Áramlástani szimuláció másképp

Az MSC.Software Corporation az egyik legnagyobb múlttal rendelkező szoftvergyártó vállalat a végeselem- és egyéb szimulációs programok területén. Olyan termékeiről vált ismertté, mint például a Marc, az Adams, vagy az eredetileg a NASA-nak fejlesztett Nastran. Portfoliójukból eddig hiányzott az áramlástani megoldás, nemrég azonban értékesítési és fejlesztési megállapodást kötöttek egy feltörekvő spanyol céggel, a Next Limit Technologies-zel, amely már néhány éve dolgozik az XFlow fejlesztésén és validálásán. A megállapodás után nem sokkal megjelent az MSC kínálatában az első kereskedelmi forgalomban kapható verzió, az XFlow 2011.

Háló nélküli technológia előnyei

Az XFlow által felsorakoztatott innovatív megoldások talán úgy szemléltethetők legjobban, ha először összehasonlítjuk a jelenleg elterjedt áramlástani szoftverekkel. E szoftverek nagy része hagyományosan hálóalapú, azaz végestérfogat- vagy végeselemmódszert alkalmaznak. Egy áramlástani feladat megoldása során az első lépés a geometria behálózása. A megfelelő háló elkészítése számos mérnökmunkaórát igénylő feladat, sokszor napok, hetek alatt kivitelezhető munka, az eredmények pontossága pedig érzékeny a háló minőségére és sűrűségre.

Az XFlow talán legnagyobb előnye, hogy nincs szükség az említett módszereknél megszokott hálózásra, mivel megoldója Lagrange-féle leírást és részecskealapú módszert alkalmaz. A háló nélküli technológiának köszönhetően akár komplex modellek elkészítése sem igényel hosszú időt. A bonyolult geometriák egyszerűsítésére nincs szükség. A részecskék sűrűsége egyszerűen állítható, a falak, illetve örvények mentén automatikus adaptív sűrítésre is van lehetőség. Egy-egy modell felépítése megközelítően 5-10 percet vesz igénybe. Egy hálózást igénylő CFD programban a mozgó alkatrész modellezéséhez újrahálózás definiálása szükséges, ami tovább bonyolíthatja a modellezést, és növeli a számítási időt. Az XFlow nagy előnye, hogy remekül kezeli a mozgó testeket. Mivel nincs háló, nincs szükség újrahálózásra sem.

Az alkatrészeket mozgathatjuk előírt mozgástörvénnyel, de arra is van lehetőség, hogy a mozgást az áramló közeg kényszerítse. Az XFlow ezen a területen túlléphet a hagyományos CFD rendszerek korlátain, könnyen és gyorsan építhetünk fel mozgó alkatrészeket tartalmazó modelleket. Kiváló alkalmazási területe lehet minden olyan iparág, ahol áramló közeget és mozgó testeket együtt kell vizsgálni. Tipikusan ilyen például a szél- és a vízenergia-ipar, de gyakorlatilag majdnem minden területen találhatunk hasonló példákat.

Anyagmodellek, peremfeltételek, turbulencia

Áramló közegként gáz és folyadék halmazállapotú anyagokat definiálhatunk. Lehetőség nyílik szabadfelületű és többfázisú áramlás vizsgálatra. A szabadfelületű áramlás segítségével az XFlow-t alkalmazhatjuk például hajótestek analízisére. A szoftverben megtalálható továbbá egy hullámgenerátor modul, amellyel néhány beállítást követően a hullámzó tengerhez hasonló feltételeket teremthetünk. Ez jól alkalmazható úszó testek, például bóják, hajók vagy akár hullámerőművek vizsgálatára is. A program egyaránt kezeli a newtoni és nem newtoni folyadékokat.

A szoftver megoldást kínál külső és belső áramlás kezelésére. Könnyen használható olyan feladatok esetén, ahol szélcsatornára van szükség. Egy szélcsatorna definiálásához csupán néhány egérmozdulatot kell végeznünk. Ideális választás lehet ezért az autó-, illetve a repülőgépipar számára. Az XFlow-ban rendelkezésünkre áll a termikus analízis lehetősége. Ebben az esetben az áramlás lehet kényszerített, de természetes is A klasszikus CFD szoftvereknél a futtatást megelőző lépés során választani kell a különböző turbulenciamodellek és numerikus megoldók közül, és meg kell adni a megfelelő paraméterértékeket.

Ez egy nagy hozzáértést igénylő feladat, ahol a megoldás pontossága a mérnök hozzáértésén múlik. Az XFlow esetén a megoldás minden esetben tranziens, az alkalmazott Lattice-Boltzmann-módszernek és a LES-nek (Large Eddy Simulation, nagyörvény-szimuláció) köszönhetően pedig nem kell választani a turbulenciamodellek közül, ezzel lényegesen leegyszerűsödik egy áramlástani feladat megoldása.

Szimuláció és kiértékelés

A megoldó tehát időalapú, ebből következik, hogy mindig tranziens folyamatot vizsgálunk, ami nagyon előnyös, hiszen a valóságban lejátszódó jelenségek szinte kivétel nélkül időben változóak. Az időlépéseket vagy mi határozzuk meg, vagy a választást a programra bízzuk. Ha azonban az állandósult állapotbeli eredményekre vagyunk kíváncsiak, akkor megfelelő számú időlépéssel kell számolnunk. Az állandósult állapot gyorsabb elérését segíthetjük a kezdeti feltételek megfelelő megadásával, illetve automatikus, adaptív időlépések választásával.

Az eredményekhez már a szimuláció futtatása közben hozzáférünk, ezzel lehetőséget kapunk az esetleges gyors beavatkozásra. Ha pedig félbe szeretnénk hagyni egy szimulációt, egyszerűen csak le kell állítanunk a futtatást, ezután el kell mentenünk a modellt az eredményekkel együtt, majd a következő alkalommal, ha megnyitottuk a modellt az eredményekkel együtt, ott folytathatjuk a futtatást, ahol utoljára abbahagytuk. Az utófeldolgozáshoz a teljesség igénye nélkül olyan eszközök állnak rendelkezésünkre, mint a 2D-s és 3D-s mezők, vágósíkok, markerek, szenzorok, nyomvonalak, izofelületek, amelyek segítségével hatékonyan értékelhetjük az eredményeket, és látványos képeket, animációkat készíthetünk.

A szoftver a modern kor igényeinek megfelelően mind az elő- és utófeldolgozás, mind a megoldás során jól használja ki a többmagos processzorokat. A megoldó kiválóan, szinte lineárisan skálázódik. Éppen ezért az MSC a processzormagok száma alapján határozott meg különböző árú csomagokat. Minden egyes csomag egy teljes értékű XFlow-t tartalmaz, különbség a használható magok számában van a csomagok között.

Mit hoz a jövő?

Az XFlow megjelenése az MSC portfoliójában csupán az első lépés. A fejlesztők tervezik a program összekapcsolását a klasszikus MSC termékekkel. Elsőként az Adamsszel való kapcsolat implementációja várható. Ezzel a mozgó testeket tartalmazó modellek felépítése még könnyebbé és hatékonyabbá válik. Olyan feladatok megoldására is lehetőség nyílik, mint egy egész autómodell áramlástani vizsgálata manőverezés közben.

A következőkben sor kerül a kapcsolat kiépítésére a Nastran és Marc megoldók irányában, ami az FSI (Fluid Structure Interaction, folyadék-rugalmas test egymásra hatás) képességek területén jelent majd további előrelépést. Várható még az XFlow linuxos változata, ezzel együtt pedig a több gépen történő párhuzamos futtatás (DMP) lehetősége is.