Порядок работы с программным комплексом

Рассмотрим особенности работы с программно-вычислительным комплексом "Тепломеханика", предназначенного для проведения численных исследований процессов газодинамики на этапах создания перспективных конструкций реактивных комплексов и в процессе их модернизации с целью повышения эффективности проектирования и сокращения сроков разработки.

В процессе лабораторных работ будем рассматривать двумерные плоские и осесимметричные процессы газодинамики, внутренней баллистики. Для моделирования таких процессов предназначены программы Gas2 u Viz2. Последовательность моделирования включает следующие этапы.

Формирование исходной геометрии:

На данном этапе осуществляется построение контура и дискретизации исследуемой области течения в требуемом объекте при помощи программы Viz2, совместимой с программой Gas2 и являющейся приложением к ней. Процесс формирования дискретной модели геометрии, реализуемый препроцессором, выполняет следующие функции:

- производит автоматизированное вычисление координат узлов элементов, в соответствии с чертежом конструкции;

- создает ансамбль КЭ, заменяющий реальную конструкцию и управляет графическим выводом геометрии модели на монитор ЭВМ;

- выполняет нумерацию КЭ и их узлов в ансамбле;

- определяет связь узлов в общей композиции КЭ с нумерацией, принятой внутри каждого КЭ.

- определяет границы исследуемой области, на которых будут формироваться граничные условия различных типов;

- сохраняет нумерацию КЭ, матрицу связи узлов, номера точек границ, номера слоев.

Формирование граничных и начальных условий представляет собой присвоение требуемых значений заданному подмножеству векторов узловых параметров.

Порядок работы с программой “Viz2”:

 Сразу после входа в главное окно необходимо воспользоваться значком "Ввод контура", выполненным в виде изображения карандаша, рисующего линию, и задать координаты области контура (координаты Х – горизонтальная, и У – вертикальная).

 Вести эскиз требуемого контура при помощи мыши, нанеся нужное количество узловых точек.

 Затем провести точную коррекцию узловых точек с помощью кнопки со значком "Перемещение узла", скорректировав узлы строго по координатам (правой клавишей мыши).

 При необходимости можно добавить некоторое количество узлов в обозначенный контур (для более точного изменения формы некоторых его элементов, например для скругления каких-либо углов), или удалить лишние узлы (например, поставленные по ошибке) при помощи кнопок со значками Добавление узла или Удаление узла.

 После построения контура, полностью удовлетворяющего требованиям задания, обязательно необходимо сохранить контур, как отдельный файл, воспользовавшись в меню Файл функцией Сохранить как, чтобы при необходимости воспользоваться им снова.

На изображении 4 представлен в качестве примера контур сопла. На этом же изображении можно посмотреть, как выглядит окно при работающей программе “Viz2”.

Рис. 4. Пример ввода контура сопла.

 Далее требуется провести дискретизацию построенного контура. Она выполняется с помощью кнопок со значками дискретизации (кольцевой области, прямоугольной области, произвольной области со ступенчатой или линейной аппроксимацией границ) – см. рисунок 5. Здесь требуется введения числа элементов по координатам Х, и по У.

Примечание: выбор числа элементов должен исходить из обеспечения двух противоречивых требований – с одной стороны требуемой точности решения, а с другой – ограничения по быстродействию и памяти вычислительной машины.

Рис. 5 Пример дискретизации исходной геометрии.

После дискретизации можно воспользоваться следующими вспомогательными возможностями, нажатием соответствующих кнопок:

 Информация о параметрах сетки. Параметры выдаются на правом поле экрана.

 При необходимости можно показать номера узлов, номера элементов; показать узлы, центры элементов; показать только контур области; наложить контур на созданную сетку для проверки точности полученной дискретной геометрической модели объекта; увеличить, или уменьшить изображение геометрии, либо сделать его в размер окна.

 Необходимым этапом построения геометрической модели является задание границ, на которых будут формироваться граничные условия. Для этого требуется наложить с помощью кнопки "Ввод границ" необходимое количество границ, требующееся для рассмотрения моделируемых процессов. Границы можно просмотреть при помощи специальной кнопки со значком “Просмотр границ” и перенумеровать нажатием правой клавиши мыши в информационном окне на соответствующей линии границы.

 При необходимости определяются, точки, в которых должны быть построены графики изменения параметров во времени. Ввод элементов и узлов для построения графиков изменения параметров в зонах, интересующих исследователя, осуществляется командой "Ввод точек для графиков".

 Можно ввести необходимое количество подобластей в область газодинамического процесса при помощи соответствующего значка “Ввод областей”. Ошибочно введённые подобласти можно удалить при помощи значка “удаление областей”, и заменить их новыми. Для просмотра подобластей можно воспользоваться соответствующим значком, при этом они изображаются разными цветами.

 После этого можно выполнить сглаживание (оптимизацию) сетки (соответствующий значок, при котором открываются функциональные значки “Указание группы”, и “Указание по одному”, позволяющие работать с каждым элементом отдельно).

 Если в исследуемой области должны быть полости, внутренние каналы, и т.д., то их можно отобразить в конструкции с помощью значка “удаление элементов” поэлементно, или целыми областями.

Примечание: Если удаление элементов будет произведено после задания границ и точек графиков, то их необходимо задать вновь!

 После создания сетки целесообразно осуществить ее проверку при помощи соответствующего значка “Проверка сетки”. Если сетка была построена с ошибками, программа укажет на них.

 Сохранить построенную конструкцию, дискретизированную соответствующим образом, как файл с расширением “*.geo” – файл геометрии. Именно этот файл и будет использоваться при проведении дальнейшей работы с программой моделирования газодинамики "Gas2”.

Введенная геометрия впоследствии может быть отредактирована. Возможны различные операции редактирования построенной геометрической модели: удаление и добавление элементов, перемещение узлов, оптимизация формы и нумерации узлов и т.д.

Порядок работы с программой “Gas2”:

 Перед началом моделирования газодинамического процесса необходимо создать файл данных (расширение “*.dan”), имеющий название, совпадающее с названием файла соответствующей геометрии “*.geo”. Делается это при помощи меню “Файл” в верхнем поле экрана и её функции “Новые данные” или соответствующего значка.

 Задаваемые по умолчанию данные нужно отредактировать, как того требуют условия задания. Данные эти разнообразны:

 Начальные условия. Это давление, температура, скорости потока в области в начальный момент времени, тип системы координат.

 Граничные условия (границы). Здесь необходимо задать число границ, (оно должно быть равно числу границ, заданных в файле “*.geo”), а также число табличных моментов времени для задания граничных условий.

На этом этапе необходимо произвести ввод типов границ и их параметров. В программе широкий набор типов границ:

- перетекание газа через границу в зависимости от перепада давления;

- перетекание газа через границу с заданными параметрами;

- вытекание и втекание газа с параметрами в области перед границей;

- вытекание газа с параметрами перед границей, втекание со средними параметрами;

- вытекание газа с параметрами перед границей, втекание с параметрами за границей;

- прилипание к поверхности;

- поверхность для вычисления действующей силы, или момента;

- поверхность для вычисления расхода газа;

- поверхность для вычисления расхода к-фазы.

 Для случаев многокомпонентноых газовых потоков требуется задать соответствующие параметры для каждой из рассматриваемых компонент, войдя в окно "компоненты потока".

 Для случаев многофазных газовых потоков требуется задать соответствующие параметры для каждой из фаз, войдя в окно "к-фаза".

 На странице "Вязкость" задаются параметры модели турбулентности.

 Подготовка исходных данных для расчетов заканчивается вводом ряда вспомогательных параметров моделирования: задание шагов интегрирования и вывода результатов по времени, определением значений изолиний и цветовой гаммы представления полей параметров, способом сохранения результатов и ряда других.

Примечание: Шаги интегрирования по времени должны быть достаточно малы (порядка 1.0*10-5 – 1.0*10-8;), иначе устойчивость расчёта будет нарушена (в открытом проекте при наведении курсора на поле ввода шага интегрирования появляется подсказка рекомендуемой величины).

 Обязательно нужно сохранить созданный файл данных (при помощи соответствующего значка с изображением дискеты – “Сохранить”) с расширением (*.dan). Этот файл должны быть сохранен в той же папке, что и файл геометрии.

 После создания файла данных необходимо воспользоваться значком “Открыть существующий проект”. Здесь требуется одновременно открыть файлы геометрии и данных. Если появится необходимость в редактировании геометрии, её можно провести непосредственно из программы Gas2 при помощи значка “Редактирование сетки проекта”.

Примечание: Геометрия исследуемой области отображается на экране с задержкой, так как требуется время для считывания информации, определяемое быстродействием компьютера, на котором осуществляется работа с программой.

 После завершения всех подготовительных операций, можно запускать расчёт при помощи соответствующего значка “Расчёт” в виде треугольника.

 В процессе расчёта можно пользоваться такими возможностями, как:

* Представление процесса расчёта в виде цветовых палитр, изолиний, в виде векторного представления, а также в виде представления с наложением векторов (этим представлением можно пользоваться только при достаточно крупной дискретизации). Возможно представления различных параметров в виде графиков. Эти режимы показаны значками в верхнем поле экрана. Это давление, скорость, температура, плотность газа, силы и моменты, действующие на конструкцию, а также расход газа и концентрация компонентов газа. Если течение многофазное, то можно посмотреть поведение параметров к-фазы – расход, скорость, и концентрация К-фазы.

* Если в процессе расчёта возникнет необходимость более детального рассмотрения поведения рабочего тела в интересующих областях (например, в рециркуляционных зонах), то это можно сделать при помощи таких значков, как “показать область крупным планом”, “увеличить изображение”, “уменьшить изображение”, “сдвиг изображения”. Для восстановления общего вида конструкции необходимо воспользоваться соответствующим значком “изображение в размер окна”, или “масштаб изображения”.

Моделирование стационарных задач осуществляется методом установления, при этом необходимо вести расчет до того момента, пока решение не стабилизируется.

Общие замечания.

 Быстродействие и память персонального компьютера имеют ограничения, поэтому, при достаточно высокой степени дискретизации время расчёта может быть достаточно продолжительным. В связи с этим степень дискретизации необходимо увязывать с возможностями конкретной вычислительной машины.

 Расчёт может создать файл результатов очень большого объёма, если задано условие "создать полный файл результатов", поэтому при решении стационарных задач можно ограничиться файлом точки останова. Для этого нужно выбрать соответствующую настройку расчёта, пометив галочкой опции “продолжение расчёта”, и “создать файл точки останова”.

 Процесс расчёта можно приостановить при помощи значка “пауза”, и вывести интересующую цветовую картину или график, ”застывшую” на экране. При помощи клавиши “Print Screen” на клавиатуре компьютера и любого графического редактора можно сохранить этот рисунок в графическом формате для последующего использования.

 При помощи значка "Просмотр результатов" и в случае сохранения полного файла результатов можно просмотреть в быстром режиме фильм об истории ранее смоделированного газодинамического процесса.

 В программе имеется еще целый ряд вспомогательных возможностей, с которыми можно легко познакомиться с помощью динамических подсказок.