Компьютерное моделирование в судостроении

Специалистами и инженерами компании Т-Сервисы разработаны и успешно используются HPC (High-Performance Computing) методики компьютерного моделирования обтекания судов и их моделей в водно-воздушной среде с учетом наличия свободной поверхности раздела вода/воздух и волнообразования. Методики расчетов обычно включают несколько самостоятельных разделов:

  1. Создание и анализ электронных твердотельных и поверхностных геометрических моделей судов на базе различных систем проектирования.
  2. Разработка технологий построения расчетных сеток для моделирования задач гидрогазодинамики на базе различных CAD/CAE пакетов. Рассматриваются различные подходы и различные топологии сеток (блочные гексаэдральные и тетраэдральные сетки, сетки с многогранными ячейками и т.п.)
  3. Использование и адаптация HPC-технологий и алгоритмов расчета обтекания и буксировочного сопротивления судна применительно к современным CAE/CFD программным пакетам. Анализируются вопросы выбора начального приближения и граничных условий, параметров для достижения устойчивой сходимости решения, работоспособных моделей турбулентности, получения требуемой точности определения силовых и моментных характеристик гидрообъекта и т.д.
  4. Решение ряда типовых задач в области гидродинамики судов, требующих повышенных машинных ресурсов для получения численных результатов с необходимой для практики точностью и в потребное для использования при проектировании время.

На базе использования HPC-технологий ведется разработка аппаратно-программного комплекса «Компьютерное судостроительное моделирование», включающего как структуру аппаратной части, так и состав библиотек, требуемых для его наполнения с целью обеспечения численного решения задач проектирования судов и винтов перспективных типов.

В статье представлены материалы и результаты, иллюстрирующие цикл высокопроизводительных вычислений для задачи определения буксировочного сопротивления модели судна. Геометрия двух моделей (судна «снабженец» и судна «сухогруз») была предоставлена ОАО «Вымпел», г. Нижнмй Новгород. Расчеты проводились на суперкомпьютерной системе , разработанной компанией «Т-Платформы» на базе blade-систем T-Blade собственной разработки. Стандартное шасси T-Blade высотой всего 5U содержит до 10 двухпроцессорных ультратонких вычислительных узлов на базе процессора Intel(R) Xeon(R) E5410 частотой 2.33GHz. Вычислительные узлы системы объединены высокоскоростной коммуникационной сетью Infiniband 4x.

Для проведения расчетов такого класса в качестве основного инструмента были выбраны именно суперкомпьютерные технологии, т.к. выполнить подобные расчеты, на персональном компьютере, не представляется возможным. Причем применение высокопроизводительных технологий необходимо на всех указанных выше 4-х этапах вычислений.

Поясним более подробно. Исходная геометрия судна была сгенерирована и выдана в формате STL (формат файла, используемый для хранения трехмерных моделей объектов для использования в технологиях быстрого прототипирования, обычно, методом стереолитографии, от англ. stereolithography; информация об объекте представляет собой список треугольных граней, которые описывают его поверхность), Поверхность одной из моделей была описана более чем 300 000-ми треугольников. Обработка и «открытие» такого файла в CAD-системе для последующего построения расчетной сетки занимает от нескольких до десятков часов даже на современных мощных процессорах, ввиду отсутствия эффективного параллельного алгоритма импорта CAD-модели. Кроме того, работа с файлами подобных размеров требует мощных графических карт и большого объема оперативной памяти.

Далее следует этап построения поверхностной и объемной (пространственной) расчетных сеток высокого качества, состоящих из нескольких миллионов или десятков миллионов узлов, что требует высокой квалификации инженера, мощных вычислительных ресурсов и больших временных затрат. Для рассматриваемых моделей судов были сгенерированы гексаэдральные сетки со следующими параметрами:

Модель «снабженец»

Модель «сухогруз»

Количество ячеек 4320072 Количество ячеек 5981730
Mesh quality (качество сетки)* 0.333 Mesh quality (качество сетки)* 0.356
Минимальный угол ячейки 19.62 Минимальный угол ячейки 20.88
Aspect ratio (удлинение ячейки) 1230 Aspect ratio (удлинение ячейки) 149

*) Под качеством сетки обычно подразумевается следующее: для треугольных сеток качество определяется как минимум по всем ячейкам отношения высоты к базовой стороне; для тетраэдральных сеток - удлинением тетраэдров; для четырехугольных, гексаэдральных и призматических сеток качество рассчитывается как отношение двух детерминантов – минимального и максимального по всем узлам Якобиана. Теоретическое наилучшее качество сетки описывается значением, равным 1. Генерируемые и используемые на практике сетки обладают обычно качеством 0.2-0.3 и выше.

Для проведения полного цикла расчетных исследований, необходимого для получения информации с высокой точностью на этапе проектирования и анализа свойств гидрообъекта, в проектно-конструкторском бюро отводится обычно 15-20 дней. За это время требуется провести расчеты обтекания для 10-15 режимов по скорости буксировки и/или другим параметров обтекания (в нашем случае для каждой модели судна таких режимов было 9 в диапазоне скоростей от 0.7 до 2.1 м/с при двух различных значениях параметров начальной турбулентности потока). Расчет таких задач на персональном компьютере практически невозможен из-за недостатка как оперативной памяти, так и быстродействия процессоров. В то же время применение суперкомпьютера указанной выше конфигурации сделало такие расчеты возможными и реальными в пределах выделенного под задачу времени.

01

02

Рис. 1. Сетка на поверхности модели судна «снабженец»

Рис. 2. Сетка на поверхности модели судна «сухогруз»

03

04

05

06

Модель «снабженец» Модель «сухогруз»

Рис. 3. Распределение давления на боковой поверхности
и на поверхности днища судна (скорость 2.1 м/с)

07

08

Рис.4 Распределение давления на свободной поверхности раздела вода – воздух для модели судна «снабженец»
(скорость 2.1 м/с)
Рис. 5. Форма свободной поверхности раздела вода-воздух около модели судна «сухогруз» (скорость 2.1 м/с)

На рис. 6 представлены зависимости буксировочного сопротивления (в ньютонах) от скорости буксировки для моделей «снабженец» и «сухогруз». Сплошные кривые соответствуют экспериментальным значениям, полученным в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова; прозрачные и черные маркеры – результаты расчетов, полученные для двух различных параметров турбулентности потока, 5% и 0.1% соответственно. Проведенные параметрические расчетные исследования показали достаточно сильное влияние уровня начальной турбулентности воды на величину буксировочного сопротивления, вплоть до 25-35%. Расчеты также позволили определить, что экспериментальным режимам буксировки моделей на тихой, спокойной воде соответствует параметр турбулентности, близкий к 0.1%. При этом значении турбулентности потока наблюдается наилучшее согласование результатов расчетов с экспериментальными данными.

09

10

Модель «снабженец» Модель «сухогруз»

11 - экспериментальная кривая буксировочного сопротивления модели на тихой воде (ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова),

12 - расчет ( уровень начальной турбулентности воды 0.1 %),

13 - расчет (уровень начальной турбулентности воды 5.0 %),

В результате проведенного компьютерного моделирования расчетным путем получены картины обтекания в широком диапазоне скоростей движения гидрообъекта (рис.1-5). Применение суперкомпьютера и высокопроизводительных технологий позволило с высокой точностью получить значения буксировочного сопротивления и выявить основные локальные особенности течения. Рассчитанные значения хорошо согласуются с экспериментальными данными по буксировке моделей судов в условиях спокойной воды, которым в расчетах соответствует уровень начальной турбулентности потока 0.1% (черные маркеры на графиках Рис. 6).

Результаты получены с высоким уровнем дискретизации физического пространства в расчетной области за разумное для применения при конструировании время. Это позволяет надеяться, что применение методов высокопроизводительных вычислений войдет в повседневную практику при проектировании и исследовании различных объектов водного транспорта.

 

 

Публикация согласована с заказчиком.