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关于Frost 3D Universal软件升级版的提问与回答

紧跟着文章 “对于一条在冻土上的油气管线的长截面的热学分析” 的发布,我们收到了许多来自用户的问题。
在这个短文中,我们涉及了一些经常被问到问题,有关于Frost 3D Universal软件升级版的功能性问题。然而首先,我们需要提醒读者,这个新版本是发布在2014年5月。 这个版本中,我们在软件架构及其主要部分中实现了 新技术,而这使得在一台PC上进行1亿节点级别的运算成为了可能。为了展示最新版的Frost 3D Universal版的非凡表现,我们对于一条在冻土上的管线的长度截面进行了热学分析,而其计算网格有着5850万个节点。

问题:为何我们需要如此多的计算网格?

回答:这样巨大数量的计算网格节点的必要性是由以下因素决定的:
1)对于扩展区域和长物体或巨大物体的计算来说,计算域通常包含许多需要离散化的元素。
2)通常来说,计算域中会有一些非常小的元素;而那里可能,举例来说,有一层非常薄的隔热材料,或者土层。因此对于计算网格的改良,大量增加计算网格数量对于离散出这些相对较小的元素是必须的。
3) 有些区域有着明显的温度梯度(靠近隔热装置,热源,冷却设备等等),而他们需要增加计算网格密度, 也因此大大增加了计算域中的节点总数量。
注意到即使使用了非一致的计算网格单元大小(不规则的计算网格),举例来说,我们还需要许多节点。不规则计算网格单元大小的增加需要非常平滑;否则,数值方法返回的是精度非常地的结果。

有着一个定性离散化计算域元素的千米长的管线模型

有着一个定性离散化计算域元素的千米长的管线模型

提问:为何不建立粗糙一点的计算网格从而成倍的减少元素数量;正因如此,你就不需要这样庞大的计算网格,并且计算速度也会快很多?

回答:粗糙的计算网格确实能够加速数值计算,但是与此同时这样显著的增加了不准确性。比如说,对于精确计算来说,物体需要沿着XYZ方向中的一个被离散化的最小元素数量是2.在计算我们的管线的长度界面时,隔热材料被离散为Z轴上的4个单元;这使得隔热材料对于误差的影响能降低到最低。
即使在有着大型几何体而没有小型元素的领域,单元大小也不能突然剧增,由于这个是由热过程速度,特别是相前速度所限制的。因此,使用粗糙的计算网格可能到时不正确的计算模型。

 

提问:广为人知的是,当在计算网格中增加单元数量时,计算时间也会相应的大大增加。这也是为什么广为人知的有限元分析系统卖方,在他们使用了超级计算机的服务器版本软件解决这样的问题。而你声称你能够在普通台式机上解决这样的问题。。。

回答:是的,这没错。Frost 3D Universal软件不是一个有限元分析的通用系统就像其他普通的CAE应用一样。这款软件特别地为了模拟土地中的热过程,包括相变而开发。这也是为何Frost 3DUniversal的开发人员创建了专用的数学解算器,并为这类特别问题而优化。并且,在开发过程中我们应用了数学算法的并行化领域的最新的技术成就并使得计算速度提升了好几倍。想要了解更多,请阅读 这里这里.

 

提问:为何对一个千米长的管线截面进行仿真,在老版本的软件中不可行呢?

回答:32-bit版本的软件不能够应对像这样的计算网格,因为操作系统的限制,只能使用4GB内存。考虑到将近2GB的内存是操作系统自身所需,只有2GB可以留下来给软件;而这对于庞大的计算网格而言是不够的,因为相关计算是基于庞大的矩阵处理。
并且,创新性的方法被用在了软件中来实现最为需要资源的模块;这点在文章中有描述。

 

提问:对于软件的先前版本来说,是否能够计算10段100米的管线截面,然后再合并这些结果到一个结果页面?

回答:即使如果我们分割计算域为两部分,在获得的边界上设置一个充分的边界条件也是不可能的,因为第一部分的热域会影响第二部分的热域。只有分割的管线部分是完全几何对称的或者如果没有热量在管线部分之间流动的时候才有可能。在其它情况下,仿真结果都会是不准确的。

 

问题:世界上有许多知名的有限元分析系统,比如说ABAQUS,Nastran和ANSYS,但他们由于硬件限制(主要是内存)都无法建立千万数量级的有限元电脑模型。那你又是怎样在Frost 3D Universal软件中建立一个有着5千8百万个网格单元的计算网格的呢?你能够实时操作这些计算网格吗?

回答:在Frost 3D Universal软件的最新版本中,最主要强调了内存和可视化的优化。这也是为何在最新的软件架构中,我们把应用分割为一系列的子程序,而当用户没有在使用他们的时候他们就会被自动从内存中清除,因此释放了所有可用的资源来执行程序。而实现的技术使得快速加载/释放重要资源成为了可能。
此外,Frost 3D Universal软件采用的图像策略也被用在视频游戏当中;最新版的着色器(在显卡上运行的特殊程序)也被用做是一个强大而崭新的计算域和数据可视化的预处理引擎

 

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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