Multiphysics Jakub Chaloupka Adam Darebníček. Použití Simulace rozličných fyzikálních jevů, které jsou navzájem provázány Řešení parciálních diferenciálních.

Prezentace na téma: "Multiphysics Jakub Chaloupka Adam Darebníček. Použití Simulace rozličných fyzikálních jevů, které jsou navzájem provázány Řešení parciálních diferenciálních."— Transkript prezentace:

1 Multiphysics Jakub Chaloupka Adam Darebníček

2 Použití Simulace rozličných fyzikálních jevů, které jsou navzájem provázány Řešení parciálních diferenciálních rovnic  elektromagnetické vlnění  materiálové namáhání  transport tepla  akustika  a jiné

3 Dělení programů Dělí se na single codes a multiple codes Single code model představuje jeden program, který používá své vlastní prostředky (Physica)‏ Multiple code využívá více propojených programů (Ansys, Comsol, Elmer) – častější způsob

4 Metody Každá aplikace má své vhodné metody k řešení Finite Element Method k popisování dynamického pohybu, přenosu tepla, popisu mechaniky tekutin Finite Volume method k popisu proudění tekutin zeminou Finite Difference method k popisu např. magnetohydrodynamiky, šíření elektromagnetických vln další…

5 Příklady nejznámějších aplikací Komerční:  Comsol – www.comsol.comwww.comsol.com  Ansys – www.ansys.comwww.ansys.com  Physica - www.physica.co.uk/ Nekomerční:  Elmer – http://www.csc.fi/elmerhttp://www.csc.fi/elmer

6 Postup řešení Postup Geometrie modelu (“CAD”) ‏ Definice PDR Meshing - diskretizace Řešení PDR Post-Processing

7 Geometrie modelu Dvě možnosi postupu: Jednoduché grafické rozhraní v 1-D, 2-D a 3-D  Můžeme definovat body, přímky, roviny, kruhy a další  Většinou je možno využívat vlastností jako rotace, reflexe a další Importování z CAD softwaru ve formátech  VRML, dxf, dwg

8 Řešení PDE Řešíme buď předdefinované rovnice v Multi-Physics nebo řešíme obecné PDE Postup řešení:  Definice parameterů rovnice  Definice okrajových podmínek  Definice počátečních podmínek  Provázání rovnic z různých oborů fyziky

9 Meshing Automatická tvorba mřížky z geometrického modelu:  Tvar (trojúhelníková, čtvercová)‏  Typ (linearní, kvadratická, kubická)‏  Parametry (velikost, orientace)‏  Lze zdokonalit: pohyblivé mřížky / metody AMR – automatické zjemňování

10 Post-Processing Jako výsledek máme většinou mnoho veličin, které je potřeba rozumně zpracovat, visualizovat Comsol nabízí mnoho grafických výstupů:  plošné, konturové, šipkové(zobrazujicí vektory) a animované grafy  http://www.comsol.com/products/multiphysics/ research/tutorials/ část post-processing http://www.comsol.com/products/multiphysics/ research/tutorials/

11 Moduly Comsolu AC/DC Acoustic  reproduktor http://www.comsol.com/showroom/gallery/1369.php Chemical engeneering  Ochlazování a změna stavu materiálu http://www.comsol.com/showroom/gallery/382.php Earth Science  Electrické a magnetické pole v sopce - Fields Inside a Volcano http://www.comsol.com/showroom/gallery/383.php

12 Heat Transfer  proudění vody ve sklenici http://www.comsol.com/showroom/gallery/195.php Mems: micro-electro-mechanical  tryska inkoustové tiskárny http://www.comsol.com/showroom/gallery/1445.php RF: elektromagnetické pole, vlnění, elektrický proud …  ohřívání v mikrovlnné troubě http://www.comsol.com/showroom/gallery/1424.php Reaction engeneering  spalování ozónu http://www.comsol.com/showroom/gallery/837.php Structural mechanics  dieselový píst http://www.comsol.com/showroom/gallery/205.php

13 Generátor v AC/DC modulu Rotor vytořený z nelineárního magnetického materiálu rotuje ve statoru ze stejného materiálu. Generované napětí se počítá jako funkce času. Výpočet se provadí na základě transformace pohyblivé mřížy. Animace: http://www.comsol.com/showroom/animations/462.phphttp://www.comsol.com/showroom/animations/462.php

14 Zahřívání konektorů baterií Model zahřívání konektorů autobatere. Příklad propojení elektromagnetismu s termodynamikou v multiphysics.

15 Chlazení RAM pamětí Modul vedení tepla(heat transfer modul)‏ Ukázka chlazení RAM pamětí proudem chladného vzduchu.

16 Absorbovaná radiace Vedení tepla a RF-modul Množství energie absorbovaného z vyzařování antény bezdrátového zařízení.

17 Příklad : Fotonický krystal Modul RF, MEM Fotonický krystal je periodická struktura skládající se ze dvou materiálů s různým indexem lomu Díky jeho vlastnostem je možno docílit jevů jako je bezeztrátový ohyb světla, udržení světla v určitém objemu a další Fotonický krystal má zakázané pásy frekvencí, které odráží zpět, pokud narušíme perodicitu, tak se stane vlnovodem pro diskrétní frekvence v zákazeném pásu

18 Model Fotonického krystalu pomocí Comsolu

19 Elmer Open-source program Vývoj od roku 1995 Projekt finských univerzit, výzkumných ústavů a průmyslu (CSC – finish IT center for science)‏ Používá výhradně FEM Je paralelizovaný Byl testován i na Cray XT – Poissonova rovnice ve 2D o 10^9 proměnných 512 procesorů za 820 s http://www.csc.fi/elmer Tutorial: web.mit.edu/elmer_v5.3/doc/ElmerTutorials.pdf

20 Hlavní fyzikální modely Přenos tepla: vedení, zářením a změna stavu Mechanika tekutin Pružnost a pevnost Akustika Elektromagnetismus

21 Výhody a nevýhody + Open Source – Snadná upravitelnost + Snadně paralelizovatelný + Nabízí mnoho způsobů řešení + Dostupný na rozličných platformách - Nedodělané uživatelské prostředí - Komplikované na ovládání - Neobsahuje vlastní mesh generátor(pro 3D)‏ - Zastaralá dokumentace - Není rozsáhlý jako komerční produkty

22 Součásti ElmerSolver – hlavní část Elmeru. Spojuje veškeré dynamické numerické knihovny a provádí řešení fyzikálních úloh. Ovládá se z příkazové řádky nebo pomocí ElmerFront ElmerPost – zpracovává výsledky, grafický výstup z ElmerSolver ElmerFront – Grafické prostředí. Vývoj probíhá pomaleji než ostatních součástí. Mesh2D ElmerGrid – import mesh do ElmerSolver

23 Postup Specifikace geometrie fyzikálního modelu Import z komerčních aplikací jako Comsol, Abaqus nebo CAD produktů  Jednoduché modely – textové soubory s popisem vrcholů objektů  Vygenerování mesh pomocí ElmerGrid V textovém souboru pomocí skriptu specifikujeme fyzikální model - počáteční podmínky, rovnice, počet iterací a všechna ostatní nastavení modelu. Zpracuje se použitím ElmerSolve. Výstupem je textový soubor s výsledky. Výstup z ElmerSolve lze zpracovat v ElmerPost, případně Matlabu nebo jiném programu.

24 ElmerFront Grafické rozhraní pro ostatní komponenty. Použitelné jen pro jednodušší modely, není možné využít veškeré možnosti programu Elmer.

25 Ukázka zpracování ElmerPost Rovnice tepla pro kříž Kříž vytváří teplo 1 W/kg Hustota materiálu 3000 kg/m^3 a jeho vodivodst 100 W/(m.K)‏ Podmínka na okraji kříže T = 100K

26

27 Odkazy Ukázka práce se systémem ANSYS: http://www- milton.ansys.com/demoroom/swf/demos/zoom.php?id=31 Modelování v comsolu: http://www.comsol.com/products/multiphysics/research/tutorials http://www.comsol.com/products/multiphysics/research/tutorials tutoriál k Elmeru: web.mit.edu/elmer_v5.3/doc/ElmerTutorials.pdf Dokumentace k elemeru: http://www.csc.fi/english/pages/elmer/documentation http://www.csc.fi/english/pages/elmer/documentation Abaqus a ansys na ČVUT http://www.civ.cvut.cz/info/info.php?&did=103 http://www.civ.cvut.cz/info/info.php?&did=103 download Abaqus a ansys z FSi: http://net.fs.cvut.cz/service/swdist/ http://net.fs.cvut.cz/service/swdist/

28 Odkazy Definice na Wikipedii http://en.wikipedia.org/wiki/Multiphysics http://en.wikipedia.org/wiki/Multiphysics Popis FEM metody na Wiki http://en.wikipedia.org/wiki/Finite_Element_Method http://en.wikipedia.org/wiki/Finite_Element_Method International Journal of Multiphysics http://www.multiphysics.org/ http://www.multiphysics.org/ Harvard - An Introduction to Computational Multiphysics – reading list http://iic.harvard.edu/downloads/lecture_succi_031308.pdf Simulování pomocných výpočtů v tokamaku pomocí Ansys, Pricenton University http://www.pppl.gov/pub_report//2006/PPPL-4116.pdf

29 Knihy H. Scott Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering - 4th edition, 2005, Prentice Hall W. B. J. Zimmerman, Multiphysics Modeling With Finite Element Methods, 2006, World Scientific D. W. Pepper,J. C. Heinrich, The Finite Element Method Basic Concepts and Applications, 2005, Taylor and Francis Process Modelling and Simulation With Finite Element Methods, 2004, World Scientific A. J. Baker, The Computational Engineering Sciences, 2006, jComputekPress