chebЧебышевский сборникChebyshevskii Sbornik2226-8383Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University10.22405/2226-8383-2017-18-3-28-43cheb-346Research ArticleСтатьиArticleРЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТИ И КОНСТРУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ FLOWVISION И CAE FIDESYSSOLVING FLUID-STRUCTURE INTERACTION PROBLEMS USING THE FLOWVISION AND CAE FIDESYS SOFTWARE PACKAGESАксёновА. А.AksenovA. A.

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией 

candidate of physical and mathematical sciences, head of laboratory

andrey@tesis.com.ruЖлуктовС. В.ZhluktovS. V.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник 

candidate of physical and mathematical sciences, senior researcher

СонЭ. Е.SonE. E.

доктор физико-математических наук, профессор, академик Российской академии  наук, заместитель директора по научной работе

doctor of physical and mathematical sciences, professor,  academician of the Russian Academy of Sciences, Deputy Director for Research

son@ihed.ras.ruТокарьА. А.Tokar’A. A.

аспирант 

graduate student

kronoscentury@gmail.comКарпенкоВ. С.KarpenkoV. S.

ведущий-программист 

lead programmer

vitkarpenko@gmail.comОбъединенный институт высоких температур РАНРоссияJoint Institute for High Temperatures of the RASRussian FederationМосковский государственный университет имени М. В. ЛомоносоваРоссияM. V. Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationООО “Фидесис”РоссияFidesys LLCRussian Federation2017311220171832843Copyright © Аксёнов А.А., Жлуктов С.В., Сон Э.Е., Токарь А.А., Карпенко В.С., 20172017Аксёнов А.А., Жлуктов С.В., Сон Э.Е., Токарь А.А., Карпенко В.С.Aksenov A.A., Zhluktov S.V., Son E.E., Tokar’ A.A., Karpenko V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/346

В работе обсуждается численный метод решения задач сильного взаимодействия между  жидкостью (газом) и деформируемым твердым телом: жидкость осуществляет силовое  воздействие на тело, тело меняет форму, изменённая форма тела меняет течение.  Разработанный метод демонстрируется на тестовой задаче обтекания клапана воздухом.  Задача решается в трёхмерной постановке. Деформируемое тело обтекается  неограниченным потоком воздуха под прямым углом. Рассматривается зависимость  деформации тела при наличии в нём дефекта (отверстия), расположенном в различных  положениях. Течение воздуха рассчитывается в программном комплексе FlowVision.  FlowVision основан на конечно-объемном подходе к аппроксимации основных уравнений  движения жидкости. В нём реализованы явный и неявный методы интегрирования этих  уравнений. FlowVision позволяет решать междисциплинарные задачи: моделировать  многофазные течения с помощью метода VOF, задавать движение тел (перемещение  непроницаемых границ) по неподвижной расчетной сетке, моделировать течения во  вращающихся машинах с использованием метода скользящей сетки, решать задачи взаимодействия жидкости и конструкции методом двухстороннего сопряжения FlowVision с  конечно-элементными ПК. Деформация тела рассчитывается в программном комплексе CAE  Fidesys. CAE Fidesys позволяет проводить различные виды прочностного инженерного  анализа полного цикла от построения расчетной сетки до визуализации результатов  расчета. Для численного решения задач механики деформируемого твердого тела CAE  Fidesys использует в своей основе метод конечных элементов и метод спектральных элементов. CAE Fidesys позволяет производить расчёт как линейных, так и нелинейных  задач, статических и динамических задач прочности. Для обеспечения проведения совместного расчёта была разработана технология двухстороннего сопряжения,  осуществляющая двустороннее взаимодействие между комплексами CAE Fidesys и  FlowVision. С использованием данной технологии проведено численное исследование в задаче об обтекании клапана. Приводится сравнение поведения клапана при различных  вариациях расположения эллиптического отверстия в нем. Результаты проведенного  исследования демонстрируют, что сопряжённый программный комплекс FlowVision-CAE  Fidesys позволяет рассчитывать характеристики клапана на относительно небольших расчетных сетках.

The paper considers the numerical method of solving problems of strong interaction between a liquid (gas) and a deformed body:  the fluid exerts a force on the body, the body changes its shape, the altered shape of the body changes the flow. The developed  method is demonstrated on the test problem of air flow around the  valve. The problem is solved in a three-dimensional formulation. The deformable body flows around an unlimited airflow at right angles. The authors consider the body deformation dependence in the  presence of a defect (hole) in it located in different positions. The air flow is calculated in the FlowVision software package. FlowVision  uses the finite volume method for approximation of the fluid motion  equations. It implements an explicit and implicit methods of  integrating these equations. FlowVision can solve interdisciplinary problems: simulate multiphase flows using the VOF method, set the  motion of bodies (movement of impermeable boundaries) along a  fixed computational grid, simulate flows in rotating machines using  the sliding grid method, solve fluid-body interaction problems using two-way coupling between FlowVision and FEM software. The body deformation is calculated in the CAE Fidesys software package. CAE Fidesys allows to conduct various types of full-cycle strength  engineering analysis from the construction of a mesh to the visualization of calculation results. For the numerical solution of solid mechanics problems CAE Fidesys uses the finite element method and the spectral elements method. CAE Fidesys allows to solve both  linear and non-linear, static and dynamic strength problems. For  joint calculation, a two-way coupling technology was developed that performs two-way communication between the CAE Fidesys and  FlowVision systems. With the use of this technology, a numerical investigation of the problem of flow past a valve carried out. The  behavior of the valve is compared with various variations in the  location of the elliptical hole in it. The results lead to the conclusion  that the associated FlowVision- CAE Fidesys software package  calculates valve characteristics on meshes of moderate dimension with reasonable accuracy.

сильное взаимодействие жидкости и конструкции (FSI)метод конечных объёмовметод конечных элементовуравнения Навье-Стоксаклапан в каналепрочностной анализнапряженно- деформированное состояниеstrong fluid-structure interaction (FSI)finite volume methodfinite element methodNavier-Stokes equationsvalve in the channelstrength analysisstress-strain stateReferencesАксёнов А. А. FlowVision: индустриальная вычислительная гидродинамика // Компьютерные исследования и моделирование. − 2017. − Т. 9, №1. − С. 5-20.Aksenov А.А. 2017, “FlowVision: Industrial computational fluid dynamics”, Computer Research and Modeling, Vol. 9, no. 1, pp. 5-20Aksenov A.A., Zhluktov S.V., Savitskiy D.V., Bartenev G.Y., Pokhilko V.I. Simulation of 3D flows past hypersonic vehicles in FlowVision software // Journal of Physics: Conference Series, Volume 653, No. 012072, 2015, http://iopscience.iop.org/1742-6596/Y2015.Aksenov, A.A., Zhluktov, S.V., Savitskiy, D.V., Bartenev, G.Y. & Pokhilko V.I. 2015, “Simulation of 3D flows past hypersonic vehicles in FlowVision software”, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 653, no. 012072, Avaliable at: http://iopscience.iop.org/Markova T. V., Aksenov A. A., Zhluktov S. V., Savitsky D. V., Gavrilov A. D., Son E. E. Prokhorov A. N. Simulating flow around scaled model of a hypersonic vehicle in wind tunnel // Journal of Physics: Conference Series. – Vol. 774, No. 1 (012095). – 2016. – 9 p. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/774/1/012095Markova, T.V., Aksenov, A.A., Zhluktov, S.V., Savitsky, D.V., Gavrilov, A.D., Son, E.E. & Prokhorov, A.N. 2016, “Simulating flow around scaled model of a hypersonic vehicle in wind tunnel”, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 774, no. 012095, p. 9, Avaliable at http://iopscience.iop.org/В.А. Левин, А.В. Вершинин “Численные методы. Параллельные вычисления на ЭВМ ”. 2й том пятитомного цикла монографий “Нелинейная вычислительная механика прочности”. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2015.Levin, V.A. & Vershinin, A.V. 2015, “Nelinejnaja vychislitel’naja mehanika prochnosti. V 5 tomah. Tom 2. Chislennye metody. Parallel’nye vychislenija na JeVM” [“Computational structural mechanics. Volume 2. Numerical methods. Parallel computing”], FIZMATLIT MoskvaЕ.М. Морозов, В.А. Левин, А.В. Вершинин “Прочностной анализ. Фидесис в руках инженера”. М.: URSS, 2015. – 408 с.Morozov, E.M., Levin, V.A. & Vershinin, A.V. 2015 “Prochnostnoj analiz. Fidesys v rukah inzhenera” [“Strength analysis. Fidesys in the hands of an engineer”]. URSS, p. 408Zingerman K. M., Vershinin A. V., Levin V. A. An approach for verification of finite-element analysis in nonlinear elasticity under large strains // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. — 2016. — Vol. 158. — P. 012104.Zingerman, K.M., Vershinin, A.V. & Levin V.A. 2016 “An approach for verification of finite-element analysis in nonlinear elasticity under large strains”, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Vol. 158, no. 012104Vladimir A. Levin, Anatoly V. Vershinin, and Konstantin M. Zingerman. Numerical analysis of propagation of nonlinear waves in prestressed solids. Modern Applied Science, 10(4):158–167, 2016Levin, V.A., Vershinin, A.V. & Zingerman, K.M. “Numerical analysis of propagation of nonlinear waves in prestressed solids”, Modern Applied Science, Vol. 10, no. 4, pp. 158–167Numerical analysis of the stress concentration near holes originating in previously loaded viscoelastic bodies at finite strains. Vladimir A. Levin, Konstantin M. Zingerman, Anatoly V. Vershinin, Eugene I. Freiman, Anastasia V. Yangirova. International Journal of Solids and Structures. 10/2013; 50(20-21):3119-3135. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2013.05.019Levin, V.A., Zingerman, K.M., Vershinin, A.V., Freiman, E.I. & Yangirova A.V. 2013 “Numerical analysis of the stress concentration near holes originating in previously loaded viscoelastic bodies at finite strains”, International Journal of Solids and Structures, Vol. 10, no. 50(20-21), pp. 3119-3135, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2013.05.019Вершинин А.В., Левин В.А., Комолова Е.В., Кукушкин А.В., Улькин Д.А. “Об использовании полнофункциональной CAE Fidesys при разработке инновационных изделий ОПК”. Научно-методический журнал Межотраслевая Информационная Служба ФГУП “ВИМИ”, 38-41 с. Выпуск 4 (165). Москва 2013Vershinin A.V., Levin V.A., Komolova E.V., Kukushkin A.V. & Ulkin D.A. 2013 “Use of the CAE Fidesys in the development of innovative industrial products”, Nauchno- metodicheskij zhurnal Mezhotraslevaja Informacionnaja Sluzhba FGUP “VIMI”, Vol. 4, no. 165, pp. 38-41Гарбарук А. В., Стрелец М. Х., Шур М. Л. Моделирование турбулентности в расчётах сложных течений // Учебное пособие, Санкт-Петербург, Издательство Политехнического Университета, 2012, 88 с.Garbaruk, A.V., Strelets, M.Kh. & Shur, M.L. 2012, “Modelirovanie turbulentnosti v raschjotah slozhnyh techenij” [“Turbulence modeling in calculations of complex flows”], p. 88Wilcox D. C. Turbulence modeling for CFD // DCW Industries, Inc., 1994, 460 p.Wilcox, D.C. 1994, “Turbulence modeling for CFD”, DCW Industries, Inc., p. 460Menter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, ed: K. Hanjalic, Y. Nagano, and M. Tummers, Begell House, Inc., 2003, pp. 625 -632.Menter, F.R., Kuntz, M. & Langtry, R. 2003 “Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model”, Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, ed: K. Hanjalic, Y. Nagano, and M. Tummers, Begell House, Inc., pp. 625-632.Abe K., Kondoh T., CityplaceNagano Y. A New Turbulence Model for Predicting Fluid Flow and Heat Transfer in Separating and Reattaching flows-I. Flow Field Calculation // Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 37, No. 1, 1994, pp. 139-151.Abe, K., Kondoh, T. & CityplaceNagano, Y. “A New Turbulence Model for Predicting Fluid Flow and Heat Transfer in Separating and Reattaching flows-I. Flow Field Calculation”, Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 37, no. 1, pp. 139-151Lien F.S., Chen W.L., Leschziner M.A. Low Reynolds-Number Eddy-Viscosity Modelling Based on Non-Linear Stress-Strain/Vorticity Relations // Engineering Turbulence Modelling and Measurements 3, Elsevier, 1996, pp. 91-100.Lien, F.S., Chen, W.L. & Leschziner, M.A. 1996 “Low Reynolds-Number Eddy- Viscosity Modelling Based on Non-Linear Stress-Strain/Vorticity Relations”, Engineering Turbulence Modelling and Measurements 3, Elsevier, pp. 91-100Жлуктов С. В., Аксёнов А. А., Карасёв П. И. “Моделирование ламинарно- турбулентного перехода в рамках k-epsilon подхода” Компьютерные исследования и моделирование, 2014, Том 6, № 6, с. 879-888.Zhluktov, S.V., Aksenov, A.A. & Karasev, P.I. 2014 “Modeling of the laminarturbulent transition in the Modeling of the laminar-turbulent transition in the framework of the k-epsilon approach”, Computer Research and Modeling, Vol. 6, no. 6, pp. 879-888Жлуктов С.В., Аксёнов А.А., Карасёв П.И. Моделирование отрывного течения с использованием двухпараметрической модели турбулентности // Компьютерные исследования и моделирование. − 2016. − Т. 8, №1. −С. 79-88.Zhluktov, S.V., Aksenov & A.A., Karasev, P.I. 2016, “Modeling separated flow with use of two-equation turbulence model”, Computer Research and Modeling, Vol. 8, no. 1, pp. 79-88Жлуктов С.В, Аксёнов А.А. Пристеночные функции для высокорейнольдсовых расчетов в программном комплексе FlowVision // Компьютерные исследования и моделирование. − 2015. − Т. 7, №6. − С. 1221- 1239.Zhluktov, S.V. & Aksenov, A.A. 2015, “Wall functions for high-Reynolds calculations in FlowVision software”, Computer Research and Modeling, Vol. 7, no. 6, pp. 1221-1239

The authors declare that there are no conflicts of interest present.