Постановка задачи. 
Выбор класса вычислительной системы

Задачей курсового проекта является изучение вычислительных систем для решения задач гидрои газодинамики, рассмотрение структуры сети вычислительных машин которые способны решать такие задачи, и определение необходимых вычислительных машин для реализации такого рода задач на практике.

Сфера: использование ЭВМ в системах моделирования.

Изложению материала по теме, обозначенной в названии данной работы, уместно предпослать краткую ретроспективу развития методов и средств численного моделирования течений жидкости и газа. С появлением первых ЭВМ активная работа в этом направлении началась в конце 50-х годов прошлого века и традиционно относилась к области естественных наук. До середины 80-х годов возможности вычислительной гидрогазодинамики ограничивались решением важных, но, по сути, модельных задач для упрощенных геометрических и граничных условий течения. В Советском Союзе в этой области работали сотни высококлассных специалистов: достаточно упомянуть школы академиков А. А. Самарского, О. М. Белоцерковского, Н. Н. Яненко, научные коллективы в МГУ, МФТИ, ИПМ, ЦАГИ, ЦИАМ, МФТИ (Москва), ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ГИПХ, ЦКТИ (Санкт-Петербург).

В те годы уровень и практический выход проводимых в нашей стране исследований полностью отвечал, а по ряду составляющих и превосходил мировой уровень. Принципиально новый этап в развитии вычислительной гидрогазодинамики начался в конце 80-х годов. В результате, в течение 10−15 лет сформировались наукоемкие технологии численного инженерного анализа трехмерных течений и теплообмена в условиях реальной геометрии и при реальных условиях функционирования рассматриваемых объектов. В большой мере этому способствовало развитие численного метода конечных объемов, относительно легко воспринимаемого инженерным корпусом. К сожалению, данный этап совпал с глубочайшими изменениями в обществе и экономике России и, как следствие, только единичным научным коллективам в нашей стране удалось начать и систематически продолжать работы по освоению быстро совершенствующихся составляющих вычислительных технологий и созданию отвечающих нынешним реалиям собственных программных средств, аккумулирующих усилия нескольких десятков человеко-лет.

Текущий момент характеризуется широким внедрением во все передовые отрасли науки и промышленности прикладных программных пакетов вычислительной гидрогазодинамики и теплофизики, как неотъемлемой части комплекса CAD-CAE информационных технологий и исследовательского инструментария. Применение этих программ при проектировании образцов новой техники позволяет резко снизить затраты и сократить сроки создания новых изделий. Мировой рынок программ вычислительной гидрогазодинамики и теплофизики, представленный такими пакетами, как Fluent, Ansys-CFX, Star-CD, CFD-ACE и рядом других, превышает в годовом исчислении 300 млн. долларов и возрастает ежегодно почти на 20%. Параллельно в передовых странах на базе университетов и исследовательских центров развиваются и создаются программы вычислительной гидрогазоодинамики, не имеющие столь широкого охвата прикладных задач, как коммерческие программы, но позволяющие разрабатывать и апробировать новые физические модели и математические алгоритмы, а также отрабатывать методики расчета течений, с акцентом на наиболее адекватное воспроизведение данных экспериментов. Несомненно, именно сочетание коммерческих и развитых университетских программных продуктов позволяет эффективно прикладывать достижения вычислительной гидрогазодинамики и осуществлять профессиональную подготовку специалистов, столь необходимых сегодня для промышленности, научных и образовательных учреждений.

Современные средства вычислительной гидрогазодинамики должны давать возможность:

• — решать полные стационарные и нестационарные уравнения Навье-Стокса в областях произвольной геометрии;
• — использовать инерциальные и неинерциальные систем отсчета, как порознь, так и совместно;
• — моделировать течения при малых и больших числах Маха;
• — использовать различные подходы к моделированию турбулентности (осреднение по Рейнольдсу или же различные вихре-разрешающие методы);
• — решать задачи сопряженного и сложного теплообмена; - осуществлять учет реальных свойств и многофазности среды, физико-химических процессов и т. д.;
• — выполнять параллельные (распределенные) вычисления.

Существует огромное количество программных пакетов для решения задач гидрои газодинамики, но следует рассмотреть один из самых современных и распространенных пакетов ANSYS LS-DYNA.

LS-DYNA — многоцелевой решатель, разрабатываемый в компании Livermore Software Technology Corporation (LSTC), основным применением которого является моделирование высоконелинейных динамических процессов. Список областей физики, в которых возможно применение данного решателя постоянно увеличивается, хотя основной дисциплиной для него остается механика деформируемого твердого тела. В состав ANSYS LS-DYNA входит два эффективных пре/постпроцессора для работы с данным решателем. вычислительный машина газодинамика задача.

LS-DYNA и ANSYS Mechanical APDL

Интерфейс ANSYS Mechanical APDL обладает возможностями низкоуровневой подготовки моделей для LS-DYNA и анализа их результатов. В состав языка APDL входят не только команды для построения модели, но и для взаимодействия решателей ANSYS и LS-DYNA. Такое взаимодействие может быть полезно в случае использования разных схем интегрирования по времени на раз шагах расчета: переход от явной к неявной схеме (exptlicit-to-implicit) при расчете пружинения или наоборот, от неявной к явной (implicit-to-explicit) для учета монтажных нагрузок и статического преднапряженного состояния конструкции.

Типовые задачи:

• — Задачи ударостойкости конструкций при больших деформациях, скоростях деформаций и разрушении материалов: столкновения автомобилей и других транспортных средств, тесты на падение различного оборудования, аварийное разрушение промышленного оборудования и силовых установок, баллистический удар и проникание тел в различные среды, прогрессирующее разрушение зданий и сооружений и пр.
• — Задачи взрыва и ударно-волнового нагружения конструкций: детонация зарядов взрывчатых веществ, распространение ударных волн в различных средах.
• — Связанные динамические задачи взаимодействия жидкостей и конструкций: падение и прострел контейнеров с жидкостью, аварийная посадка летательных аппаратов на воду, воздействие высокоскоростных струй жидкостей и газов на конструкции при больших деформациях и перемещениях.
• — Квазистатические и динамические задачи поведения материалов при больших деформациях: обработка металлов давлением, резка, задачи геомеханики и деформирования материалов со сложным физико-механическим поведением.
• — Термомеханические нестационарные задачи.

ANSYS Workbench LS-DYNA ACT

ANSYS совместно со специалистами LSTC разрабатывает ACT-расширение, позволяющее использовать решатель LS-DYNA в современном интерфейсе ANSYS Mechanical. Данный подход позволяет инженерам получить удобство работы с геометрией, параметризацией и построением КЭ-сетки, присущее Workbench, при этом не теряя возможностей решателя LS-DYNA. Если пользователям потребуется еще больше возможностей, то они всегда могут подключить командные объекты в формате *.k для загрузки дополнительных моделей материалов, свойств контактов, выбора типов элементов и схем интегрирования, настроек решателя и многого другого.

Поддерживаемые численные методы:

• — Метод конечных элементов в лагранжевой постанове (Lagrange)
• — Метод конечных элементов в эйлеровой постановке постанове (Euler)
• — Метод конечных элементов в произвольной лагранж-эйлеровой постановке (Arbitrary Lagrange Euler, ALE)
• — Расширенный метод конечных элементов (Extended FEM, X-FEM)
• — Метод граничных элементов (Boundary Element Method, BEM)
• — Метод сглаженных частиц (Smooth Particle Hydrodynamics, SPH)
• — Метод дискретных элементов (Discrete Element Method, DEM)
• — (Адаптивный) Бессеточный метод Галеркина ((Adaptive) Element free Galerkin, EFG)
• — Перидинамика (Peridynamics)
• — Метод сглаженных частиц Галеркина (Smoothed Particle Galerkin, SPG)