемое потоком;
• линейное движение;
• угловое движение;
• комбинация линейного и углового движений;
• комбинация орбитального и углового типов движения;
• анализ нутации;
• поддержка работы с вращающимися лопастными машинами;
• полностью свободное движение тел (6 степеней свободы).

Инструменты анализа результатов вычислений (постпроцессинг)

Пользователи Autodesk CFD имеют в арсенале широкий набор инструментов для анализа полученных в процессе вычислений результатов (постпроцессинг). С помощью средств наглядного представления данных можно легко визуализировать результаты и получить полную информацию об исследуемом объекте.

Плоскости сечений

Чтобы проанализировать значения величин в какой-то определенной плоскости, пользователь Autodesk CFD может создать требуемое количество сечений и настроить для них отображение данных в виде распределения цветовых полей или группы векторов. С помощью цветовых полей можно отображать давление, величину теплового потока, векторы скорости или его проекции на оси, плотность потока, распределение температуры и многое другое.

Визуализация потоков

При анализе потоков жидкостей и газов в Autodesk CFD их направление можно отобразить в виде настраиваемых векторов, меняя их цвет, масштаб и другие параметры. Этот инструмент аналогичен реальной практике проведения исследований, например, в аэродинамической трубе, когда потоки визуализируются с помощью нитей или цветного дыма.

Построение графиков исследуемых величин

В созданной для анализа потока плоскости сечения можно отображать результаты не только в виде цветовых полей или набора векторов, но и построить график, демонстрирующий поведение измеряемой величины в конкретной точке сечения. В случае исследования нестационарных задач можно построить график изменения величины в течение определенного временного отрезка.

Параметры потока в конкретном сечении

Встроенный в Autodesk CFD инструмент Bulk Results позволяет определять и анализировать параметры потоков в замкнутых контурах. Если система обнаружит такие контуры в плоскости сечения, то автоматически вычислит параметры потоков через все обнаруженные сечения.

Визуализация и трассировка движения частиц в потоке

Autodesk CFD отображает траектории движения частиц и тел в потоке с помощью цветных трехмерных кривых. При расчете и трассировке движения для частиц может быть задана масса и включен режим расчета с учетом гравитации, что позволит повысить точность вычислений и получить более реалистичный результат, максимально приближенный к результатам натурных испытаний и поведения в реальных условиях эксплуатации.

Изоповерхности

Для наглядной оценки результата вычислений в Autodesk CFD реализованы инструменты построения изоповерхностей. Изоповерхность – это поверхность, образованная из точек, имеющих постоянное значение исследуемой величины. С помощью них можно оценить не только значение параметров, но и геометрическую форму потока. С помощью цвета на изоповерхности отображаются конкретные значения величин исследуемых параметров.

В анализе результатов решения задач гидрогазодинамики изоповерхности широко применяются для оценки скорости потока, распределения температуры, фронтов давления и многого другого.

Воздействие потоков на твердые поверхности

С помощью Wall Calculator в Autodesk CFD можно вычислять и анализировать силы, которые образуются на твердых поверхностях под воздействием потоков. Список задач, решаемых с помощью этой технологии:

• вычисление аэродинамических коэффициентов на аэродинамических поверхностях;
• вычисление температуры стенки;
• расчет и моделирование теплового потока;
• расчет пленочного коэффициента теплопередачи;
• нахождение крутящего момента вокруг оси и вычисление центра силы.

Данный тип расчета полезен при разработке систем гидротолкателей и гидрокомпенсаторов, систем кондиционирования, вентиляции воздуха и пр.

Выбор оптимального решения с помощью Центра принятия решений

Основная масса расчетных задач гидрогазодинамики не ограничивается выполнением одного единственного варианта расчета. Зачастую для получения более точного и правильного результата требуется вычислить одну и ту же задачу несколько раз по разным сценариям, меняя при этом параметры и исходные данные. Анализ и сравнение полученных результатов для разных вариантов позволит выбрать оптимальный вариант конструкции.

В рамках создания разных расчетных сценариев пользователь может оперировать двумя вещами:

• изменять исходную расчетную модель и анализировать полученные в результате эффекты;
• не изменять расчетную модель, а оперировать изменением параметров моделирования (укрупнять или уменьшать сетку, изменять свойства материалов, определять граничные условия и пр.), а далее анализировать эффекты, вызванные этими изменениями.

Для принятия решения о достоверности того или иного расчетного результата в Autodesk CFD есть специальный набор инструментов в среде «Центр принятия решения».

С помощью команд центра можно легко и быстро сравнивать результаты расчетов нескольких вариантов проекта, при этом пользователь может самостоятельно выбрать параметры и критерии сравнения.

С помощью Центра принятия решения возможно выполнять следующие действия:

• сравнивать результаты вычислений одной и той же задачи по нескольким сценариям;
• извлекать значения параметров, полученных при расчете.

Алгоритм работы центра очень прост. Пользователю достаточно создать объект вычисления в рамках одного сценария и присвоить ему категорию «Результат проекта», после чего система автоматически вычислит значения для этого объекта по каждому существующему в задаче сценарию.

Генератор отчетов

В Autodesk CFD реализован мощный генератор отчетов, с помощью которого можно создавать отчеты любой сложности и содержания.

В отчеты могут включаться данные как самого расчета, так и исходные данные расчетной задачи, данные применяемых материалов, веществ и сред, параметры наложенных сеток и граничных условий. Кроме того, в отчеты можно вставлять данные о настройках системы и решателей.

Автоматизация расчетов с использованием API

В Autodesk CFD реализована поддержка программного интерфейса API, позволяющего работать с программой не с помощью графического пользовательского интерфейса, а программно через обращение напрямую к конкретным командам и операциям. Через открытый API можно решать широкий круг задач, например, автоматизировать рутинные задачи, решать вопросы интеграции Autodesk CFD с другими системами, выводить результаты расчетов в специальные форматы и многое другое.

Для решения разного уровня задач можно выбрать один из поддерживаемых языков:

• QTScript API (Javascript) – простое решения для задач на этапе препроцессинга;
• Python API 2.7 – идеально подходит для автоматизации задач пре- и постпроцессинга.

Продвинутая справочная система пользователя

Справочная система Autodesk CFD – это не просто описание функций, команд и элементов интерфейса, а полноценный, исчерпывающий источник информации.

Что можно найти в справочной системе Autodesk CFD:

• стандартное описание интерфейса и команд программы;
• справочник по теоретическим основам гидрогазодинамических расчетов;
• обучающие примеры в виде текстовых статей и видеороликов;
• рекомендации по оптимальным методам решения задач разных классов;
• сборник упражнений для самостоятельного обучения.

Немаловажно, что система поиска ищет не только по разделам справочной системы, но и по форумам и базам знаний. Часть материалов, находящихся в справочной системе, локализована и переведена на русский язык.

Autodesk CFD в электронике и приборостроении

Главная тенденция в разработке электронных приборов и устройств – миниатюризация и уменьшение габаритов при все больше потребляемой мощности. Как результат – постоянно возрастающие требования к перераспределению температур в устройствах, их охлаждению и отводу лишнего тепла. Анализ тепловых режимов работы устройств на самых ранних этапах проектирования позволяет избежать возникновения потенциальных проблем при реальной эксплуатации и сэкономить деньги на создании прототипов.

Autodesk CFD дает пользователям возможность использовать специальные инструменты, которые упрощают расчет и анализ тепловых режимов электронных изделий. Библиотека компонентов, поставляемая вместе с программой, содержит описание большого числа компонентов, которые чаще всего применяются в электронике и радиоаппаратуре:

• материалы и модели печатных плат, в том числе и многослойных;
• элементы систем пассивного и активного охлаждения (радиаторы, вентиляторы);
• активные компоненты – источники тепла (компоненты электронных схем – микросхемы, транзисторы и пр.);
• прозрачные компоненты (сетки, фильтры и пр.).

В Autodesk CFD разработчики аппаратуры найдут все необходимые для себя инструменты, с помощью которых можно точно описать трехмерную модель, наложить граничные условия, определить исходные данные, создать и указать источники и потребители тепла, смоделировать полноценную систему активного или пассивного охлаждения или нагрева. По результатам расчета поставленной задачи инженер может принять решение о необходимости доработки конструкции или внесении других изменений в проект.

Autodesk CFD в производстве турбин, арматуры и компонентов трубопроводов

Качество, надежность и производительность компонентов гидравлических систем, таких как насосы, клапаны, форсунки и прочих, полностью зависит от эффективного взаимодействия деталей этих устройств с потоками жидкостей и газов. Особенно это важно в разработке компонентов оборудования, работающего под высоким давлением (различная запорная и переключающая арматура, клапаны, дроссели, байпасы и пр.).

Среди распространенных задач, которые можно решить при проектировании таких устройств с помощью Autodesk CFD, можно выделить:

• оптимизацию формы и размеров поперечного сечения проточной части арматуры;
• прогнозирование и предотвращение возникновения кавитации;
• увеличение пропускной гидравлической способности Кv-устройств;
• максимально возможное снижение потерь давления в устройствах;
• оптимизацию динамических характеристик устройств;
• вычисление значений и направлений сил и давлений на компоненты оборудования.

Кроме того, в Autodesk CFD есть все необходимые инструменты для работы с оборудованием, содержащим вращающиеся части. Для таких изделий можно проводить следующие виды расчетов и анализа:

• расчет рабочих характеристик устройств (напор, расход, КПД);
• оптимизацию формы и сечения проточной части, работу с геометрией рабочих колес и геометрией движущихся частей;
• повышение долговечности и износостойкости конструкции;
• максимальное снижение вибрации;
• расчет крутящего момента.

Autodesk CFD в строительстве и архитектуре

Технологии информационного моделирования BIM уже на протяжении многих лет поднимают стандарты качества в строительной отрасли. За это время выполнено большое число качественных, конкурентоспособных проектов, а специалисты получили неоценимый опыт.

С развитием таких технологий растет и сложность проектируемых объектов, сокращаются сроки разработки, возведения и ввода в эксплуатацию зданий и сооружений. Регулирующие и надзорные органы постоянно принимают новые нормы и повышают требования к экологичности, безопасности и энергоэффективности возводимых объектов.

Применение Autodesk CFD в процессе проектирования объектов строительства позволяет быстро и точно оценить характеристики объектов, найти их слабые места и принять решение о необходимости корректировки.

Какие задачи можно решать с помощью Autodesk CFD в этой области:

• анализ ветровых нагрузок;
• энергоаудит зданий и сооружений;
• анализ пожаробезопасности, моделирование процессов распространения дыма и продуктов горения;
• расчет инженерных систем, таких как вентиляция и кондиционирование воздуха, отопление и анализ теплового комфорта;
• количественная оценка эффектов от внедрения технологий энергосбережения и экологичности.

В большинстве случаев использование CFD-моделирования является необходимым условием полноценного внедрения BIM-технологий. На сегодняшний день ни одна расчетная методика не в состоянии представить полную картину по течению потоков снаружи и внутри проектируемых объектов, поэтому становится очевидным, что использование Autodesk CFD при проектировании зданий и сооружений просто необходимо.