比较CFD软件-第3部分:半全面软件

差价合约彩条

这是我们5中的第3部分 差价合约软件比较系列。如果您想在收件箱中收到其余的更新,请注册我们的 时事通讯在这里.

半综合CFD软件–顶尖竞争者回顾

在我们的原始帖子中,我们将性能最高的CFD软件类别定义为“综合”。以下是我们用于分类软件包是否为“综合”的标准的非科学标准列表。

  • 从各种来源导入复杂的3d实体和曲面几何的能力

  • 一站式的工作流程,包括预处理,模拟和后处理

  • 广泛的多物理场仿真功能

  • 高效的数据架构,数值方法以及各种硬件和软件配置的利用

  • 供应商启动了对物理和数值方法的验证和确认

  • 用户编码和/或命令行操作的受限要求

在本节中,我们将讨论力求成为全面,多物理场工具的软件包,但在我们看来,它们在某些方面略有不足。有许多可用的CFD软件包可被描述为半综合性的,我们无法对其全部进行检查,而仍然无法完成任何实际工作。因此,在此,我们将基于它们的庞大用户群和​​/或它们具有广泛的发展潜力来重点研究此类别中的三个软件包: COMSOL Multiphysics, 转换差价合约努美卡 欧姆尼斯。如果需要更多时间,我们希望查看此半全面类别中的一些其他软件包,其中包括 Altair AcuSolve, Flow Science FLOW-3D,MSC SC / TetraSimScale.

范例1:COMSOL Multiphysics

通过COMSOL进行FEMLAB多物理场建模

COMSOL成立于1986年7月,总部位于瑞典斯德哥尔摩。创始人是KTH的Germund Dahlquist教授的前博士生,最初与美国的 数学作品 作为的欧洲分销商 的MATLAB。在此期间,COMSOL开发了自己的软件,称为 有限元 扩展了MATLAB在求解偏微分方程中的功能。起初,FEMLAB依赖于MATLAB引擎,但是当两家公司于2004年分道扬,时,COMSOL已开发了自己的基于有限元的网格划分和求解程序。与MATLAB一样,该软件也被视为一个平台,该平台具有其他可用的工具箱组件,这些组件用于在各种物理领域中创建和执行仿真。早期的成功主要来自大学和研究实验室,包括与 查默斯 和斯坦福大学等等。

有限元在2005年被称为COMSOL Multiphysics(COMSOL)。利用图形用户界面(GUI)和“类似于MATLAB的”编程界面,研究人员可以使用FEMLAB工具自定义分析,以前所未有的方式解决其特定的物理应用多维问题。 COMSOL非常巧妙地填补了MATLAB缺乏空间离散化复杂性与基于GUI的更广泛可用的空间求解器(例如ANSYS)之间的空白,ANSYS缺少易于使用的程序化界面,允许将通用求解例程应用到研究人员特定的微分方程和边界条件。

尽管最近以通用工程工具的形式销售COMSOL,但从传统上讲,COMSOL被研究人员而非工程师使用。但是,COMSOL一直在努力改变这种状况,试图在提高工程师的易用性之间针锋相对,而又不会疏远他们过去以研究为导向的用户群。

基本介面& Workflow

幸运的是,在Resolved Analytics中,我们全都在努力工作,因此您不必这样做。让我们开始看看COMSOL界面和工作流程。 COMSOL建议的第一步是使用“模型向导”选项来指定您要模拟的多物理场问题的性质,例如,该问题本质上是2-D还是3-D,那么物理将是什么包括问题是稳态还是时间依赖性。完成此步骤后,用户进入工作流程的“模型构建器”部分。

与大多数多物理场仿真软件一样,首先创建或导入几何。 COMSOL GUI包括一组用于在1-D,2-D和3-D中进行几何建模的计算机辅助设计(CAD)工具,但是在大多数工程情况下,从现有3D实体导入曲面文件更加有效使用您公司选择的3D实体建模软件中可用的更复杂的工具进行建模或创建新的几何图形。 “模型构建器”窗口左侧的模型浏览器显示菜单项,这些菜单项随后将用于定义仿真参数,边界条件等。

图1:COMSOL Multiphysics 5.4图形用户界面

图1:COMSOL Multiphysics 5.4图形用户界面

物理建模能力

COMSOL采用并继续致力于MATLAB模型,通过该模型,被许可人可以根据需要购买平台和其他“工具箱”或模块,以满足其项目需求。这些工具箱包含设置和执行特定于域的问题所需的内容。最初由化学工程,电磁学和结构力学模块组成,如今该列表已增长到40多个。 产品套件 以下图表。在CFD模块中,COMSOL提供了多种多相模型,包括用于自由表面界面跟踪的水平集方法,欧拉-欧拉分散相模型和拉格朗日粒子跟踪模型。可以使用单向或双向耦合过程进行流体结构相互作用。可以模拟所有类型的流变学,包括牛顿,粘弹性和其他非牛顿行为,以及多孔介质内的流动。也有一些 湍流壁模型 以及湍流子网格规模模型,包括最近添加的v2-f湍流壁模型。读者应记住,尽管可以将所有这些物理功能组合在一起,但是它们的组合可能需要单独购买模块,而这些模块需要大量的额外费用。

图2:COMSOL Multiphysics V5.4产品套件

图2:COMSOL Multiphysics V5.4产品套件

CAD清理和网格划分

新用户会发现在大多数COMSOL工作流文档中使用几何图形创建工具从头开始创建几何图形的偏好。考虑到它作为MATLAB插件的传统,这不足为奇。的 COMSOL几何图形创建工具是同类最佳的工具之一。但是,这样的工作流程根本无法与快速发展的产品工程世界保持一致,因为在大多数情况下,存在大量复杂性的3D实体模型已经存在。 COMSOL通过结合CAD导入和LiveLink模块来适应这一现实。

在基本软件包中,仅STL文件是可导入的。购买CAD导入模块后,导入功能将扩展为包括SAT,STEP和IGES文件格式,以及本地Inventor,NX,Pro / E和Solidworks零件或装配体。用于CAD的LiveLink模块进一步扩展了本地3D实体模型和仿真环境的互操作性,包括参数传递,这对于优化研究特别有用。

COMSOL已实现了几种有用的几何修改工具。首先,可以在3D实体模型文件中指定单个实体和其他特征 保留进口 这简化了模型设置。其他有用的功能包括能够 从导入的点或曲面网格创建3D实体,导入实体之间的布尔运算, 表面清洁和维修工具自动联系人对定义.

网格划分是通过以下两个工作流程之一完成的:物理控制的网格划分或用户控制的网格划分。可以为任一工作流程指定的3D元素包括四面体,六面体,金字塔或棱柱,默认为四面体。在存在多个区域的情况下,每个区域都可以与保形节点接口分别进行网格化,该接口由网格划分顺序中首先定义的区域的大小定义驱动。我们在下图所示的边界层中创建了主要由四面体网格和棱镜元素组成的网格,没有太大困难。在尾流区域实现精制网格,或将四边形元素与主流动方向对齐,被证明更加困难,另外需要 划分的CAD区域.

图3:在艾哈迈德身体问题边界层中带有棱镜元素的COMSOL四面体网格

图3:在艾哈迈德身体问题边界层中带有棱镜元素的COMSOL四面体网格

模拟

每当有人使用 产生偏微分方程解数值近似的有限元方法,该方法需要假设分段线性 形状函数 定义解如何在空间离散节点之间变化。可以通过组合高阶形状函数或通过增加节点放置的密度来获得更高精度的解决方案,而这两种方法均会产生自己的计算成本。 有争论 对于线性静态问题,增加形状函数的阶数比增加节点数更有效。 也有人认为 控制方程的阶数可以用作假设形状函数阶数的基础。

但是,问题在于,如果假设使用高阶元素,则控制流体流动的Navier-Stokes方程的非线性会导致数值不稳定。在这种情况下,只能将线性元素与通过各种方法添加的人工耗散结合使用以保持稳定性。因此,对于包括流体流动的多物理场问题,流体流场的一阶离散化证明在整个模型中使用一阶元素是合理的。可以这样说 固体传热与固体力学相结合的问题。使用线性形状函数对高节点密度的要求是多物理场仿真中有限元模型的一个显着缺点,因为内存要求迅速成为解决方案精度的限制因素。此外,基于域分解的仿真并行化不会像处理有限体积方法那样,随着处理能力的提高而线性减小求解时间。这些数值效率低下是为什么最流行的CFD代码改为基于有限体积方法的原因,以及在我们看来COMSOL未能进行全面软件分类的原因之一。

后期处理

COMSOL中的后处理是高度可定制的,但是以效率和可访问性为代价。用于获得表面轮廓图和流线图的方法相对简单明了,尽管生成的图形缺少某些其他领先的CFD程序包或专用的后处理程序包的影响因子。在下面的示例中,我们从先前在图1中引入的船舶开始,仅解决了在自由表面滑移壁的情况下通过壁体移动的船体阻力。理想情况下,我们将受益于更为优雅的可视化,其中包括将船舶作为透明对象覆盖在流可视化之上,但是不可能将表面文件(输入)的可视化与结果可视化相结合。溶液域(与从对应于液体的区域减去表面文件而减去的网格体积)。颜色表和航向控件也很有限且乏味。就模型预测的性能而言,这种僵局是微不足道的,但是, 可视化是工程过程中非常重要的一部分.

图4:COMSOL流线和曲面轮廓图

图4:COMSOL流线和曲面轮廓图

我们不喜欢的COMSOL后处理的另一个方面是依赖于创建表达式来执行常规计算。例如, 检查质量,动量和能量是否守恒 在我们的仿真中,我们需要创建派生值以指定COMSOL内部变量的表面或体积积分,因此需要了解程序语言变量表达式。另一个例子是 阻力的计算和攻角校正,两者都需要耗时的用户互动。其他领先的软件包使这些常见的流体动力学数值更容易作为直接输出获得。

许可和费用

最后检查时,可以购买节点锁定的永久COMSOL许可证以用于 约$ 10,000。要在支持下每年维护此许可证,并且最新的软件更新将多花费20%(2,000美元)。可以购买CFD模块,额外支付10,000美元和20%的维护费用。结合了流体流动分析和线性结构力学的流体-结构相互作用问题将使资本支出增加15,000美元,为年度支出增加3,000美元。基于模块的定价使COMSOL对于具有多种物理要求的公司而言相当昂贵,并且对于组织重复解决物理受限组合问题最有意义。并行化包含在计算节点上可用的尽可能多的处理器上的节点锁定许可证中,不支持超线程,仅提供 在物理问题和平台上获得的收益不一致.

概要

尽管基于模块的定价可能会变得昂贵,但COMSOL具有令人印象深刻的物理建模功能库。 COMSOL既易于学习又易于使用。但是,在流体动力学方面,在许多调查的测试案例中都感觉到有限元方法求解器的效率低下。虽然这可能不是每个人的成败,特别是如果时间不是问题,但对于高级用户而言,这绝对应该是一个问题。

范例2:转换CFD

转换差价合约软件

这是一个有趣的。 Convergent Science是一个相对较新的公司,它一直围绕稳健的CFD基础知识和一些创新构建平台,同时仍注重质量和准确性。该公司由威斯康星大学的一组研究生创立,旨在为与模拟内燃机相关的若干挑战提供解决方案。该公司于2008年出售了第一份CFD许可证。该公司专注于汽车行业,已开发出与喷射,燃烧和流固耦合模拟相关的知识产权。这种关注使该公司得以安静而快速地发展,该公司现在声称其软件已被 大多数美国,欧洲和亚洲的汽车公司和发动机制造商。该公司的目标是通过扩展到具有类似挑战和特征的行业来实现持续增长,其中最具体的是 燃气轮机行业.

因此,让我们找出什么是CONVERGE 差价合约。

既然我们在谈论汽车–幕后花絮

从本质上讲,CONVERGE 差价合约与到目前为止我们讨论的许多其他软件包以及本系列的最后一部分将要讨论的全面软件包没有太大不同。像许多其他方法一样,CONVERGE 差价合约采用基于中心差分的有限体积方案,对离散化的守恒方程进行积分,并采用连续的过松弛或双共轭梯度法求解所得线性矩阵。

CONVERGE与大多数传统软件包的最大不同之处在于其实现了在运行时发生的自动网格划分算法以及在仿真过程中进行的可选网格细化操作。这种自适应网格细化(AMR)过程在陡峭的现场变量渐变区域中增加了局部细化,许多其他领先的CFD软件OEM厂商也正在采用这种方法。公司称此流程为“自主网格”,并指出以下好处:

  • 通过消除手工创建,检查和细化网格的过程,节省了时间

  • 通过在需要和手动网格划分策略可能无法分配的更高网格密度来提高准确性

  • AMR提供了一种强大的方法来捕获较大或快速的边界运动

  • 由于使用了优化数量的计算单元,AMR节省了运行时间

  • 一致性和标准化可以通过使用一致的算法进行网格生产来实现。

据该公司称,其他差异化因素包括其高保真喷雾模型,详细的化学求解器和反应集集成,NOx排放模型以及遗传算法参数优化例程。

物理建模能力

转换差价合约具有令人印象深刻的物理建模功能,尤其是对于仅使用了10年以上的软件而言。功能包括所有标准票价,例如稳态或瞬态模拟,不可压缩或可压缩流,被动标量运输,RANS,URANS,DES和LES湍流建模,多孔介质以及源和汇。先进的功能最初集中在内燃机模拟上,包括具有汽化和破碎模型的拉格朗日多相模型,喷射器模型,壁膜模型,尿素喷射和NOx排放模型,化学动力学求解器,预混合和非预混合燃烧模型,表面化学模型,辐射和共轭传热。最近,增加了用于欧拉多相的流体体积(VOF)方法以及欧拉到拉格朗日相变模型。除了这些功能之外,最近的其他增强功能还包括增加了多参考框架方法(MRF)和流固耦合(FSI)建模改进。& Workflow

基本介面& Workflow

虽然网格划分可能是“自治的”,但预处理不是。 CONVERGE Studio是标准CONVERGE许可证附带的预处理软件,用于准备模拟,包括所有典型过程,例如几何图形准备,边界和初始条件指定,连续体定义等。CONVERGE Studio的设置与许多其他预处理器,带有用于与模型进行交互的各种窗口以及用于访问工作流和命令的分类菜单(码头)。

图5:混合罐CFD模拟设置期间的CONVERGE 差价合约接口

我的总体印象是,虽然功能正常,但用户界面似乎有点拥挤,在美学上并不是最令人满意的,并且在指导用户完成案件设置过程方面仅做普通的工作。反过来,这些属性提供了严格的用户体验。在CD-Adapco和ANSYS向其他方向发展替代产品之前,CONVERGE Studio感觉有点像2000年代后期的pro-STAR和GAMBIT工具的改进版本, STAR-CCM +工作台。我认为仍有待改进的地方是可视化,组织,用户与菜单窗口的交互以及更多的输出功能。对于我们来说,在提交仿真之前,无法选择运行网格划分序列并在预处理器中可视化输出是一件很重要的事情。无论是否使用AMR,该功能都非常有用。目前,尽管没有解决流体动力学问题,但仍需要运行一个时间步,然后在使用第三方软件查看网格之前转换输出文件。因为这对我们来说是一项经常性的操作,所以我们宁愿避免这种耗时的工作流程。 CONVERGE Studio预计在未来几年内进行改造,尤其是考虑到该公司最近的成长和成功。在撰写本文时,最近在LinkedIn上为C ++程序员发布的职位暗示,该职位可能已经在进行中。

CAD清理

预处理从导入要建模的流体域和/或固体域的边界的几何曲面(.stl)文件开始。我发现使用.stl文件令人沮丧,因为它们更经常遭受边界边缘,表面相交和法线翻转的错误,这些错误需要手动修复或以更高的镶嵌密度重新导出。我们认为随着当前趋势朝着3D固态文件类型(例如, 超固体 (.x_b,.x_t),因为它们的优越性以及CFD软件对高质量几何图形的需求。

接下来,边界表面被“标记”,以便可以为它们分配正确的物理特性进行仿真。按照.stl格式,边界表面是相邻表面三角形的组合。 CONVERGE Studio提供了一些其他方法来“围栏”各个边界,并自动将“围栏”中的所有三角形标记为属于边界,而不必分别选择每个这些表面三角形来标记边界。导入的曲面可以平移,旋转或缩放。

不幸的是,如果您打算用精细的几何细节处理装配体或零件,您将遇到曲面三角形错误,在继续之前必须先解决该错误。尽管CONVERGE Studio提供了执行此类修复(检测,删除,缝合,打补丁,重新归一化等)的标准工具,但是无论使用什么软件,手动修复的整个过程仍使我想换专业。老实说,我就是无法忍受浪费的时间。我更喜欢使用3D实体。在那种情况下,CFD检测到的几何错误是由于3D实体建模错误引起的,而不是由于导出期间出现错误的表面三角形定义而引起的,可以在导出/导入之前在本机3D实体模型中进行固化。当我说这对于复杂的多零件装配来说是更快的工作流程时,请相信我。 (注意:Convergent Science已告知我们即将发布的CONVERGE Studio 3.0的主要版本将通过集成以下功能提供直接的CAD几何图形导入选项 空间的的API。)

案例设置

此时,用户可以通过“案例设置”菜单转换为设置仿真条件。通过指定仿真类型,连续性,边界条件,运动,物理模型,网格控件和输出控件,此菜单提供了逐步的进展。与前面讨论的嵌入CAD的工具中提供的精简模拟规范完全相反,CONVERGE Studio中的案例设置感觉好像朝相反的方向走得太远。需要认真的专业知识,才能在此过程中对许多输入步骤做出明智的选择。我认为,CONVERGE可以从简化中受益,因为可以隐藏一些技术性或更富挑战性的参数或模型选择,默认为最佳做法,并且只能通过其他菜单项访问专家控件。

边界条件规范是典型的,Dirichlet和Neumann条件都适用于入口和出口边界类型,以及壁,对称,周期性和界面边界类型。对于墙边界,边界可以是固定的,平移的,旋转的,也可以通过流固耦合和牛顿定律确定。第二种选择是指定移动边界,从而在瞬态模拟的每个时间步都将根据边界运动重新计算网格。指定了物理模型选择和初始条件后,案例设置的最后一步就是网格定义。定义了基本网格尺寸(3维),并且必须在各个区域之间保持一致。然后,CONVERGE 差价合约将在运行时利用 切细胞笛卡尔方法 创建一个边界拟合的网格,该网格主要是六角形的网格单元,在边界表面附近具有任意侧的多面体。

还可以使用三种附加的网格操作:网格缩放,网格嵌入和前面提到的AMR。网格缩放操作完全按照听起来的样子进行操作-放大或缩小基本网格的像元密度。嵌入选项允许您指定要在其上细化基础网格的表面或体积,并且可以在每个区域的基础上进行定义。最有趣的选择是AMR方法,在该方法中,用户可以指定细化的标准以及模拟过程中细化的频率。在模拟过程中,可以通过编辑包含案例设置的文本文件来调整所有网格选项以及案例设置中指定的其他模拟参数。 CONVERGE最近提供了下面的示例案例,显示了使用自适应网格划分的大涡模拟(LES)的结果。读者应注意,在跟踪标量具有高梯度的区域中,网格元素的浓度较高。

图6:具有自适应网格细化的大涡模拟(礼节性融合科学)

棱镜单元选项可在表面法线方向上实现更精细的比例分辨率,这是目前尚不受欢迎的其他网格划分选项。 (注意:Convergent Science已告知我们即将发布的CONVERGE Studio 3.0的主要版本将包含此功能)。

在模拟之前,将验证案例设置文件,如果缺少关键的设置数据,则会发出错误或警告。

模拟

根据我的测试,很明显CONVERGE 差价合约是经过全面测试且功能强大的CFD求解器,具有大量复杂的用户控件。它可以完全并行化,并在Windows和Linux平台上具有出色的扩展行为。解算器本身似乎相对较快且稳定。我相信CONVERGE 差价合约可能比其他领先代码具有更低的数值耗散水平,从而使其更适用于诸如DES和LES之类的高精度方法,并且可能在常规RANS计算中更加准确,尽管我没有对此进行严格测试理论。可以从CONVERGE Studio或通过命令行启动串行执行,而只能通过命令行访问并行执行。

从以前的结果重新开始似乎效果很好,并且数据输出,甚至是离散时间步长的3D场数据输出,似乎都是有效的。在我运行的测试案例中,唯一减慢求解器速度的是生成网格的方法。 AMR过程和边界运动方法都要求以周期性的时间步长重新计算网格。尽管可以通过变形或局部重新网格化在后台优化该过程,但是我测试的移动边界问题的重新网格化过程需要大量的总体运行时间(约50%)。这导致求解时间滞后于使用不同的求解器(利用移动网格/界面方法)执行的可比较模拟之后。但是,应该指出的是,Convergent Science认为,这种移动网格方法会增加过多的人工耗散,从而使其方法更加精确,并且对于较低的三角形计数,用于重新网格化的高运行时间百分比将大大减少,这在典型的情况下是可行的。流行的引擎应用。

后期处理

后处理是最大的缺陷,这使CONVERGE 差价合约不再是行业领先的综合工具。自2018年以来,CONVERGE 差价合约捆绑了“Tecplot进行转换”,可以使用流行的后处理工具Tecplot 360。运行CONVERGE 差价合约模拟,并在模拟过程中和/或结束时创建结果文件。如果要在不同时间询问解决方案以进行时变分析,则在每个时间都需要完整的结果文件。结果文件收集在一个文件夹中,然后使用称为“后转换”的实用程序将这些结果转换为Tecplot 360或其他常见后处理器文件类型(例如, 视场 要么 视镜。然后将这些结果文件导入Tecplot 360。

作为我们标准工作流程的一部分,请访问 解决的分析 随着解决方案的发展,我们正在积极地询问我们的仿真。在此实时查询期间,我们正在研究网格特征以及它们与时空波动的解决方案变量之间的关系(作为模拟质量和模拟收敛性的度量);我们正在调整和监视相关数量的计算,例如流量均匀性指数,传热系数以及扭矩或功率输出;我们正在根据需要校准模拟输入,以提高模拟的准确性;我们正在测试对所有输入范围的灵敏度。在CONVERGE 差价合约中,可以通过对连续编写的基于文本的输出文件进行智能设计并使用Studio线条绘图应用程序来管理我们的一些典型制衡,而无需花费太多额外开销。但是,任何与3D现场数据相关的东西都需要文件转换和Tecplot处理的过程,这是一个耗时的中间步骤,对于那些完全集成了3D后处理功能的软件包而言,这是不必要的。我们对这种交互式询问的需求与我们的高营业额以及我们正在执行的各种模拟有很大关系,并且很可能具有数百个要运行的类似模型的用户将不会像我们这样依赖于这种询问是。但是,与此同时,我们倾向于相信所有的仿真工程师都会在某种程度上从这种询问中受益。

如果要录制与时间相关的数量随时间变化的动画,后期处理工作流程尤其受到限制。以下面的混合罐动画为例。模拟跨度为10秒的实时时间,对应于混合叶轮的300度旋转。动画要求每0.03秒为表面数据和感兴趣的字段变量(标量)写入330个输出文件。对于250k单元计数仿真,这些文件的写入每个大约30MB,在仿真时间上需要额外的20%的开销。 “ post_convert”实用程序需要额外的几分钟才能将这些文件处理为相应的Tecplot文件,每个文件为43MB,总共需要24 GB的存储空间。模拟完成后,整个过程花了我大约30分钟。读者可以得出明显的结论,说明这种类型的工作流将对数百万个计算单元,更长的模拟时间和大量关注问题产生多大的影响。将这些要求与“标准”方法进行对比,该“标准”方法在具有内置后处理功能的软件包中创建此类动画,以指定的频率导出图像文件,然后将它们绑在一起,每个动画需要1-2 MB的动画(具体取决于所需的图像质量),而无需额外的计算时间或后处理时间。

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图7:使用移动边界方法对混合罐进行CONVERGE 差价合约模拟(由CFD Consulting解析)

许可和费用

转换差价合约提供典型的许可安排,包括节点锁定本地以及按需云使用和浮动许可。Convergent Science对其定价相当严格,但是 公共信息提示 单个年度许可证的费用约为20,000美元,其他并行核心令牌的费用约为1,000美元。此价格与领先的综合套餐一致。每小时10美元的按需小时许可成本比竞争对手的按需价格稍低。 转换差价合约可在领先的云计算主机上使用,例如 重新缩放, R系统总CAE.

概要

转换差价合约具有巨大的潜力,目前在我们被标记为“综合CFD软件包”的5条标准中,只有一项未能实现。我们唯一需要检查的框是我们需要单个用户界面/平台来进行预处理,交互式仿真和结果可视化。鉴于它在许多困难的技术领域都表现出色,我们相信,实现这一目标只是时间问题。

范例3:Numeca 欧姆尼斯

努美卡由Charles Hirsch教授于1990年代初期创立,是 布鲁塞尔自由大学流体力学系。有趣的是,赫希教授写了我关于CFD的研究生课本,内部和外部流动的数值计算:  Volumes 1 & 2,并且如果您想从他那里了解更多关于Numeca的信息,您可以听听Robin Robins对 谈价差价合约。 努美卡成立于当时已经有几种多功能/通用CFD工具可用的时候,但它通过允许用户专注于特定的CFD应用程序而不是被迫使用当时可用的通用软件包之一而与众不同。 。每个专门的软件包称为FINE(用于 F整合的 E环境)使用专用的CFD求解器以及包装在GUI中的预处理工具和后处理工具,并包含诸如结构化求解器之类的品种 精细/涡轮 (对于内部涡轮机械应用程序),特定的求解器 精细/海洋 (致力于解决包括自由曲面,网格自适应和自动细化以及自由度在内的问题),非结构化求解器 精细/打开 (一般工业应用),以及 精细/声学等等。 

然而,在2017年末,Numeca发布了自己的多功能CFD软件包,名为 欧姆尼斯,希望吸引更广泛的用户,从修补匠和设计师到产品和工艺工程师再到博士学位。级别的CFD专家和超级用户。 创建OMNIS的目的是为用户提供更简化的方法,以解决更广泛的CFD问题,从快速运行的前端分析(精度可能不如速度/计算时间那么重要)到高度复杂的高保真度这些模型可能需要花费数周的CPU时间才能在云中的多个内核之间传播。

那么,什么是OMNIS? 努美卡称其为“环境”:单个GUI允许进行预处理和网格划分,可通过任何FINE求解器(现在包括一个 莱迪思·博尔兹曼 解算器),后处理(以及我们稍后会讨论的协同处理)。让我们更深入地了解一下。

基本介面& Workflow

图8:工作流小部件和Pie控制面板

图8:工作流小部件和Pie控制面板

通常,即使对于未经培训的初学者,在OMNIS中启动并运行分析的工作流程也非常简单直观。用户界面的左侧是文件树,根据文件树的选择弹出一个属性窗口,中间是主图形窗口。在图形窗口的底部中心,一个非常有用的“导航”工具/工作流小部件显示了项目的当前阶段/视图以及进行研究必须经过的先前和将来的步骤。 。导航小部件如下所示,并以一种很好的顺序方式包括了每个步骤-几何,域,网格,模拟和结果。在导航工作流上方,一个饼图控制面板显示了有用的可用功能/选项。饼图控制面板中的选项根据活动的工作流程步骤而变化。

图9:Numeca 欧姆尼斯 GUI

图9:Numeca 欧姆尼斯 GUI

当分析人员逐步进入进度的每个阶段时,可以根据需要设置几何形状,网格等,如果需要调整某些内容或忘记设置而又不丢失任何设置,则可以跳回一两个步骤。 下面,我将简要介绍每个步骤。

几何

第一步是导入几何图形进行分析。 我们使用Parasolid格式进行测试,但应注意,诸如 扎实的作品IA . 除了导入几何图形外,导航中的此步骤还允许用户创建主要用于网格细化区域的基本几何图形形状,该形状也可以与主要几何图形相同的方式导入。也可以在此处执行调整/修改导入的几何形状。

下一步是“域”,在此期间,将导入的几何图形划分为所需的边界,并将分配物理边界条件。 这里没什么好想的,但是以这种方式进行的一般逐步操作可以使用户专注于任务,而不会迷失在分析设置的杂草中。

网眼

设置几何形状和域后,接下来是网格化。 OMNIS内置六面体优势 快报 网格器。 在我们的测试过程中,网格划分器感觉很坚固,并提供了高质量的元素以及边界层细化/膨胀层。 通过插入“优化几何图形”进行优化的功能非常流畅和直观。 网格分析也很容易,调整设置和重新设置的能力也很容易(请记住,用户只需单击一下鼠标即可轻松返回域或几何,而不会丢失任何设置)。 我们特别喜欢的功能之一是网格“预览”,它可以在用户调整属性面板中的像元大小设置时实时显示几何体上的表面网格。 这使分析人员可以在运行耗时的网格划分步骤之前直观地看到最终的网格划分。 请注意,不支持多面体网格元素。

下图显示了我们已成功插入管道中心的细化区域。两者都是在外部创建的,并作为单独的Parasolid文件导入。

图10:细化的网格示例

图10:细化的网格示例

模拟

成功创建网格后,就可以确定模拟设置了。 此处,将设置流体类型和属性以及边界条件和求解器设置,包括停止条件。 此步骤也非常直观,但是对我们来说,停止标准与那里的其他软件包相比有点独特。 我们将在稍后讨论。一旦准备好运行模拟,就可以通过单击按钮从GUI内启动模拟,然后“结果分析”可用于“协同处理”。 此功能很有用,因为用户可以在模拟求解时监视流体轮廓,矢量等的任何后处理场景。 这显然在批处理模式下不可用,但是很高兴在模型设置过程中具有错误检查功能。 使用OMINS进行仿真的一个缺点是,到目前为止,仅包含基本的单相流求解器(除了Lattice-Boltzmann之外,我们尚未测试)。 这意味着没有被动标量,多孔介质,多相(拉格朗日或欧拉),化学反应/燃烧,移动的网格/移动的边界,也没有从流体到固体区域的共轭传热。 OMNIS只是单相流体 雷诺平均 Navier-Stokes求解器。 提供瞬态和稳态选项,以及层流和湍流选项(K-Omega,K-Epsilon,Spalart-Allmaras以及其他几种)。 但是,据我们所知,Numeca的目标是最终将所有这些都带入OMNIS环境,并通过额外的物理技术来构建此工具。 

结果分析

模拟完成后,导航面板工作流程中的最后一步是结果分析。 在这里,典型的后处理工具在主GUI窗口中可用,包括为轮廓/矢量图像制作剪切平面以及用于数据提取的线探针。 创建“数量”是一种不错的方法,它允许用户创建(在每个单元格上)基于已解决的连续体属性派生的自定义值。一个可用的示例 努美卡的用户指南 将创建用户矢量场“动量”(密度乘以速度矢量),然后可以通过矢量图进行绘制。 

我们还要在这里看到一些其他功能。首先,我们希望能够创建用户监控器和报告,例如域或某个平面/轴/位置上的任何流场属性(速度,密度等)的最小值,最大值或平均值。接下来,我们认为在求解过程中导出场景图像的功能将有利于制作瞬态仿真的动画。 最后,内置的后处理似乎缺少我们从其他商业产品中获得的一些基本知识,例如显示流线的能力。 希望在将来的版本中将更多功能添加到后期处理中。  

其他要点

我们发现设置案例并使其运行都非常直观。但是,我们发现平衡计算费用和准确性具有挑战性,因为确定仿真收敛性的方法与其他软件包相比是非典型的。通常,在求解代表相关偏微分方程离散化版本的代数方程组时,通过使全局数值误差最小化来衡量模拟的收敛性。随着稳态仿真的进行,这些“残差”会跟踪越来越低的值,并且解决方案中的“错误”也会减少。通常,将根据数值求解器的“迭代”跟踪残差值,并可以设置停止准则,以便运行代码,直到残差达到某个目标值(例如1.0E-4左右)为止。但是,在OMNIS中,这种残差没有得到典型处理。

首先,不是通过所有单元上的归一化/平均全局误差来跟踪残差,而是基于相对于原始解决方案的数量级对残差进行跟踪。这意味着等效跟踪目标不是-3.0e或-4.0e,而是跟踪到1.0e-3或1.0e-4的残余目标,对应于从初始迭代开始的3或4个数量级的误差减小。对于具有默认求解器设置(3个多重网格,默认CFL数量和离散化方案)的简单层流管道情况,要达到此水平需要在多核计算机上花费大量时间。我们尝试运行的其中一篇教程未能在4个小时内达到16个内核的收敛标准。

我们注意到的第二件事是,在每个“周期”而不是“迭代”中跟踪这些残差。对我们而言,循环是一个多网格方案术语,因为在多网格算法的每次迭代中,矩阵都被粗化和放宽了几层,以便更有效地求解最细的网格。这里的循环与迭代相同吗?不确定。我们确实注意到,输入迭代次数作为停止条件并不一定会在该次数的周期结束仿真。由于OMNIS通过多网格方法(默认情况下)在3个网格上求解,因此作为停止标准输入的迭代次数可能只针对最终/最佳网格,而不是所有三个网格的总和。

并行处理似乎可以正常工作,但是,与其他类似的求解器相比,我们运行的测试用例花费了更长的时间才能达到收敛。也许我们试图收敛到太低的目标。这可能是由于用户指定的剩余公差适用于所有多重网格。也许这可以加快速度,也许还应该在此处添加一些独立的多网格残差调整。在任何情况下,应减少更多的光线,以通过用户文档确定残留错误来收敛,以限制混乱。

我们没有测试任何批处理模式的流程或云计算;但是,该功能应根据用户文档提供。

许可和费用

我们尚无法获得OMNIS的任何定价信息,并且不知道是否可以使用按需许可。当信息可用时,我们将更新此帖子。

概要

努美卡 欧姆尼斯是一个可靠的工具,可以使从新手到专家的各种CFD用户,都能在单个环境中有效地设置和运行单相流体箱的分析。  在这一点上,后期处理以及高级物理功能(例如移动网格和多相)似乎都受到限制。有人告诉我们,这些改进应该从FINE产品线移植到将来的OMNIS版本中。随着OMNIS的发展,我们一定会密切关注。从到目前为止的经验来看,OMNIS拥有很多希望,尤其是在Numeca完成整合FINE产品线的全部功能之后。

第三部分结论:

在适当的情况下,上面讨论的所有三个工具都有可能变得非常有价值。 COMSOL带来了独特的功能,可以将自定义物理与用于流体动力学的预包装解决方案方法相结合。它还提供强大的多物理场功能以及体面的工作流,预处理和后处理功能。它的缺点是由于依赖有限元方法而导致计算量大(内存和速度),并且在组合多个模块以实现扩展的多物理场时其成本较高。同时,CONVERGE 差价合约拥有大量用于模拟内燃机的先进工具,并迅速为许多应用添加了许多功能。希望在微米级上产生高保真度结果的任何从业人员,其独特的自适应网格划分方法都将引起他们的兴趣,因为在网格划分之前,尚不知道需要网格细化的区域。它的最大缺点是由于预处理的局限性和对第三方后处理程序的要求而造成的笨拙的工作流程,而我们还担心在移动边界问题的每个时间步重新划分网格的计算量。最后但并非最不重要的一点是,OMNIS是NUMECA的一个令人兴奋的新项目,它承诺将其各种软件套件的出色物理建模功能结合到一个集成的工作流环境中。虽然此原始版本在细节方面有点粗糙,并且缺乏任何多物理场功能,但其工作流程很流畅,并且预处理和后处理都足够。我们一定会密切关注其未来的发展。

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