Гаврилов А.А.   Дектерев А.А.   Минаков А.В.   Харламов Е.Б.   Чернецкий М.Ю.  

Анализ состояния и пути развития универсальных пакетов программ для решения задач гидро-газодинамики и теплообмена

Докладчик: Дектерев А.А.

Пакеты программ для моделирования задач гидро-газодинамики и теплообмена (CFD пакеты) широко используются для анализа структуры течения и характеристик теплообмена при решении большого класса научных и технологических задач. Пакеты программ можно условно разделить на две категории, это специализированные программы, предназначенные для решения узкого класса задач и универсальные программы, позволяющие моделировать большую совокупность физических процессов.
Специализированные программы, обычно более эффективно решают конкретные задачи и позволяют специалистам в предметной области не вникать в тонкости физических моделей и алгоритмов расчета. Универсальные же программы требуют достаточной квалификации в моделировании, что бы получить корректные результаты при решении конкретной задачи, но позволяют с использованием одной программы решать различные задачи.  
В основном к универсальным CFD программам относятся коммерческие продукты, поддерживаемые крупными компаниями разработчиками софта: ANSYS – пакеты Fluent, CFX; CD adapco – STAR CD, STAR CCM+; российская компания ТЕСИС – FlowVision и др., но существуют и универсальные университетские CFD пакеты и свободно распространяемые программы, например: OpenFoam, Saturn и др.
Коллектив авторов использует для решения задач как коммерческие программы, так и развивает свой пакет программ «SigmaFlow» реализующий традиционную для универсальных CFD пакетов методологию: дискретизация исходных уравнений в криволинейных неортогональных координатах, на центрированном шаблоне; решение системы уравнений глобальными итерациями в рамках концепции расщепления по физическим процессам с использованием процедуры согласованной коррекции давления (SIMPLE) с регуляризацией Рхи-Чоу; дискретизация конвективных членов уравнений переноса в неявной части по противопоточным односторонним разностям и коррекцией в явной части до схем повышенного порядка аппроксимации; решение разностных уравнений многосеточными методами. Параллельные вычисления реализованы посредством декомпозиции расчетной области и использования MPI для обмена информации между подобластями. Ведутся работы по созданию версии программы для вычислений на GPU.
За последние годы коллективом решен широкий круг прикладных задач гидродинамики и теплофизики, в результате создан набор специализированных расчетных модулей.
С использованием «SigmaFlow» моделируются следующие процессы: стационарные и нестационарные течения жидкости и газа; течения неньютоновских жидкостей; турбулентные течения с использованием (U)RANS и гибридных RANS/LES моделей; конвективный, кондуктивный и радиационный теплообмен; химическое реагирование и процессы смешения в многокомпонентных смесях; горение газообразного, жидкого и твердого топлива; движение дисперсной фазы в несущем потоке (твердые частицы, капли, пузыри); задачи со свободными границами; движение твердых тел в газовом потоке; течения с фазовыми переходами (плавление кристаллизация); кавитационные течения.