Руководство по "Horsepower Lab 1D": Введение

1. Введение

Пакет "Horsepower Lab 1D" (или hpl1d) предназначен для численного (имитационного) моделирования неустановившихся течений газов в двигателях и прочих трубопроводных системах с по моделям одномерной газовой динамики.

В текущей версии пакета можно моделировать только термогазодинамические процессы, с уклоном в моделирование рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания с учетом волновых явлений в его газовоздушном тракте.

1.1. Общие сведения

      Компьютерное моделирование сложных (составных) систем выполняется посредством разбиения их на малые подсистемы, для которых существуют стандартные модели, в соответствии с модульным принципом, при котором типичные элементы газовоздушного тракта (ГВТ) представлены модулями -- элементами ГВТ, составляющими сборку. В сборки входят модули двух разновидностей: компоненты и коннекторы, со связями, проведенными между портами модулей двух указанных разновидностей.
      Компоненты -- модули, содержащие некторые количества сохраняющихся величин («ресурсов»; здесь -- масс, количества движения и полной внутренней энергии составляющих газовой смеси). Изменение состояния компонентов во времени описывается законами сохранения одномерной газовой динамики (подробности здесь). Взаимодействие каждого компонента с «внешним миром» осуществляется через механизм портов, к которым имеют доступ коннекторы -- модули иной разновидности.
      Коннекторы, как ясно из названия, служат для связи компонентов между собой. Коннекторы не отслеживают изменение величин, а лишь вычисляют интенсивность взаимодействия компонентов как потоки сохраняющихся величин.

Важнейшими программными компонентами в пакете hpl1d являются графический интерфейс с пользователем (ГИП) и солвер. ГИП ("hpl1dw.exe") служит для визуального управления сборкой и редактирования данных модулей, запуска солвера и различных вспомогательных операций. Солвер отвечает непосредственно за численный расчет и оформлен в виде отдельной программы ("hpl1ds.exe"), что сделано в целях большей простоты и гибкости; это позволяет пользователю задействовать солвер как вычислительную утилиту по своему усмотрению, например, в автоматизированных расчетах для поиска оптимума и т.п. Результаты моделирования могут быть сохранены, визуализированы, или как-либо еще обработаны и представлены.

Прочие программные компоненты пакета предназначены для работы в качестве «инструментов».

Единственной предметной областью, представленной в данной версии hpl1d является, как говорилось выше, одномерная (1D) газовая динамика. Все компоненты и коннекторы основаны на газодинамических (и термодинамических) моделях. В моделях используется однородное (нуль-мерное) или одномерное распределения термодинамических параметров и скорости потока рабочего тела.
Рабочее тело рассматривается как смесь двух (не более) газов. Оба компонента смеси считаются идеальными газами с (возможно) нелинейными зависимостями удельной внутренней энергии от абсолютной температуры -- e(T), которые представлены полиномами вида

e(T)=e₀+e₁T+e₂T²+...

В данной версии имеются следующие типовые модули-компоненты:

Atmosphere (Атмосфера), который просто хранит постоянные параметры (окружающей среды);
Vessel (емкость) конечного и постоянного объема;
Duct (Трубка), моделирующая участок трубопровода с плавным изменением сечения;
Cylinder (Цилиндр), представляющий процессы в цилиндре ДВС с обычной кинематикой кривошипно-шатунного механизма;
Crankcase (Кривошипная камера), специальный вид емкости переменного объема -- подпоршневая полость;

Среди перечисленных пяти видов только компонент Duct обладает реальной x-координатой и может моделировать движение волн. Одномерные законы сохранения неустановившегося движения применяются в нем для описания волновых явлений в газовой смеси, эта модель реализована с помощью консервативных методов конечных объемов повышенной точности для сквозного счета. Остальные модули-компоненты проще, они построены на базе модели открытой термодинамической системы.

Модули-коннекторы, вычисляющие взаимодействие между компонентами на расчетном шаге, представлены всего 2 видами модулей, в даной версии:

Restriction (Местное Сопротивление, МС), соединяющее 2 газодинамических компонента;
Splitter (Разделитель) -- вид МС с разделением/слиянием потока;

      В свою очередь, коннекторы этих 2-х видов могут подразделяться (по виду соединяемых ими компонентов).
      Так, в действительности коннектор Restriction есть «фасад» для 3 различающихся моделей, применяемых в разных случаях. Так, модель Diaphragm (Диафрагма) активизируется, если оба соединяемых компонента -- типа Duct, модель Valve (Клапан) -- при соединении одного компонента Duct с другим компонентом вида емкости и, наконец, модель Window (Окно) -- если оба компонента представляют элементы трубопровода типа емкости (т. e. здесь -- любого, не являющегося компонентом Duct).
      Что касается коннектора Splitter, то можно вообразить 4 подтипа соединений, комбинируя модули-компоненты типа трубок и типа емкостей. В данной же версии реализованы только 2 наиболее часто встречающихся типа газодинамических «треххвостых связей»: (1) модель Triple (Тройник), рассчитывающий течение на разветвлении трубопровода (как связь трех компонентов типа Duct) и (2) модель Chink (Щель) для расчета течения через сечение канала (трубки), в котором имеется боковое отверстие, открывающееся в емкость (как связь двух компонентов типа Duct и одного компонента типа емкости.

      Все модели, представляющие газодинамические коннекторы (за исключением модели Window) используют для расчета газодинамических потоков решение обобщенной задачи о распаде разрыва в месте расположения связующего элемента. И каждый коннектор, вообще говоря, может нуждаться в эмпирических данных для замыкания задачи о течении через связующий элемент, например, данных о потерях полного давления в потоке на местном сопротивлении.
      Более подробно с элементами теории и указаниями по применению можно ознакомиться по Руководству пользователя.
      Объяснения значений терминов, встречающихся в тексте данной документации, можно найти в Глоссарии.

1.2. Возможности

Управление проектом:

Исходные данные, нужные для расчетов в рамках каждого проекта, располагаются в каталогах проектов -- вида .\prj\[имя-проекта]\. Проекты можно создавать, копировать и редактировать независимо. Редактирование раскладки модулей на поле сборки, свойств модулей, запуск и остановка программы солвера и визуализация результатов моделирования -- управляются посредством ГИП.
Главный файл исходных данных -- input. В нем располагаются и данные о раскладке модулей по полю сборки и исходные данные модулей, с возможными ссылками на внешние файлы данных, как правило, в том же каталоге. Другой обязательный файл данных -- thermo, котрый содержит готовые даные по составу и теплотворной способности топлива и коэффициенты интерполяционных полиномов термодинамических свойств составляющих рабочего тела. Прочие файлы могут быть необязательны. Некоторые файлы в каталоге, (напрмер, screen и track) могут быть сгенерированы солвером в процессе расчета и использованы для сохранения и визуализации его результатов. Более подробные описания находятся в Руководстве пользователя и в следующем разделе.

Вывод и визуализация:

Вывод производится в несколько «каналов». Во-первых, солвер выводит (если требуется) номер текущего шага по времени, вместе с индикаторными параметрами в цилиндре в каждом рабочем цикле каждого цилиндра. Во-вторых, параметры решения на специально поставленных «датчиках» по времени за выбранный период (если требуется) накапливаются в файле screen. Файл может быть «проигран», «сканирован», экспортирован (сохранен) в текстовом и графическом форматах. Точно так же, распределения параметров по тракту вдоль пространственной координаты x могут быть сохранены и затем «анимированы», давая впечатляющий вид волновых явлений вдоль тракта, для наглядной иллюстрации особенностей газообмена двигателя с «настроенным» ГВТ. Данные для анимации сохраняются в файле track.

Возможна визуализация следующих параметров потока: давления P, температуры T, скорости u, массовой доли Y первого компонента смеси (записываются как в файл screen, так и в файл track). Также -- только для screen -- могут выводиться номинальные сечения или перемещения органов газообмена и величины массовых расходов рабочего тела (смеси) в целом и только ее первого компонента (соотвествующего свежему воздуху). В файл track выводятся также удельная энтропия, оба инварианта Римана и некоторая мера полной работоспособности газовой смеси.

Импорт данных вида (эмпирических) зависимостей:

Таблицы эмпирических данных, необходимых для моделирования (расположенные в подкаталогах каталога .\data) рассредоточены по категориям. Перечислим их:

таблицы термодинамических свойств компонентов рабочего тела;
кривые (в табличной форме) коэффициентов восстановления полного давления на коннекторах типа Restriction (модели Diaphragm и Valve) -- и кривые зависимостей коэффициента расхода для модели Window;
нестационарные газодинамические характеристики для моделей, заложенных в коннектор Splitter (модели Triple и Chink);
продувочные характеристики компонента Cylinder;

Смысл этих зависимостей проясняется в документацией, а доступ к ним осуществляется через специальные инструменты.

1.3. Изменения

Изменения (в хронологическом порядке) перечисляются в файле CHANGES.TXT (на англ. яз.). Некоторые, наиболее существенные изменения со времени версии 0.95 перечислены ниже:

возможность инсталляции и деинсталляции (добавлена в v. 0.96);
поддержка национальных языков в ГИП (добавлена в v. 0.98);

Текущая версия пакета "Horsepower Lab 1D" -- все еще в статусе пре-релиза, поэтому имеет смысл ознакомиться с изменениями, планируемыми на будущее:

автоматизированные массовые расчеты, процедуры оптимизации, и генерирования отчетов;
обеспечение обратной совместимости путем применения формата XML как основного формата данных для файлов проектов;
расширение списка предметных областей, реализация моделей с различным уровней детализации (до версии 2.0);
изменения в архитектуре пакета для достижения кросс-платформенности и реализации распределенных вычислений (к версии 2.0);

Более детальный список планируемых изменений находится в файле TODO.TXT (на англ. яз.).

Предыдущая Следующая Содержание