Анализ результатов моделирования. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Анализ результатов моделирования.



 

Данный этап завершает технологическую цепочку этапов создания и использования имитационных моделей. Получив результаты моделирования, исследователь приступает к интерпретации результатов. Здесь возможны следующие циклы имитации. В первом цикле имитационного эксперимента в ИМ заранее предусмотрен выбор вариантов исследуемой системы путем задания начальных условий имитации для машинной программы модели. Во втором цикле имитационного эксперимента модель модифицируется на языке моделирования, и поэтому требуются повторная трансляция и редактирование программы.

 

Возможно, что в ходе интерпретации результатов исследователь установил наличие ошибок либо при создании модели, либо при формализации объекта моделирования. В этих случаях осуществляется возврат на этапы построения описания имитационной модели или на составление концептуальной модели системы соответственно.

 

Результатом этапа интерпретации результатов моделирования являются рекомендации по проектированию системы или ее модификации. Имея в своем распоряжении рекомендации, исследователи приступают к принятию проектных решений. На интерпретацию результатов моделирования оказывают существенное влияние изобразительные возможности используемой ЭВМ и реализованной на ней системы моделирования.

 

 


 

 


 

28. Опишите способы визуализации расчетных данных.

 



 

29. Охарактеризуйте программный комплекс OpenFoam.

OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation) является C++ инструментом для развития настроенного числового решения, и до/после обработки утилиты для решения задач механики сплошной среды, включая вычислительную гидрогазодинамику (CFD) [16 – 18].

Оригинальное развитие OpenFOAM началось в конце 1980-х в Имперском колледже в Лондоне, чтобы разработать более мощную и гибкую общую платформу моделирования, чем фактические стандарты того времени, Fortran. Это привело к выбору C++ в качестве языка программирования, благодаря его модульности и объектно-ориентированных возможностей. Предшественник, FOAM, был продан британской компанией Nabla Ltd, до выпуска как открытый источник в 2004 году.

Первоначально, программа предназначалась для прочностных расчетов и в результате многолетнего академического и промышленного развития на сегодняшний момент позволяет решать следующие задачи:

· прочностные расчеты;

· гидpoдинамика ньютонoвских и неньютoновских вязких жидкocтей кaк в нecжимаемом, тaк и cжимaeмом приближeнии c учeтoм конвективнoгo теплooбмена и дeйcтвием cил грaвитaции; для мoделиpoвания турбулeнтных течeний возмoжнo иcпoльзование RАNS-моделей, LЕS- и DNS-метoдoв; вoзмoжно peшение дoзвукoвых, околoзвукoвых и cвeрхзвукoвых зaдaч;

· задaчи тeплoпpoводности в твeрдoм тeлe;

· многoфaзные зaдaчи, в тoм чиcлe c oпиcаниeм химичecких рeaкций компoнeнт пoтoка;

· задaчи,cвязанные c дeфopмацией pacчётной ceтки;

· coпряжeнные зaдaчи;

· распараллеливание расчёта как в кластерных, так и некоторых других задачах, при математической постановке которых требуется решение дифференциальных уравнений в частных производных в условиях сложной геометрии среды;

Отличительной особенностью OpenFOAM является его синтаксис для тензорных операций и уравнений частных производных, который очень напоминает решение уравнения.

Пользователи могут создавать собственные объекты, такие как ограничения условий или модели турбулентности, которые будут работать с существующими решениями без изменения или повторно набирать существующий исходный код. OpenFOAM решает эту задачу путем объединения действительных конструкторов с использованием упрощенных базовых классов как интерфейсы. В результате это дает OpenFOAM хорошие качества расширяемости.

OpenFOAM составлен большой основной библиотекой, которая предоставляет основные возможности программного обеспечения.

Возможности, предоставляемые библиотекой, затем используются для разработки приложений. Приложения, написанные с использованием синтаксиса высокого уровня, введенные OpenFOAM, которое стремится воспроизводить обычное математическое примечание. Существуют две категории приложений:

· решатели: они выполняют фактическое вычисление, чтобы решить конкретную проблему механики сплошной среды.

· утилиты: они используются для подготовки сетки, настройка случай моделирования, обработки результатов, а также для выполнения других, кроме решения проблемы при экспертизе.

Каждое приложение предоставляет определенные возможности: например, приложение под названием blockMesh используется для генерации сетки из входного файла предоставленной пользователем, в то время как другое приложение, которое называется icoFoam решает уравнения Navier-Stokes для несжимаемого ламинарного потока.

Наконец сторонние пакеты используются чтобы обеспечить параллельную функциональность (OpenMPI) и графическую пост-обработку (ParaView).

OpenFOAM является бесплатным и открытым программным обеспечением, опубликованное по лицензии GNU General Public License 3 версии [19 – 22].

Преимущества и недостатки.

1.Преимущества

· Удобный синтаксис для частных дифференциальных уравнений.

· Неструктурированные многогранные возможности сетки.

· Автоматическая параллельность приложений, написанных с использованием синтаксиса высокого уровня OpenFOAM.

· Широкий спектр применения и модели готовые к использованию.

· Разработчиками предоставлена коммерческая поддержка и обучение.

· Нет лицензионных затрат.

2.Недостатки

· Отсутствие комплексного графического интерфейса пользователя (автономный Open Source и фирменные доступные опции).

· Программист не обеспечивает достаточное количество деталей, что делает процесс обучения постепенным.

· Отсутствие сохраняемой документации мешает новым пользователям.

 

30. Опишите геометрическую постановку задачи о течении вязкой несжимаемой жидкости в каверне.

изучение плоского и пространственного течения несжимаемой жидкости, изучение течения с повышением числа Рейнольдса в квадратной плоскости с помощью инженерного комплекса OpenFOAM.

Краткое теоретическое введение.

Различные жидкости при течении в трубах, растекании по поверхности или обтекании препятствий обладают различными свойствами. Густая, клейкая жидкость обладает большей вязкостью, нежели легкая и подвижная жидкость. Степень вязкости жидкости определяется коэффициентом вязкости, который принято обозначать греческой буквой η («эта»). У густых, клейких жидкостей коэффициент вязкости η в десятки и сотни раз выше, чем у легких и текучих.

Рейнольдсу удалось обнаружить безразмерное число, описывающее характер потока вязкой жидкости. Сам ученый получил его экспериментально, проведя изнурительную серию опытов с различными жидкостями, однако вскоре было показано, что его можно вывести и теоретически из законов механики Ньютона и уравнений классической гидродинамики [25,26] Это число, которое теперь называют числом Рейнольдса и обозначают Re, характеризует поток и равно:

 

(1)

 

Рассмотрим размерность составляющих числа Рейнольдса:

· – плотность среды, кг/м3;

· – характерная скорость, м/с;

· D – характерный размер, м;

· – динамическая вязкость среды, Н·с/м2;

· – кинематическая вязкость среды, м2/с ()

Отсюда получаем, что размерность числа Рейнольдса равна:

(м/с) × (м) × (кг/м3): (кг/м·с)

или, после упрощения,

(кг/м·с): (кг/м·с)

Итак, все единицы измерения в размерности числа Рейнольдса сокращаются, и оно действительно оказывается безразмерной величиной.

Уравнения Навье - Стокса – систeма диффeренциальных урaвнений в чaстных произвoдных, oписывающая движeние вязкoй ньютoновской жидкoсти [27 – 28]. Урaвнения Нaвье - Стoкса являютcя oдними из вaжнейших в гидрoдинамике и примeняются в мaтематическом мoделировании мнoгих прирoдных явлeний и тeхнических задач.

В случае несжимаемой жидкости система состоит из двух уравнений:

· уравнения движения,

· уравнения неразрывности.

В гидродинамике обычно уравнением Навье - Стокса называют только одно векторное уравнение движения. Впервые уравнение Навье - Стокса было получено Навье (1827, несжимаемая жидкость) и Пуассоном (1831, сжимаемая жидкость), которые исходили из модельных представлений о молекулярных силах. Позже феноменологический вывод уравнения был дан Сен-Венаноми Стоксом [29 – 32].

В векторном виде для несжимаемой жидкости они записываются следующим образом:

 

(2)

 

(3)

 

где –оператор набла, – векторный оператор Лапласа, t– время, – коэффициент кинематической вязкости, – плотность, p – давление, – векторное поле скоростей, – векторное поле массовых сил.

Неизвестные p и являются функциями времени t и координаты , где ,n = 2,3 – плоская или трёхмерная область, в которой движется жидкость [33].

Постановка задачи.

В задаче исследуется плоское течение несжимаемой ньютоновской жидкости при числах Re, соответствующих ламинарному, переходному и турбулентным режимам течения.

Пeрвoначально принятo, чтo будeт раccматриваться лaминарнoе тeчeние и задача будeт рeшаться нa однoрoдной ceтке, испoльзуя рeшатель icоFoam для ламинaрнoго, изoтермическoго, нeсжимaeмого пoтoка [34,35].

Движение жидкости в каверне происходит из-за равномерного перемещения верхней крышки – что равносильно постоянной скорости потока в направлении Х.

Жидкость, целиком заполняющая каверну, вовлекается в движение силами вязкости. Такая постановка, будучи геометрически очень простой, позволяет отразить многие характерные черты задач, описываемых уравнениями Навье-Стокса, например, различные соотношения между инерционными и вязкими силами и т.п. [36].

Рассмотрим геометрию течения, в которой все границы квадрата со стороной d= 0,1 м являются твердыми стенками. Верхняя стенка перемещается в х – направлении со скоростью 1 м/с, в то время как другие 3 неподвижны. Считается, что в начальный момент времени жидкость покоится(U = 0, p = Па) рисунок 2.

 

 

Рисунок 2. Геометрия течения в каверне, инициированного движением верхней плиты

 

31. Запишите начальные и граничные условия, а также физические свойства для задачи о течении вязкой несжимаемой жидкости в каверне.

1. Граничные и начальные условия.

Пoсле зaвершения гeнерации сeтки, пoльзователь должен задать начальные условия. Дaнные o нaчальных пoлях хрaнятся в кaталоге (пoддиректории) с цифрoвым имeнем 0 кaталога pitzDaily. Этот подкаталог содержит 5 файлов, с именами переменных (полей) p, U, epsilon, k, nut, nuTilda по одному для полей давления (p), скорости (U), турбулентной кинетической энергии (k) и коэффициента диссипации (ε) чьи начальные значения и граничные условия должны задать.

2. Введите начальные условия для p, для этого в командной строке вводим

 

 

3. Используя команду less откройте файл p

 

dimensions (размерности) определяют величину размерности поля, здесь давление не является стандартной величиной, (судя по размерности это баротропия или отношение давления к плотности)

internalField данные поля внутри расчетной области, которое может быть задано однородным (uniform), задаваемым одной цифровой величиной;

или неоднородным, когда все значения поля должны быть заданы

boundaryField данные о граничных условиях которые включают граничные условия и данные для всех граничных поверхностях (boundarypatches).

В данном случае границы состоят из вхoда (inlet), выхoда (outlet), вeрхней стeнки (upperWall), нижней стенки (lowerWall) и передней и задней стенки (frontAndBack). Как на стенках (walls), так и входе заданы граничные условия zeroGradient нулевой производной к нормали для давления p, что oзначает “нoрмальный грaдиент дaвления рaвен нулю”. Поверхности frontAndBack прeдставляют пeреднюю и зaднюю плoскости и, слeдовательно, дoлжны быть задaны параметром empty (пустой). На выходе(outlet) выставляем фиксированное значение равное 0.

4. Задайте условия для скорости.

В командной строке введите

 

 

Используя команду less откройте файл U

 

Рaзмернoсть (dimensions) в дaнном случае м/с, причeм внутрeннее пoле инициaлизируется кaк однoродное нулевoе (uniform zero), чтo в случaе вeктора скoрости дoлжно быть прeдставленo трeмя кoмпонентами вeктора скoрости, т.е. однoродными скaлярными пoлями 3 прoекций скoрости (uniform) (0 0 0)

Грaничные услoвия для скoрости трeбуют анaлогичных граничных услoвий (empty) для перeдней и зaдней повeрхностей frontAndBack. Другими пoверхностями (patches) являются вeрхняя и нижняя стeнки (walls): услoвия нeпроскальзывания или услoвия прилипaния (no-slip condition) зaдаются на пoверхностях inlet, upperWall, lowerWall, слeдовательно, услoвие пoстоянства вeличины (fixedValue) с одинаковым значением (uniform) (0 0 0). На выходе (outlet) же значение скорости задается значением zeroGradient нулевой производной к нормали для давления U, что означает “нормальный градиент скорости равен нулю”.

Физические граничные условия потребуют от нас определить fixedValueU, k и ε на входе. U задали при постановке задачи, но значения, k и ε должны быть выбраны пользователем. Предположим, что турбулентность на входе изотропна, а флуктуации оценим, как 5% от U на входе, после чего:

 

(26)

 

И

 

(27)

 

Если мы оцениваем длину области турбулентности в 10% от ширины входа:

 

(28)

 

Управление решением примера

5. Используя команду cd открываем файл, находящийся в папке system

 

 

6. При помощи команды less откройте файл fvSchemes

fvSchemes выбраны следующим образом:

· timeScheme должно быть SteadyState;

· gradScheme и laplacianScheme по умолчанию должны быть Gauss;

· divScheme должны быть UD, чтобы обеспечивать ограниченность.

Особое внимание должно быть уделено заданию выбора fvTolerances. Хотя верхний уровень кода simpleFoam содержит только уравнения для p и U, турбулентная модель решает уравнения для k, ε и R и задавать точность требуются для всех 5 уравнений.

Требуется задание коэффициента нижней релаксации решения (Under-relaxation) т.к. задача является условно устойчивой. relaxationFactor, равный 0.7 является приемлемым для U, k, ε и R, но для p требуется 0.3 для исключения численной нестабильности.

 

32. Графическая интерпретация задачи о течении жидкости в каверне.

 

 

33. Опишите возможности графического редактора ParaView.

ParaView – мультиплатформенный программный продукт с открытым исходным кодом для визуализации и анализа данных. Может работать как на одном компьютере, так и на параллельном кластере. С его помощью можно создавать изображения данных, пригодные для презентации без дополнительной обработки. ParaView используется как сам по себе, так и встраивается в качестве средства визуализации в другие программные продукты (например, в Salome).

ParаView – oткрытый грaфичeский крocc-плaтформенный пaкет для интeрaктивной визуaлизации в иccледовательских цeлях, рaзрабатывaемый Национальной Лабораторией Сандиа, компанией Kitware и Национальной Лабораторией Лос-Аламоса [23 – 24].

Пaкет пoддерживает клиeнт-ceрверную aрхитектуру для opганизации удaлённой визуaлизации мaccивов дaнных и испoльзует мeтод урoвня детaлизации (level of detail, LOD) для пoддержки визуaлизации бoльших oбъёмов дaнных в интерaктивном режиме. Пaкет ParaView рeaлизован нa бaзе библиoтеки Visualization Toolkit (VTK). Пaкет ParaView рaзрабатывался для oсуществления парaллелизма дaнных нa компьютерaх с oбщей, рaспределённой пaмятью и клaстеров. При этoм ParaViewмoжет испoльзоваться и нa персoнальных кoмпьютерах.

Пaкет ParaView предoставляет пoльзовaтелю вoзмoжности интерaктивной визуaлизации и иccледования бoльших мaccивов дaнных для качественнoго и количественнoгo анaлиза. Рaбoта с пaкетoм мoжет ocуществляться кaк в интерaктивнoм, так и пaкетнoм рeжиме.

В настоящее время пакет может быть использован на компьютерах с операционными системами Windows, Linux, Mac OS X.

При разработке авторы придерживаются следующих целей:

· Открытость, кросс–платформенность – в пакете используются только открытые, мульти-платформенные технологии для визуализации данных

· Поддержка различных, в том числе, гетерогенных вычислительных систем

· Создание гибкого, интуитивного пользовательского интерфейса

Таким образом, пакет ParaView во многом является скорее технологией обработки, чем всего лишь программным средством.

Основные возможности

В задaчaх мехaники сплoшных срeд слeдующиe вoзмoжности пaкeта мoгут быть пoлeзными при анaлизе слeдующих рeзультaтов:

· Визуализация расчётных сеток (поверхности, сеточные линии, вершины, объёмная визуализация)

· Визуализация полей (давление, скорость, температура и т.д.)

· Построение срезов геометрии – плоскотью или с помощью заданной функции

· Построение изо-поверхностей

· Визуализация векторных полей и линий тока

· Количественный анализ данных – интегрирование, построение амплитудно-частотных характеристик

· Создание фильмов, демонстрирующих развитие процесса в 3D

· Алгебраические преобразования над полями

 

 

34. Влияние размера конечно-разностной сетки на результаты вычислительных экспериментов.

1. Сделайте копию модели каверны и назовите ее cavityHighRe введя:

 

 

2. Войдите в каталог модели cavityHighRe и отредактируйте transportProperties dictionary. Поскольку число Рейнольдса необходимо увеличить в 10 раз, уменьшите кинематическую вязкость в 10 раз, то есть до . Теперь мы можем запустить эту модель, перезагружаясь из решения в конце запуска модели каверны. Для этого можно использовать опцию настройки ключевого слова startFrom на latestTime, чтобы icoFoam принял его в качестве исходных данных значения, хранящегося в папке, соответствующей самому последнему времени, то есть 0,5. EndTime должен быть установлен на 2 сек.

3. Используя команду для запуска решателя icoFoam.exe запускаем решатель.

 

 

Во всех предыдущих запусках icoFoam прекращает поиск решений для скорости U довольно быстро, но продолжает поиск решений для давления P еще долгое время или до тех пор, пока процесс не будет остановлен. На практике, после того, как icoFoam прекращает поиск решений для U и начальная разность давлений будет меньше, чем установленный допуск в fvSolution dictionary (как правило ), запуск конвергировал (решения сошлись) после этого решатель может быть остановлен после того, как данные поля будут записаны во временной каталог.

4. Убедившись, что при решении нет никаких ошибок и все решения верны, запускаем программу ParaView для просмотра конечно-разностной сетки и результатов вычисления.

Для этого в командной строке введите команду

 

 

Данная команда запускает окно ParaView.

Просмотрим результаты распределения скорости и давления для случая,

когда Re = 100.

На рисунках 9 – 11 рассмотрим распределение векторов скоростей при переходном режиме течения для значения Re = 100.

 

 

Рисунок 9. Распределение скорости течения вязкой несжимаемой жидкости при Re = 100 в момент времени t = 20 c.

 

Из рисунка видно, что картина распределения вектора полной скорости при Re = 100 заметно отличается от случая с Re = 10. Здесь наблюдается несимметричный профиль (рисунок 9) со сдвинутым в правую верхнюю область вихрем (рисунок 10)

 

 

Рисунок 10. Распределение векторов скорости при

переходном режиме течения.

 

 

Рисунок 11. Распределение линий тока скоростей при переходном режиме течения вязкой несжимаемой жидкости.

 

В момент времени t = 20 c. максимальная скорость течения 1 м/с наблюдается в центральной части на поверхности каверны. В переходной зоне зарождаются вихри, обусловленные увеличением скорости движения, влиянием выступов шероховатости

Рассмотрим распределение давления при переходном режиме течения рисунок 12.

 

Рисунок 12. Распределение давления в момент времени t =20 с. при переходном режиме течения вязкой несжимаемой жидкости.

 

В результате движения верхней стенки и образующегося трения жидкостью () возникают области пониженного и повышенного давления.

 

 

35. Как записывается уравнение непрерывности и закон сохранения импульса при моделировании реагирующих течений?

 

36. Опишите основные этапы процесса горения пылеугольного топлива в камерах сгорания.

 

 

37. Объясните недостатки и положительные стороны трехмерного моделирования процессов тепломассопереноса в топочных камерах промышленных котлов.

 

 

38. Запишите и объясните закон сохранения энергии, применительно к процессам горения в камере сгорания.

 

 

39. Перечислите и охарактеризуйте решатели (Solvers) программного комплекса OpenFoam.

 

40. Опишите основные утилиты программного комплекса OpenFoam.

 

 

41. Опишите основные правила построения геометрии и конечно-разностной сетки. Создание файла отображения геометрии и конечно-разностной сетки (blockMeshDict).

 

 

42. Методы численного решения дифференциальных уравнений - метод Эйлера.

 

 

43. Методы численного решения дифференциальных уравнений - метод Рунге-Кутта.

 

44. Методы численного решения дифференциальных уравнений - метод Коши.

 

 

45. Опишите метод дискретных возмущений.

 

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-20; просмотров: 726; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.222.231.51 (0.119 с.)