Моделирование задач теплообмена и гидрогазодинамики с помощью свободного программного обеспечения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 004.051+519.688+536.24.02

Е. А. ЦЫНАЕВА, А. А. ЦЫНАЕВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОГАЗОДИНАМИКИ С ПОМОЩЬЮ СВОБОДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Предпринят анализ возможностей использования свободного программного обеспечения для моделирования задач теплообмена и гидрогазодинамики.

Ключевые слова: гидрогазодинамика, моделирование, программное обеспечение, теплообмен, численные методы.

Широкое развитие компьютерной техники позволяет во многом заменить теплофизический эксперимент численным моделированием. Это может значительно снизить затраты на научные изыскания или на проектирование новых образцов техники. Однако современные коммерческие пакеты для моделирования задач теплообмена и гидрогазодинамики (Ansys, FlowVision, Catia и т. д.) имеют значительную стоимость [1, 2, 3], что приводит к ограничению использования таких пакетов при проведении научных исследований бюджетными исследовательскими организациями. В этой связи альтернативой коммерческих пакетов для решения таких задач становится свободное программное обеспечение на базе Linux [4].

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОГАЗОДИНАМИКИ

Моделирование задач теплообмена и гидрогазодинамики в основном состоит из следующих этапов: создание геометрии исследуемой задачи, создание сетки, задание граничных условий, решение задачи, представление результатов моделирования.

Для разработки геометрии исследуемого объекта (сопла, двигателя, помещения и т. д.) из свободного программного обеспечения на базе Linux можно использовать Salome [5], FreeCAD (JuergenRiegel's) [6] и др. Кроме того, пользователь может создавать файл геометрии в привычном для себя программном комплексе и использовать его в дальнейшем путём импорта. Однако имеются ограничения по поддерживаемым форматам файлов при последующем создании сетки

© Цынаева Е. А., Цынаева А. А., 2014

или задании граничных условий. Разбиение сетки осуществляется несколькими программными продуктами, работающими с операционной системой Linux: Salome [5], Gmsh [7], Netgen [8] и др. Одним из самых удобных, на наш взгляд, из вышеперечисленных продуктов является Salome [5], разрабатываемая с 2000 года и позволяющая выполнять построение геометрии практически любой сложности с построением неравномерной сетки различной конфигурации. На рис. 1 представлен простейший пример построения геометрии исследуемой области, разработанный с применением методических указаний, представленных на сайте компании «Ладога» [9]. Основные методики использования программного комплекса Salome как для пользователей, так и для программистов представлены на сайте разработчика [5]. Особенностью данного продукта является возможность построения геометрии, создание сетки, постпроцессорное представление результатов. Кроме того, к данному продукту могут быть подключены различные решатели, в зависимости от физики моделируемого процесса.

При моделировании процессов теплопроводности к программному комплексу подключается программный продукт CodAster [10], который позволяет решать задачи данного класса. Этот программный продукт позволяет задавать как точечные, так и объёмные источники теплоты и рассчитывает температурное поле исследуемого объекта. Результаты моделирования представляются с помощью средств постпроцессорной обработки в Salome [5].

Моделирование задач сложного теплообмена и гидрогазодинамики начинается с построения расчётной области в программном комплексе Salome, который служит также для создания

Ntr tdit Vii-яг Nn Hilft у 0|M4,iriccr. n^hiir MiMuirrS JboK Window |

- Ш

Ымпг-Мес. 2013.1 - [Studyl J

1 D — J U LD Äi,i|jÄG™r,pfr* Цв * I1 // И «в

iXijit I Нти-мч_i '

±H

. f'H-1 i

c*:: vm . vWtml

1p p ря + «?1>зваээа а e ф ч. "tu »i d. ua ^ » s-

■ ■ а

а)

Sflonw-Mcu 2013.1 - (Sludyl J - + X

Ntr fdit Vii-rt Hi-.h CimtroH МскИГн .iCiori UMMMMMS iool\ WilHhm HHp =3

f □ «j li ж I и "^ia\* » p и н ~ -пг"- - Hl • Hl •Hl * Hl Д

ЕЛ

6)

Рис.1. Построение геометрии исследуемой области (а) и сетки (6) в Salome

сетки. При этом сетка может быть структурированной или нет. Программный комплекс Salome служит в таком случае для определения геометрии граничных условий: задаются поверхности стенок расчётной области, вход, выход расчётной модели. На рис. 1а показан пример построения расчётной области для моделирования течения в сопле Лаваля, рис. 16 иллюстрирует возможности построения сетки. При этом на рисунке представлена сетка без сгущения у стенок устройства. В действительности инструменты программного продукта Salome позволяют производить сгущение сетки.

При решении задач гидрогазодинамики [11] и сложного теплообмена [12] можно использовать

программный комплекс CodSatume [13] или программный продукт с открытым программным кодом OpenFOAM [14] в зависимости от квалификации пользователя и сложности поставленной задачи. В таком случае разработанная в программном продукте Salome геометрия и сетка экспортируются во внешний решатель. При этом задача может решаться в стационарной и нестационарной постановке, для ламинарного или турбулентного режима движения жидкости, без учёта или с учётом сжимаемости рабочего тела. Кроме того, CodSatume [13] использует классический метод моделирования турбулентного течения с применением различных моделей турбулентности [11].

Рис. 2. Интерфейс программного комплекса CodSatume

Рис. 3. Распределение скоростей

На рис. 2 представлено окно программы CodSaturne, использующей в качестве данных препроцессора расчётную область (рис. 1), созданную в программном комплексе Salome [5]. При этом экспорт геометрии расчётной области, сетки и граничных условий осуществлён при экспорте данных в файл с расширением med, используемом решателем CodSaturne [13] для импорта данных из Salome [5].

На рис. 3 представлено полученное в открытом программном продукте CodSaturne [13] решение для ламинарного течения несжимаемой жидкости в сопле Лаваля, постпроцессорная обработка проведена средствами Salome.

Для менее опытного в программировании пользователя будет удобнее использовать CodSatume [13], однако это мнение является субъективным. Кроме того, при использовании OpenFOAM [14] можно применять не только стандартные решатели, но и разрабатывать свои с использованием оригинальных математических моделей и методов. Использование OpenFOAM [14] сопряжено с применением языка программирования С++. CodSatume [13], Salome [5], а в качестве опорного языка Python [15].

Результаты численного решения задач теплообмена и гидрогазодинамики могут быть

визуализированы с помощью средств Salome [5], а результаты решения для каждого элемента сохраняются в файлах результатов.

В заключении нужно отметить, что свободное программное обеспечение позволяет решать не только инженерные, но и научно-исследовательские задачи в области теплообмена и гидрогазодинамики. При этом могут быть реализованы оригинальные модели турбулентности в задачах гидрогазодинамики и теплообмена.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Системы автоматизации инженерных расчётов. Электронный ресурс. http://www.cadfem-cis.ru/service/license/buy/

2. Электронный ресурс. http://flowvision.ru

3. Электронный ресурс. http://www.3ds.com/ products-services/ catia/

4. Электронный ресурс. http://www.caelinux. com/CMS/

5. Электронный ресурс. http://salome-platform. org/

6. Электронный ресурс. http://sourceforge.net/ projects/free-cad/

7. Электронный ресурс. http://www.geuz.org/ gmsh/

8. Электронный ресурс. http://www.hpfem. jku.at/netgen/

9. Электронный ресурс. http://www.laduga.ru/ salome/salome.shtml

10. Электронный ресурс.http://www.code-aster.org/V2/spip.php7rubrique2

11. Ковальногов, Н. Прикладная механика жидкости и газа / Н. Ковальногов. - Ульяновск : УлГТУ, 2010.

12. Исаченко, В. Теплопередача / В. Исаченко и др. - М : Энергия, 1975.

13. Электронный ресурс. http://code-saturne. org/cms/

14. Электронный ресурс. http: //www. openfoam.org

15. Лутц, М. Программирование на Python/ М. Лутц. - Т. I, II. - 4-е изд. - Санкт-Петербург : Символ-Плюс, 2011.

Цынаева Екатерина Александровна, кандидат технических наук,доцент кафедры «Теплоэнергетика» УлГТУ. Имеет статьи и разработки в области численного моделирования и теплоэнергетики.

Цынаева Анна Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазо-снабжение и вентиляция» Самарского государственного архитектурно-строительного университета, доцент кафедры «ТЭС» Самарского государственного технического университета. Имеет статьи и разработки в области численного моделирования, теплоэнергетики и теплотехники.

УДК 004.054

А. И. АФАНАСОВА

ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНИВАНИЯ КАЧЕСТВА АКАДЕМИЧЕСКИХ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ

Рассматриваются особенности методики оценивания качества академических программных продуктов, приводится описание разработанной «Программы оценки качественных характеристик академических программных продуктов на основе методики Холстеда».

Ключевые слова: метрики Холстеда, оценивание качества академических программных продуктов.

Введение

Проектно-ориентированное обучение (ПОО) и преподавание возникло около ста лет назад (первые публикации относятся к 1918 году).

© Афанасова А. И., 2014

В Ульяновском государственном университете ПОО возникло в 1989 году на кафедре «Математическая кибернетика и информатика» (в настоящее время - кафедра «Информационные технологии») при чтении дисциплин, связанных с вычислительной математикой и программированием. В УлГТУ ПОО существует с 1995 года