Сопряженный теплообмен в сложных сборках. Часть 1.

 Речь пойдет о методе решения задач сопряженного теплообмена на основе реальной геометрии, которая, как правило, имеется у технологов. Т.е. геометрия в том виде, в каком она выглядит в железе (пластике), до сборки или после сборки. Очевидно, такие геометрические данные не пригодны для построения расчетных сеток, т.к. имеется бесконечное число совпадений поверхностей и даже пересечений.

Однажды нам потребовалось решить такую задачу. Это была сборка мобильного телефона, состоящая более чем из четырехсот деталей. Для решения такой нетривиальной задачи нашими разработчиками была предложена достаточно простая концепция, не потребовавшая разработки нового продукта :)

Подробное изложение методики с примерами обнаружите под катом.



Сопряженный теплообмен в сложных сборках
Часть 1. Геометрия

Почему мы не можем использовать реалистичную геометрию для решения CFD задач? Во-первых, возникают проблемы с разрешением мелких деталей геометрии, во-вторых, совпадающие и пересекающиеся поверхности не способствуют нормальному построениею объемной расчетной сетки.

Если с первой проблемой FlowVision справляется изначально (благодаря подсеточному разрешению геометрии и локально-адаптивному измельчению сетки), то столкнувшись со второй проблемкой, разработчикам пришлось пофантазировать.

Поясню на примере.

Инженер, подготавливающий геометрию в CAD системе в целях, например, контроля технологического процесса сборки или для обеспечения автоматизированного изготовления деталей по трехмерным моделям, конечно же помнит о зазорах и допусках, но на 3D модели это не отражается. Если имеем плоскость, а на ней установлены конденсаторы/цистерны/теплообменники, то сборка будет создаваться без зазора. В итоге плоскость фундамента/печатной платы будет совпадать с плоскостью конденсатора/цистерны. В случае сборки с гибкими деталями (защелки на пластиковых корпусных деталях, например, или металлические пружинящие контакты) в геометрии будут присутствовать даже пересечения объемов. См рис. 1.

 

Рис. 1. Линия (красная) пересечения плоскости и поверхностей трехмерной модели.

FlowVision не в состоянии определить, как построить ячейку, обрезанную, двумя совпадающими плоскостями. Если бы плоскости не пересекались, все было бы однозначно: ячейка делится плоскостями и разбивается на три объема. А если плоскости совпадают, то один из объемов получается нулевым. Что делать с ячейкой нулевого объема? Как корректно выбросить ее из расчета?

От сюда и строгое правило: основная геометрия должна быть образована замкнутыми, не пересекающимися объемами. Кроме пересечений, не допускаются еще и совпадения поверхностей.

Простую сборку можно пересобрать, "подсушить детали", создав необходимые зазоры. Но просить технолога переделать сборку из нескольких сотен деталей под нужды расчетчиков - угроза собственному здоровью :)

Решение проблемы во FlowVision:

1. Устранение крупных пересечений. Геометрия в CAD системе проходит минимальную подготовку по устранению крупных пересечений (пружинящие / гибкие детали, например)
2. Экспорт в сеточный формат. Геометрия из CAD экспортируется в сеточный формат как есть, при экспорте каждая деталь (один замкнутый объем) экспортируется в отдельный файл
3. Создание сборки во FlowVision. Производится пакетный импорт во FlowVision, сам FlowVision компанует группу файлов в сборку.
4. Устранение совпадения поверхностей. В процессе импорта сборки во FlowVision производится оффсет (сеточная поверхность сдвигается на указанную виличну внутрь объема, порядка 10-100 допусков импорта). После этой операции между всеми поверхностями образуется зазор
5. Поиск ошибок в геометрии. Во FlowVision реализован инструмент поиска самопересечений, которым настоятельно рекомендую пользоваться при работе с несколькими поверхностями. Если пересечения будут обнаружены, то появится импортированный объект, состоящий из пересекающихся фасеток. Он будет крайне полезен для поиска проблемных мест.
6. Устранение самопересечений. Большинство пересечений после оффсета связаны с кривой сеткой, с недостаточной точностью при экспорте, с цилиндрическими поверхностями. См. рис.2. на котором проиллюстрирована причина проблем вложенных цилиндрических объемов. Устранение самопересечений возможно двумя путями, пригодными в разной степени в разных ситуациях
1. Редактирование геометрии во FlowVision. C версии 3.08.01 значительно расширились возможности по работе с геометрией. В частности отдельные поверхности основной геометрии можно масштабировать, двигать, оффсетить. В случае большого числа плоских поверхностей для устранения самопересечений вполне достаточно этих инструментов.
2. Редактирование геометрии в сторонних пакетах, например в 3DTransVidia. И самое главное, с версии 3.08.01 наконец появилась возможность экспортировать любую поверхность из FlowVision, вставить новую под область в регион или заменить любую поверхность под  области на новую, исправленную. 

Использование данного алгоритма позволяет без тренировки подготовить к расчету геометрию из 500 деталей со сложной геометрией менее чем за 5 рабочих дней! Еще раз напоминаю, мы работаем с реалистично выглядящей геометрией, а не со сферической CFD коровой в вакууме :)

Полагаю у всех возник справедливый вопрос: и что теперь делать с одинаковыми зазорами во всем объеме? В следующей публикации я расскажу об особенностях постановки такой задачи. Есть много тонкостей и некоторое количество вкусностей :)