Úvod do modelování v programu COMSOL Multiphysics verze 4
Karel Bittner
[email protected] www.humusoft.cz www.comsol.com 1
HUMUSOFT s.r.o.
Program semináře 9:00 – 9:30
registrace
9:30 – 10:30
COMSOL Multiphysics, část 1.
10:30 – 10:50
přestávka
10:50 – 11:50
COMSOL Multiphysics, část 2.
11:50
závěr, diskuse, dotazy
HUMUSOFT s.r.o.
HUMUSOFT s.r.o. •
Založeno v r. 1990, sídlo v Praze
•
Produkty a služby v oblasti technických výpočtů, řídicí techniky, simulace dynamických systémů a podnikových procesů
•
MATLAB, Simulink, Stateflow – Inženýrské výpočty, simulace dynamických systémů – The MathWorks, Inc.
•
COMSOL Multiphysics – Otevřený systém pro multifyzikální analýzu (metoda konečných prvků) – Comsol AB
•
WITNESS – Interaktivní simulace a optimalizace podnikových procesů – Lanner Group, Ltd.
•
dSPACE - vývojové systémy – dSPACE GmbH.
•
Vývoj vlastního software & hardware – Virtual Reality Toolbox, Real Time Toolbox, Real-Time Windows Target – Měřicí karty – Modely pro výuku teorie řízení
•
Paralelní pracovní stanice HeavyHorse – Multiprocesorové stanice pro High-Performance Computing
3
HUMUSOFT s.r.o.
COMSOL Multiphysics v.4
4
HUMUSOFT s.r.o.
Oblasti využití
HUMUSOFT s.r.o.
Oblasti využití
HUMUSOFT s.r.o.
COMSOL Multiphysics v.4 Hlavní Hlavní menu
Model Builder
Nastavení Nastavení zvolené zvolené polož položky (contentcontent-based setting) setting)
Grafické Grafické okno
Informač Informační okno (Message window) window)
HUMUSOFT s.r.o.
COMSOL Multiphysics v.4 •
Model tvoří základní uzly – Geometrie – Síť – Analýza (Study) – Výsledky (Results)
8
•
Možnost vytvářet sekvence jednotlivých uzlů
•
Materiálově orientované modelování (ovládání materiálů z jednoho místa)
•
Geometrický sweep (změna geometrie při výpočtu)
•
Výpočty na počítačových clusterech
•
Off-line import geometrií z CAD systémů Pro/Engineer, Autodesk Inventor a další formáty s jádrem Parasolid přes CAD Import Module
•
Možnost propojení přes LiveLinkTM se SolidWorks, Autodesk Inventor, Pro/ENGINEER HUMUSOFT s.r.o.
Pracovní postup – geometrie
• Lze využít vestavěné nástroje pro vytvoření geometrie přímo v COMSOLu • Import a oprava CAD geometrií vytvořených v externích CAD systémech Vytvoření nebo import geometrie
9
• Parametrizovaná geometrie (parametrický sweep)
HUMUSOFT s.r.o.
Pracovní postup – materiály a nastavení
• Definování materiálových parametrů pomocí: – Konstant – Analytických funkcí – Naměřených dat (tabulka) – Materiály uložené v knihovně (až 2500 různých materiálů)
Nastavení materiálových vlastností domén a okrajových podmínek
• Aplikační režimy vyžadují vlastní materiálové vlastnosti – všechny se načítají z jednoho místa • Další fyzikální nastavení a okrajové podmínky pro každý režim zvlášť
10
HUMUSOFT s.r.o.
Pracovní postup – síť
• Použití nástrojů COMSOLu pro vytvoření různých typů sítí – Trojúhelníky / čtyřstěny – Mapovaná / protlačovaná síť – Mezní vrstva – Kombinace různých typů sítí
Vytvoření výpočetní sítě
11
• Možnost importu sítě ve formátu Nastran
HUMUSOFT s.r.o.
Pracovní postup – řešení • Různé typy řešičů: – Přímé – Iterační – Segregované – Multigrid
• Druhy analýzy: – Stacionární
Vyřešení zadaného problému
– Časově závislá – Parametrická – a další
• Podpora procesorů: – Vícejádrové počítače – Clustery
12
HUMUSOFT s.r.o.
Pracovní postup – vizualizace výsledků
• Vykreslení veličin – Na povrchu nebo v objemu – Zobrazení toků – Izočáry, izoplochy – „Particle tracing“ – Vykreslení na řezu, podél přímky
Zobrazení výsledků
• Export videa • Vykreslení grafů • Export dat do souborů • Integrace veličin
13
HUMUSOFT s.r.o.
Nové nadstavbové moduly v.4
CFD modul Modul pro modelování baterií a palivových článků Plasma modul
HUMUSOFT s.r.o.
CFD modul • • • • • • •
•
15
Laminární proudění k- turbulentní model Jedno- a vícefázové proudění Proudění v porézním prostředí Viskoelastické proudění Rozhraní pro rotační stroje (laminární i turbulentní proudění) Laminární proudění v tenkých vrstvách (mazání mechanismů, geofyzika) Předdefinované aplikace pro řešení neizotermálního proudění a interakci tekutiny s konstrukcí HUMUSOFT s.r.o.
Modul pro modelování baterií a palivových článků •
•
16
Modelování procesů probíhajících na rozhraní elektrod a elektrolytu v elektrochemických článcích Určený k modelování různých typů elektrochemických aplikací (bateriové články, akumulátory, koroze)
HUMUSOFT s.r.o.
Plazma modul • • • • •
17
Všechny typy nejaderných plazmatických reaktorů Plazma s indukční vazbou (ICP) Plazma s kapacitní vazbou (CCP) Mikrovlnné plazma Spojení s AC/DC nebo RF modulem: plazma udržované indukovaným proudem nebo elektromagnetickým vlněním
HUMUSOFT s.r.o.
Nová verze – COMSOL 4.1 - od listopadu
18
HUMUSOFT s.r.o.
Novinky ve verzi 4.1 Zobrazení rovnic
19
HUMUSOFT s.r.o.
Novinky ve verzi 4.1 Kopírování vybraných uzlů v modelovacím stromu
20
HUMUSOFT s.r.o.
Novinky ve verzi 4.1 Automatické zálohování dat během výpočtu • Lze pokračovat v přerušeném výpočtu / výpočet pozastavit
21
HUMUSOFT s.r.o.
Novinky ve verzi 4.1 Nové možnosti při tvorbě geometrie • 3D šroubovice • Parametrické křivky ve 2D i ve 3D
22
HUMUSOFT s.r.o.
Novinky ve verzi 4.1 Tvorba sítě založená na fyzikální podstatě problému v CFD a plazma modulu
šedá = hranol tyrkysová = 6-stěn červená = pyramidy zbytek – 4-stěny
23
HUMUSOFT s.r.o.
Novinky ve verzi 4.1 Nové možnosti v postprocesingu • Vykreslení v polárních souřadnicích • Popisy kontur v obrázku
24
HUMUSOFT s.r.o.
Novinky ve verzi 4.1 Nové režimy v modulech • AC/DC modul – modelování elektrického proudu v porézním prostředí • Modul pro modelování baterií – modelování olověných akumulátorů • CFD modul – Spalart-Allmaras turbulentní model
25
HUMUSOFT s.r.o.
Ukázkový příklad Sběrnice pro přenos proudu v transformátoru •
Analýza sběrnice pro vedení proudu z transformátoru do elektrického zařízení
•
Proud vedený ze šroubu č. 1 do šroubů 2a, 2b vytváří teplo díky odporovým ztrátám v materiálu (Joulovo teplo)
•
Klasická multifyzikální úloha •
Elektrická vodivost materiálu je závislá na teplotě
•
Generované teplo závisí na hustotě elektrického proudu
10 mV
→ Úzká vzájemná vazba mezi fyzikálními aplikacemi, obě se neustále navzájem ovlivňují
Uzemění 26
HUMUSOFT s.r.o.
První výpočet Nastavení přenosu tepla a proudu
1. Řešení Joulova tepla •
Zákony zachování pro elektrický proud a energii – tj. závislé proměnné jsou teplota a elektrické pole
•
Všechny povrchy (až na šrouby) jsou chlazeny přirozenou konvekcí
•
Předpokládáme, že ve šroubu č.1 je napětí 10 mV, v ostatních uzemnění
– Základní postupy při vytváření modelu: – Výběr aplikačního módu, typ analýzy – Ukládání parametrů, tvorba geometrie a její závislost na parametrech – Zadávání materiálu do modelu
Hustota el. proudu 27
HUMUSOFT s.r.o.
Rozšíření aplikačních módů 2. Přidání aplikačního módu pro strukturální mechaniku •
Víme, že v modelu je přítomno tepelné zatížení, které bude mít za následek nějaké mechanické napětí → přidání aplikačního módu
•
Joulovo zahřívání je uvažováno jako nezávislé na napětí a deformaci objektu → propojení aplikačních módů je volné, lze řešit sekvenčně a využít teplotu spočítanou módem pro Joulovo teplo jako vstup pro výpočet deformace a zatížení sběrnice
Teplota
28
HUMUSOFT s.r.o.
Geometrický sweep 3. Parametrizace geometrie •
Možnost změny geometrie během výpočtu v závislosti na parametru
•
Sledování chování závislých proměnných na změně geometrie
•
Šířka sběrnice: 5 cm
7 cm
Příklad použití: chceme navrhnout sběrnici tak, aby se při práci co nejméně zahřívala – pomocí snížení hustoty proudu, čehož se dá dosáhnout i rozšířením sběrnice
10 cm
Teplota
29
HUMUSOFT s.r.o.
Doplnění geometrického objektu 4. Přidání další subdomény •
Vytvoříme dodatečnou doménu kolem sběrnice, ve které bude proudit vzduch a ochlazovat zařízení
Výstup Teplota
– Okrajové podmínky – vstup, výstup, symetrie – Symetrie – na stěnách předpokládáme, že proudění vně kanálu je podobné jako proudění uvnitř (alespoň v blízkosti stěn)
– Zanedbáváme vliv teploty na proudění, takže můžeme problém řešit sekvenčně – tj. napřed vyřešit proudění, poté zahřívání
30
Vstup (0.1[m/s])
HUMUSOFT s.r.o.
COMSOL Multiphysics v.4 •
Příklad „Microresitor beam“ beam“
•
Multifyzikální aplikace „Joule Heating and Thermal Expansion“ – tepelný přenos – strukturální mechanika – elektrický proud
31
HUMUSOFT s.r.o.
COMSOL Multiphysics v.4 • Výpočty na počítačových clusterech – malé úlohy (parametrický sweep) > jedna úloha – jeden node – velké úlohy (distributed parallel solver) > jedna úloha – více node – počet nodů v jednotlivých případech
• Jaké druhy clusteru COMSOL podporuje – Windows HPC Server 2008 – Windows Compute Cluster Server 2003, Service Pack 1 – Red Hat Enterprise Linux 5, v clusteru stejné verze a podobný HW
• COMSOL nepodporuje – clustery založené na grafických kartách (CUDA)
HUMUSOFT s.r.o.
COMSOL Multiphysics v.4 Typy licencí – jednouživatelské vázané na PC (CPU) • technická podpora pro uživatele pracující na tomto PC
– jednouživatelské vázané na uživatele (NSL) • technická podpora pro konkrétního uživatele
– síťové (FNL) • možnost práce client/server • využití vzdáleného přístupu • vytužití na clusterech počítačů
Všechny licence vázané na „hostid“ počítače – Windows:
ipconfig /all
– Linux:
/sbin/ifconfig eth0
– Mac OSX:
netstat -I en0 HUMUSOFT s.r.o.
Humusoft HeavyHorse • Procesory AMD Opteron – dva nebo čtyřijádrové – dva nebo čtyři šestijádrové – frekvence CPU 2.3 až 3 GHz
• 8-64 GB RAM • Grafická karta ATI Radeon HD 4870 • Pevný disk 500 – 1000 GB • Optická mechanika DVD±RW • Operační systém podle přání – OpenSuSE Linux 64-bit – Microsoft Windows XP 64-bit – Microsoft Windows 7 64-bit
• Možnost předinstalace aplikací – MATLAB Parallel Computing Toolbox – COMSOL Multiphysics 34
HUMUSOFT s.r.o.
Zdroje informací • Webové semináře (webinars) – on-line semináře zdarma probíhající na internetu v reálném čase v daný den a hodinu – v angličtině (COMSOL) – přehled připravovaných a archiv uskutečněných webových seminářů • www.comsol.com/events/webinars/
• Školení – Firma HUMUSOFT provádí dvoudenní školení na COMSOL Multiphysics – zhruba 1x za dva měsíce, termíny jsou vyhlašovány 3 týdny předem • www.humusoft.cz/skoleni
Zkušební verze • Plnohodnotná verze COMSOL Multiphysics • Časově omezena maximálně na 30 dní • V případě zájmu nás kontaktujte –
[email protected] 35
HUMUSOFT s.r.o.
COMSOL Multiphysics • Požadavky na HW – Windows 2000, Windows XP, Windows XP Professional x64 Edition, Windows Vista (32 a 64 bit), Windows 7, Windows HPC Server 2008, Windows Server 2008, Windows 2003 Compute Cluster Server a Service Pack 1, Windows 2003 Server x64 Edition, Windows 2003 Server x64 Edition – Pentium III nebo novější (AMD Opteron, AMD Athlon 64, Pentium 4 s EM64T, nebo Xeon s EM64T) – OpenGL 1.1 Microsoft nebo akcelerátor podporující OpenGL 1.1, nebo Direct X verze 8.0 nebo pozdější. Grafická karta min. 32 MB paměti. – Pro práci s MATLABem verze 2006a/b, 2007a/b, 2008b/2009a, 2009b – minimální doporužená RAM 1 GB
• Unix – – – –
Solaris 8,9,10 (UltraSPARC II nebo pozdější) Linux (AMD Opteron, AMD Athlon 64, EM64T, Itanium 2) 32-bit: Debian 3.0, 3.1, RedHat Enterprise 4/5, Fedora Core 8, SUSE 10.3 64-bit: SUSE 9.0, 9.3 10.3, RedHat Enterprise 4/5 (AMD64/Intel EM64T), Fedora Core 8
– MAC, PowerPC G4 nebo PowerPC G5, Intel processor www.comsol.eu/products/requirements/ 36
HUMUSOFT s.r.o.
Děkuji za pozornost
37
HUMUSOFT s.r.o.
