粒子法流体仿真软件shonDy入门教程 Tutorial 01 - Dam Break 2D

CFD之道2019-04-14 14:07:14

粒子法流体仿真软件shonDy的用户界面分为云计算版本shonCloud和普通的桌面版shonDesktop。云计算版本无需安装,通过浏览器即可使用,虽然调用了远端的强大计算资源,但是费用却需要由小编来埋单,所以普通桌面版是一个补充解决方案。两个版本的用户界面相似,下面的算例教学视频是以shonCloud为例。


(手机屏幕太小,请在电脑上全屏观看哟~)


软件环境

除了我们的粒子法仿真软件,用户还需要用到两个开源免费的第三方软件:

SALOME:三维CAD建模软件

ParaView:可视化后处理软件

上面的两个软件扮演了前后处理的角色。这里需要强调的几点包括:

1. 目前shonDy软件导入的CAD文件仅支持ASCII码的STL文件格式。SALOME不是必需的软件,其他的CAD软件也可以同样完成几何建模,只需要导出为STL文本格式即可;

2. CAD建模过程中需要对不同材料的实体分别创建封闭的几何模型,例如一个正方体需要有6个面,如果用户只创建了5个面,而另一个面留空,则无法使用。目前也不支持厚度为0的baffle几何体;

3. 不同的几何模型在空间上不能有重叠,这与我们现实世界的情况是一样的,无法穿墙;

4. 几何模型的单位是m,CAD软件通常是没有长度单位的,那么例如用户输入长度为10的一条直线,那么其含义就是10m。很多用户使用CAD软件的默认思维是mm,这一点要非常注意,一定要转换为国际标准单位的思维。

4. ParaView在打开vtu格式的计算结果后,需要点击Glyph,然后选择All points以全部显示。具体的云图,矢量图的操作,相信各位都是老司机了。


shonDy用户参数输入

下面针对比较敏感的几个参数进行解释

1. Particle radius粒子半径

设置粒子半径类似于网格方法里设置网格的大小,在粒子法计算中,对于固体或流体区域会自动使用相应材料的粒子进行填充,可以脑补为Minecraft里的马赛克效果。在选取粒子半径之前,需要估算一下总粒子数,否则容易获得一个天文数字。例如模拟一个边长为1m的立方形水池,如果粒子的半径设置为0.0005m,那么一个边长的粒子数就是103,那么总的粒子数就是109个,这个数量远远超出了普通的台式电脑的能力。小编推荐大家从二维计算开始,粒子半径不要取太小,粒子数越少,计算越快。在计算得到理想的结果后,再缩小粒子的半径以获得更精细的结果。虽然粒子数没有上限要求,但是在复杂的工程计算问题中,推荐的粒子数不要超过106量级。另外,如果用户在创建几何模型时,误将mm作为单位创建了几何模型,那么必然会出现一个超出普通台式机计算能力的粒子数。

2. Time step时间步长

选取时间步长时,与大家使用普通Euler体系软件一样,都要满足Courant number < 1 的条件。这里用户可以理解为粒子单位时间运动的距离不能超过粒子的间距。具体计算中推荐Courant number 约为 0.1左右,如果觉得计算太慢,可以适当增加时间步长试试。

3. twoDPlaneOffset平面坐标

这是二维计算中需要设置的一个参数,三维计算中无需输入。由于CAD的几何模型都是三维的,例如用户在设置Dimension值为(1, 0, 1)时,也就是选取了XZ平面作为二维计算的平面,那么twoDPlaneOffset就是指切割三维几何体的XZ平面在Y坐标轴上的位置。在shonDy软件使用过程中,右边的3Dviewer小窗会显示切割后获得的二维几何形状。

其他的输入参数,例如几何导入,物性参数等等,小编这里不一一介绍了,相信聪明的你一眼就秒懂了。


基础知识

小编这里借机介绍几个粒子法里的概念,虽然没有出现在参数输入里,但是对于理解算法是有帮助的。

1. Influence radius影响半径

这个隐藏参数在shonDy软件里的默认值是3.1,例如与粒子i的空间距离小于3.1倍粒子直径的那些粒子,都被认为是粒子i的邻居。影响太大半径会使邻居太多,导致矩阵阵带宽太大,计算慢;反之会导致邻居粒子太少,计算失真。

3. Poisson压力方程

类似于SIMPLE算法,粒子法也是将动量方程的速度带入不可压缩流体的连续性方程,然后获得压力的方程,也就是Poisson方程。不过压力的计算没有使用类似SIMPLE的修正算法,而是直接求解压力场的绝对值。

4. Gradient operator梯度算子

梯度算子最重要的应用就是动量方程里压力梯度的计算。

5. Divergence operator散度算子

6. Laplace operator拉普拉斯算子

这个算子理算上是前两个的叠加作用,例如对温度求梯度后,再求散度,就获得了能量方程里的导热项。


限额开放试用申请

目前shonDy的两个用户版本,包括在线云计算版shonCloud和桌面版,向少量用户开放免费试用申请。如果您对我们的软件感兴趣,请邮件联系小编:

王先生 xi.wang@shondynamics.com

邮件中需要说明希望应用的场合或算例描述。我们对每位用户提供一对一的免费在线技术咨询。目前软件仅限于非盈利的学术用途。关于企业用户的使用方式,请与小编联系。

请大家尽量直接邮件联系我,邮件必回。公众号里的留言48小时后无法回复,5天后就会被系统自动删除。所以小编之前错过了很多留言,也有留言看到后但无法回复。

大家在获得软件后,会发现UI和功能已经出现了升级变化,例如增加了简单的在线后处理功能,可以无需下载计算结果,直接在线浏览计算云图。



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