ПРИМЕНЕНИЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ВЕРСИЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАКЕТОВ “FLOWVISION” И “FLUENT” В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Шаптала В.В., канд. техн. наук, ст. преп.
Белгородский государственный технологический
университет им. В.Г. Шухова

В последнее время математическое и компьютерное моделирование превратилось в одну из самых эффективных информационных техноло-гий, определяющих развитие передовых отраслей науки и техники.

Свидетельством этого является появление пакетов прикладных программ для численного моделирования газодинамических и тепло-массообменных процессов, которые широко используются в инженерной практике зарубежных компаний и активно пропагандируются через Интернет.

Среди таких программных продуктов, позволяющих рассчитывать, визуализировать и оптимизировать широкий спектр технологических процессов, следует прежде всего выделить пакеты “FlowVision” и “Fluent” предназначенные для решения задач механики жидкости и газа. Применение этих пакетов освобождает пользователя от необходимости овладения тонкостями вычислительной математики, а также изнури-тельной работы по созданию численных алгоритмов и программ для их реализации [1], позволяя сосредоточить все внимание на поиске наиболее эффективных технических решений.

Приведем краткий список задач, решаемых методами вычислительной гидродинамики с использованием коммерческих программ:

1. Технологические процессы производства материалов:
   
• моделирование литья металлов и пластмасс в форму;
• моделирование физико-химических процессов в химических и биологических реакторах;
2. Строительство:
   
• расчет ветровых нагрузок на здания и сооружения
• вентиляция и пожаробезопасность зданий
• определение сопротивлений воздуховодов и водо-раздаточных устройств;



Рис. 1. Распределение концентрации горючего в осевой плоскости газовой горелки.



Рис. 2. График вдоль окружности концентрации газа в смесителе. Вдув газа производится только через левый вход.

3. Энергетика:
   
• расчет горелок для сжигания топлива в котлах ТЭЦ;
• расчет выбросов оксидов азота котлами ТЭЦ;
• определение сопротивлений газоходов;
4. Экология и чрезвычайные ситуации:
   
• моделирование распространения загрязнений в водо-воздушных бассейнах;
• моделирование распространения пожаров в лесах и городах.

  Процесс расчета течения жидкости включает в себя следующие шаги, выполняемые пользователем:

1. Создание области расчета;
   
2. Задание математической модели изучаемого процесса;
   
3. Задание граничных условий;
   
4. Задание сетки;
   
5. Задание критериев адаптации сетки по решению и по граничным условиям;
   
6. Задание параметров методов расчета;
   
7. Проведение расчета без участия пользователя;
   
8. Просмотр результатов расчета в графической форме (“визуализация” результатов расчетов);
   
9. Определение и сохранение числовых значений характеристик параметров течения и /или силового воздействия на элементы, находящиеся в потоке, в виде файлов;
10. Оценка точности расчетов.
    

  К особенностям использования пакета “FlowVision” относится [2]:

• использование САПР для создания расчетной области с последующим импортом геометрии через форматы STL, VRML;
  
• использование прямоугольной, локально измельчаемой расчетной сетки; для преодоление барьера между САПР и системами моделирования движения жидкости используется метод подсеточного разрешения;
  
• большой набор моделей горения.
  

  Дополнительные возможности численного моделирования открывает газодинамический пакет “Fluent”:

• единый интерфейс для создания геометрии и сетки; ведение журнала создания геометрии и сетки позволяет редактировать и “проигрывать” построенную модель при параметрических исследованиях;
  
• уникальная гибкость сеток Fluent значительно сокращает время расчетов на сложных геометриях, по сравнению с другими программами для численного моделирования газодинамических процессов; можно использовать четырех-, шестигранные нерегулярные сетки для быстрого моделирования на сложной геометрии;
  
• большой набор моделей турбулентности;
• возможность моделирования движения многофазных дисперсных сред;

Код Fluent хорошо зарекомендовал себя на многопроцессорных ком-пьютерах различных платформ; параллельные вычисления позволяют решать сложные задачи заметно быстрее [3].

Оба программных продукта основаны на численном решении уравнений Навье-Стокса, теплопереноса, конвективной диффузии, энергии с использованием методов сеток и конечных элементов.

Предоставляемые бесплатно демонстрационные версии этих пакетов могут быть эффективно использованы в учебном процессе при изучении информатики, математического моделирования технологических процес-сов, а также многих общеинженерных и специальных дисциплин.

Так, в текущем учебном году программный пакет “FlowVision” использовался при изучении дисциплины “Аэродинамика вентиляции” для моделирования полей скоростей воздуха и концентрации частиц пыли в циклонах, при изучении рассеивания промышленных выбросов с учетом промышленной и городской застройки, для моделирования тепловоздуш-ного режима производственных и жилых помещений и в других задачах.

Применение демонстрационных версий прикладных программ требует той же общеобразовательной и специальной подготовки, что и при-менение их полных версий, поэтому представляется целесообразным ис-пользование всех возможностей и ресурсов Интернет для изучения и практического овладения современным программным обеспечением, ко-торое безусловно потребуется будущим специалистам в их практической деятельности.

Список литературы

1. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен – М.:Мир, 1990. – 384 с.
2. Аксёнов А. А. Программный комплекс Flow Vision для решения задач аэродинамики и тепломассопереноса методами численного моделирования/ А. А. Аксёнов, А. В. Гудзовский // Матер. III съезда АВОК, 22-25.09. 1993. – М.: АВОК, 1993. – С. 114 – 119.
3. Лысенко Д. А., Соломатников А.А. Численное моделирование турбулентного теплообмена в камерах сгорания газотурбинных уста-новок с помощью пакета Fluent. //ИФЖ. Том 76, №4. 2003. – С. 125-127.