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在Frost 3D Universal版中选择合适的计算网格类型

当使用数值模拟软件时,像是“哪种计算网格对于物体离散化石最适合的?”这样的问题会常常出现。相同的几何体实际能够被粗糙或者精细的网格离散化,而这当然会影响到数值计算的精确度和速度。

 

在数值模拟领域的专家分析过了在Frost 3D Universal版中建立的计算网格;一个1 km的处于永冻土上的石油管道模型被拿来用作例子。应该被注意到的是,管线几何在Z和Y平面以及一些穿过了蓄冰层的管线截面发生了“弯折”。而所建立的3D模型的尺寸是:长度-1000m,宽度-50m,深度-55m,直径-1.2m。一层很薄的位于管线下方长方形区域末端的蓄冰层是我们例子中重要的特点。在不同版本的Frost 3D Universal版中计算域被离散化为不同的计算单元,这些结果如下图所示。

在冻土上的掩埋管线3D模型

三维管线模型


计算网格离散化: 180万节点

程序版本: 32 bit, 单核 CPU

使用粗糙计算网格离散化的管线


计算网格: 180万节点

程序版本: 32 bit, 单核 CPU

蓄冰层细节图

管线的计算机仿真模型中蓄冰层的放大图

评价:

• 在管线下的薄冰层(蓝色)在计算网格建立时几乎都丢失了

• 4m的单元尺寸对于斯蒂芬问题的解决方案来说是不合适的

• 融化和冻结土地间的边界被高精度地计算出来;为了改正仿真结果,这个模型应该用精细网格来离散化


计算网格: 4百95万节点

程序版本: 64 bit, 单核 CPU

蓄冰层细节图

绝大多数的蓄冰层在495万节点离散化时丢失了

评价:

• 计算网格精度不足 (相较于前一种情况)。

• 薄冰层的低质量是显而易见的,绝大多数都丢失了。


计算网格: 1千9百20万节点

程序版本: 64 bit, 多核 CPU

蓄冰层细节图

计算网格中单元数量的增加减少了离散误差

评价:

• 计算单元数量增加到了4倍,最大计算单元尺寸因此减少到了1米并且增加了计算网格精度
• 这样的增加量减少了薄冰层离散化的误差
• 更加精确的热域计算(靠近管线在Y轴处的弯折)在更精细的网格中是有可能的


计算节点: 5千4百70万节点

程序版本: 64 bit, 多核 GPU

蓄冰层细节图

微小单元尺寸能减少仿真的误差

评价:

• 高分辨率的包含所有物体几何(管线和薄冰层)的模型离散化。

• 微小的计算单元尺寸能够精确决定相变边界。

• 临近最大温度梯度处有最小单元尺寸能够快速得到近似的温度变化。

• 离散化造成的数值计算误差可以被忽略。

因此,Frost 3D Universal多核CPU和GPU版本是最适合有着微小元素的大型计算区域的定质离散化。我们的样例包含了一层薄冰层,但是对于地基隔热材料,钻孔保温层,以及相似的会显著影响计算的设计元素来说相同的计算也是正确的。

 

项目样例:

 

FROST 3D UNIVERSAL

能够进行以下热工程计算的软件包:

 

  • 永冻土的热加固
  • 人工土地冻结

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从一开始,Simmakers有限公司的专家团队就表现出了高度的专业精神,他们在敲定合约以前对问题实施了详细的预备研究;我们对该方法印象十分深刻。

D.G. Dolgikh
副总裁
Fundamentstroyarkos RPA 有限公司,俄罗斯

 

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