• Стационарные и нестационарные.
• Ламинарные и турбулентные.
• Ньютоновские и неньютоновские.
• Сжимаемые и несжимаемые.
• Среды с распределенным сопротивлением (пористые среды).
• Течения с несколькими потоками.
Турбулентность можно учесть включением в уравнение Навье-Стокса моделей для определения осредненных Рейднольдсовых напряжений (RANS) или с помощью модели крупных вихрей (LES).
Возможно моделирование течений во всем диапазоне скоростей - от малых дозвуковых скоростей, до транс- сверх звуковых сжимаемых течений.
Также моделируются
• Наличие теплообмена (конвективного, через теплопроводность и излучение).
• Массоперенос.
• Химические реакции (включая горение).
• Естественная конвекция.
• Вращение.
• Дисперсные многофазные течения.
• Течения со свободной поверхностью (включая кавитацию).
В пакете имеется несколько моделей горения, описывающих гомогенные реакции, управляемые химической кинетикой и/или турбулентным перемешиванием. Гетерогенные реакции на поверхности могут быть смоделированы с помощью дополнительных пользовательских подпрограмм.
Вихревые течения во вращающихся областях могут быть смоделированы во вращающейся системе отсчета. Существует возможность решения задачи с несколькими вращающимися системами отсчета, например, для моделирования установившихся течений в многоступенчатых турбомашинах.
Возможность моделирования многофазных течений позволяет решать задачи переноса тепла, массы и импульса между сплошной средой и дисперсной средой в виде частиц, пузырьков или капель.
Граничные условия
Имеется большой выбор вариантов граничных условий, которые позволяют моделировать широкий спектр реальных ситуаций:
• Заданное распределение скорости.
• Выход.
• Заданное давление.
• Стенка.
• Перегородка.
• Периодическая граница.
• Плоскость симметрии.
• Заданные параметры торможения.
• Граница, не отражающая скачки уплотнения.
• Граница, не отражающая волны давления.
Заданное распределение скорости (INLET), как правило, используется для описания входных границ, через которые жидкость втекает в расчетную область, но может также использоваться и для задания выходных границ, через которые жидкость покидает расчетную область.
Граничное условие для выхода (OUTLET) применяется там, где жидкость покидает расчетную область и нормальные градиенты параметров течения на границе равны нулю.
Граничные условия на стенке (WALL) предполагают условие прилипания как на неподвижной стенке, так и на подвижной стенке (т.е. можно задать скорость движения стенки). возможно также задание условия непротекания.
Перегородки (внутренние бесконечно тонкие стенки) (BAFFLE) могут быть проницаемыми (пористыми) или непроницаемыми.
На периодических границах (CYCLIC) «выходные» параметры течения на границе, через которую жидкость вытекает из расчетной области, используются в качестве «входных» параметров на парной границе, через которую жидкость втекает в расчетную область.
Граничные условия торможения (STAGNATION) используются на входных границах, где известны параметры торможения.
Для описания параллельных потоку границ, на всем протяжении которых течение является сверхзвуковым, используется граничное условие не отражающее скачки уплотнения (FREE-STREAM).
Граничные условия, не отражающие волн давления (TRANSIENT WAVE) используются для описания выходных границ областей нестационарных сжимаемых течений, чтобы предотвратить отражение волн давления обратно в расчетную область.
Граничные условия могут задаваться как постоянными по всей граничной области, так и зависящими от координат и/или времени. Эта зависимость может описываться как с помощью таблицы, так и с помощью пользовательских подпрограмм на языке FORTRAN.
PROSTAR
• Представляет собой пре/постпроцессор пакета STAR-CD.
• Современный дружественный графический интерфейс пользователя STAR GUIde.
• Возможность работы с командной строкой и файлами скриптов.
• Оперативный доступ к системе помощи и справочным руководствам.
Система STAR GUIde (игра слов: guide - гид, проводник; GUI, Graphical User Interface - графический интерфейс пользователя; Ide, IDE, Integrated Development Environment - интегрированная среда разработки) построена таким образом, чтобы последовательно вести пользователя по всем этапам создания модели - от построения сетки до получения решения и обработки результатов.
Средства обработки результатов (постпроцессинга) позволяют отображать векторные и скалярные поля различных параметров, изолинии, траектории частиц (линии тока), а также создавать анимации и пространственные композиции. В дополнение к этому имеются средства отображения результатов на произвольных секущих поверхностях и переноса результатов на другую сетку. Векторные поля могут быть отображены с расчетной сетки на равномерную декартову ортогональную «презентационную» сетку.
FlowVision
Программный комплекс FlowVision (https://flowvision.ru/) решает трехмерные уравнения динамики жидкости и газа: уравнения Навье-Стокса (законы сохранения массы и импульса) и уравнение переноса энтальпии (закон сохранения энергии). При расчёте сложных течений, сопровождаемых дополнительными физическими процессами (турбулентность, горение, движение контактных границ, и т. д.), решаются дополнительные уравнения, описывающие эти процессы. Совокупность всех дифференциальных уравнений, уравнений состояния, начальных и граничных условий называется математической моделью.
Дифференциальные уравнения аппроксимируются на расчётной сетке в предположении, что каждая ячейка представляет собой конечный объём, в котором скорости изменения физических величин сбалансированы потоками этих величин через грани ячейки. Уравнения Навье-Стокса решаются методом расщепления по физическим процессам аналогичным проекционному методу MAC.
В основе FlowVision - новейшие технологии вычислительной гидродинамики и компьютерной графики:
- Прямоугольная сетка с локальным измельчением расчетных ячеек;
- Аппроксимация криволинейных границ расчетной области методом подсеточного разрешения геометрии;
- Импорт геометрии из системы автоматизированного проектирования или конечно-элементной программы в виде поверхностной сетки (связанных треугольников);
- Язык программирования C++;
- Клиент-серверная архитектура;
- Совершенный пользовательский интерфейс, написанный для операционных систем Windows и Linux;
- Высококачественная графика на основе OpenGL.
FlowVision является интегрированной системой - препроцессор (часть программы, в которой создаётся и редактируется расчётный проект), блок расчета уравнений и постпроцессор (часть программы, в которой анализируются результаты расчета) объединены и работают одновременно. Это позволяет пользователю проводить моделирование и одновременно анализировать результаты, менять граничные условия и параметры математической модели.
К недостаткам рассмотренных коммерческих пакетов можно отнести сложность освоения, высокие требования к ресурсам ЭВМ и высокую стоимость лицензий.
OpenFOAM
OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) (https://www.openfoam.org) – это открытая интегрируемая платформа для численного моделирования задач механики сплошных сред, инструментарий вычислительной гидродинамики. Свободный пакет, представляющий визуальную среду + библиотека C++. Очень внушительный по объему пакет, предназначен прежде всего для задач гидродинамики. OpenFOAM представляет собой набор модулей для моделирования задач из различных научных областей, позволяющих решать следующие задачи:
- Прочностные расчеты;
- Гидродинамика ньютоновских и неньютоновских вязких жидкостей как в несжимаемом, так и сжимаемом приближении с учётом конвективного теплообмена и действием сил гравитации. Для моделирования турбулентных течений возможно использование RANS-моделей, LES и DNS методов. Возможно решение дозвуковых, околозвуковых и сверхзвуковых задач;
- Задачи теплопроводности в твёрдом теле;
- Многофазные задачи, в том числе с описанием химических реакций компонент потока;
- Задачи, связанные с деформацией расчётной сетки;
- Сопряжённые задачи;
- Некоторые другие задачи, при математической постановке которых требуется решение ДУ в ЧП в условиях сложной геометрии среды.
Достоинства и недостатки, аналоги:
Благодаря модульной системе, пользователь может установить только те компоненты системы, которые ему нужны.
Помимо основных модулей, существуют специализированные модули:
- Несжимаемые течения;
- Сжимаемые течения;
- Многофазные течения;
- Моделирование методом крупных вихрей и прямое численное можелирование
- Горение;
- Задачи молекулярной динамики;
- Методы частиц в ячейках;
- Теплопередача;
- Прямое статистическое моделирование;
- Электоромагнитные поля;
- Твердые тела;
- Финансы.
Конвертация между различными форматами входных и выходных данных также выполнена модулями для работы с форматами ANSYS, Fluent, STAR-CD.
Недостатком программы является сложная идеология OpenFOAM. Пользователю необходимо быть программистом для того, чтобы начать использовать различные расчетные модули для реальных задач. Кроме того, пакет работает только в операционной системе Linux.
FEniCS
Программный пакет FEniCS (https://fenicsproject.org/) был разработан для автоматизированного и эффективного решения уравнений в частных производных, включая решение вариационных задач и контроль ошибок. Пакет имеет обширную библиотеку конечных элементов и высокопроизводительную линейную алгебру. При своём использовании пакет позволяет работать на языках С++ и Python в операционных системах Linux, Windows и Mac OS.
FEniCS состоит из набора взаимодействующих между собой компонентов, которые включают в себя среду для решения задач DOLFIN, компилятор форм FFC, конструктор конечно-элементных базисных функций FIAT, компилятор кода во время выполнения (just-in-time) Instant, интерфейс для генерации кода UFC, язык формы UFL и ряд дополнительных компонентов.
Основной пользовательский интерфейс пакета FEniCS реализован с помощью библиотеки DOLFIN на языках программирования C++/Python.
Библиотека DOLFIN обеспечивает среду для решения задач, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных, и реализует основную часть функциональных возможностей программного пакета FEniCS, в том числе структуру данных, алгоритмы для обработки расчётных сеток и сборки конечных элементов.
Сам DOLFIN функционирует и как пользовательский интерфейс, и как один из основных компонентов FEniCS. Вся связь между пользовательской программой, другими главными компонентами FEniCS и внешним программным обеспечением осуществляется через промежуточные слои (wrapper layers), которые реализованы в рамках пользовательского интерфейса DOLFIN.
DOLFIN также использует внешнее программное обеспечение для обеспечения основных функциональных возможностей: библиотеки линейной алгебры PETSc, Trilinos, uBLAS и MTL4, библиотеки, отвечающие за разбиении сетки в случае параллельных вычислений: ParMETIS, SCOTCH (Pellegrini) и другие.
Как и в случае OpenFOAM пользователю необходимо быть программистом для реального использования возможностей пакета. Однако работа с пакетом существенно облегчается из-за возможности использования языка программирования Python и мультиплатформенности пакета.