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SU2学习笔记

4月前浏览149

摘要:

该文档是 2014 年斯坦福大学 SU2 v3.2.2 版本代码参考手册,由 Doxygen 工具生成。手册目录完整罗列程序模块、类、文件索引,系统介绍对流项、黏性项、源项离散以及势流、欧拉、纳维 - 斯托克斯、湍流方程求解模块。文档收录大量求解器、流场变量、梯度、网格自适应、几何处理等 C++ 核心类,逐一记录各类构造、析构、成员函数与数据成员,覆盖边界条件、并行计算、网格变形、FFD 几何变形、线性预处理等底层接口,清晰呈现 SU2 开源 CFD 程序模块化代码结构与数值算法实现逻辑,可用于程序二次开发、气动优化算法研究与代码调试参考。

Abstract  软件概述:

The Stanford University Unstructured (SU2 ) suite is an open-source collection of C++ based software tools for performing Partial Di优erential Equation (PDE) an alysis and solving PDE con- strained optimization problems.  The toolset is designed with computational fiuid dynamics and aerodynamic shape optimization in mind, but is extensible to treat arbitrary sets of governing equations such as potential fiow, electrodynamics, chemically reacting fiows, and many other- s.   SU2  is under active development in the Aerospace Design Lab  (ADL) of the Department of Aeronautics and Astronautics at Stanford University, and is released under an open-source license.


Chapter 1  Introduction

1.1    Overview

The SU2 software suite specializes in high fidelity PDE an alysis and design of PDE constrained systems on unstructured domains.  The suite itself is composed of several C++ ana lysis modules that  handle  specific  tasks,  including  the  solution  of the  PDE  system,  decomposition  of the domain for parallel computations, grid deformation, and many other tasks required for shape optimization and sensitivity studies.  Some specifics of these modules can be found on the  SU2 Tools page of this documentation with more complete information available in the Developer’s Guide. The current development of this code is done by the Aerospace Design Lab at Stanford University, based on the original structure of CADES 1.0 (2009 - 2010).

The  software  structure  has  been  designed  for  maximum  flexibility,  leveraging  the  class- inheritance  features  native  to  the  C++  programming  language.    This  makes  SU2   an  ideal vehicle for performing multi-physics simulations, including multi-species thermochemical non- equilibrium flow an alysis, combustion modeling, two-phase flow simulations, magnetohydrody- namics simulations, etc.  Additionally, the decomposition of the flow solver allows for the rapid implementation of new spatial discretization methods and time-integration schemes.


1.1.1    PDE An alysis

SU2 is ideally suited to perform high fidelity, PDE an alysis over complex geometries using un- structured mesh technology.  The solver, SU2   CFD, is vertex-centered and finite-volume based. It currently offers the following schemes for spatially discretizing a range of governing equations:

•  Jameson-Schmidt-Turkel or JST (centered scheme, second-order accurate in space).

•  Lax-Friedrich (centered scheme, first-order accurate in space).

•  Roe 1st-Order (upwind scheme, first-order accurate in space).

•  Roe 2nd-Order (upwind scheme, second-order accurate in space using MUSCL scheme and Venkatakrishnan’s limiter).

For time integration (explicit, and implicit), SU2  offers the following schemes:

•  Backward and forward Euler (first-order accurate in time).

•  Runge-Kutta Explicit (up to fourth-order accurate in time).

•  Dual time stepping (second-order accurate in time).

Other integration schemes are currently under development, and the class structure of SU2 makes adding new schemes simple.  Convergence acceleration and robustness enhancement fea- tures are available such as agglomeration multigrid schemes and residual smoothing.  SU2  can

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Figure 1.2:  Pressure contours (left) and the unstructured surface mesh (right) on the DLR F6 wing-body configuration.

also execute in parallel for large-scale simulations using a Message Passing Interface (MPI) im- plementation.   More  details  and  specifics  are  available  in the  SU2   Tools  and the  Developer’s Guide.

Reynolds Averaged Navier-Stokes  (RANS), Laminar Navier Stokes & Euler Simu- lations

The current release of SU2  comes pre-packaged with the Reynolds Averaged Navier-Stokes (with the Spalart-Allmaras turbulence model), laminar Navier-Stokes, and Euler equations (a- mong others) to perform a wide range of general fluid dynamics an alysis problems.  Solutions from the software suite for a variety of configurations spanning the subsonic, transonic, super- sonic, and hypersonic flight regimes are shown throughout this page to highlight the capabilities of the code.

Rotating Frame Simulations

A rotating frame formulation of the Euler equations is included in SU2  for efficient, steady an alysis of inviscid fluid around rotating aerodynamic bodies.   Potential applications include wind turbines, turbomachinery, propellers, open-rotors, helicopter rotors, etc.

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Multi-Physics Simulations

The general formulation of the solution vector in the CFD module permits the rapid implementation of additional governing equation sets and source terms to accommodate multi-physics  simulations with ease. Results from a coupled electric potential, inviscid flow an alysis is shown here for a multi-species Argon gas mixture with charge separation.

Optimal Shape Design

The design optimization of PDE constrained systems is a primary function of the SU2 suite.

The built-in adjoint solver in the CFD module, in conjunction with the Gradient Projection Code (GPC), and Mesh Deformation Code (MDC) deliver surface sensitivities and objective function gradients to Scipy-based optimization algorithms, enabling surface shape optimization for complex geometries. Furthermore, both the flow and adjoint solvers within SU2 can be executed in parallel within the design loop for increased computational efficiency. Each of the design examples on this page take advantage of the Euler and Adjoint-Euler flow solvers in parallel with the design process driven by SciPy optimizers. Constraints such as a minimum lift or maximum moment can also be included.

Adaptive Mesh Refinement

The Mesh Adaptation Code (MAC) in the SU2 suite facilitates strategic mesh adaptation based on several common schemes, including gradient and adjoint-based methods.

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原资料见附件


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首次发布时间:2026-07-03
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基于DEFORM三维多晶体材料微结构的有限元分析【文献】

摘要:利用本课题组自主开发的计算机软件AutoRVE,实现三维多晶体材料微结构的几何建模,网格划分,并将生成的Input的文件通过脚本语言Python的编译,实现在DEFORM中建立三维多晶体微结构的具体材料模型,并进行挤压过程热力耦合仿真分析,演示出了三维多晶体材料微结构的温度场及等效应力、等效应变分布结果。关键词:三维多晶体;材料微结构;Key文件;Input文件中图分类号:TG141DEFORM简介DEFORM-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM),专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维(3D)流动,提供极有价值的工艺分析数据,及有关成形过程中的材料和温度流动。主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入,建立边界条件,它还包括有限元网格自动生成器;模拟器是集弹性、弹塑性、刚(粘)塑性、热传导于一体的有限元求解器;后处理器是将模拟结果可视化,支持OpenGL图形模式,并输出用户所需的模拟数据。DEFORM允许用户对其数据库进行操作,对系统设置进行修改,以及定义自己的材料模型等,如图1所示。2DEFORM前处理程序的二次开发2.1材料代表性体积单元(RVE)材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材料微观组织结构的“代表性体积单元”(RVE)技术上。微观组织结构的“代表性体积单元”定义在材料的细观尺度上。“代表性体积单元”其体积尺寸是最小的,但体积单元内却包含了足够多微观组织结构组成物的几何信息、晶体学取向信息、分布信息与相场信息,并能在统计学意义上(统计平均性质)代表材料微观组织结构的基本特征,由“代表性体积单元”组成的材料称为统计均匀材料,统计均匀材料受到均匀边界条件的作用,则介质内的场变量是统计均匀场。值得指出的是,应该根据材料实际(或模拟)的微观组织结构组成物的几何构造、取向分布与结构,计算材料微观组织结构的“代表性体积单元”内的细观力学响应以及材料性能。“代表性体积单元”的细观应力的体积平均响应程度必须与“代表性体积单元”边界上所承受的外加载荷程度相一致。2.2几何模型的建立挤压件原始尺寸为:1000mm×1000mm×500mm(长度×宽度×厚度),其开始温度为900℃,上下模具温度都为300℃。材料假定是各相同性的,挤压件和上下模之间采用剪切摩擦模型,摩擦系数是0.3。工件的自由表面与周围环境之间的等效换热系数取为180.2N/(s·m·c),工件与上下模之间的接触传热系数取为5N/(s·m·c),辐射率为0.7。坐标系的建立为:Z轴的负方向为挤压方向。2.3多晶体材料微结构的数据准备利用本课题组自主开发的计算机软件AutoRVE,即可在ABAQUS有限元软件中,建立材料微结构的“代表性体积单元”(RVE)的几何模型,并根据几何模型画出有限元计算网格,单元体数目:199738,结点:36000,总模拟步数为100,模拟时间步长为:0.01s。由于DEFORM对工件赋予不同材料属性的限制,在编译的过程中,设置6种材料属性。实现对所有的单元赋材料属性,具体是将同一晶粒对应的多个单元赋予同一材料属性。而后利用C语言编译生成6种新材料,为了使整个工件的材料属性差别不易过大,在编译材料属性时仅对材料的杨氏模量进行少量的增加,分别命名为NEW-I(I=1-6)。这样即可将每个晶粒可视化显现出来。图2显示了含有1000个晶粒的三维多晶体网格划分材料微结构(挤压件模型)。3三维多晶体材料微结构模拟结果及分析3.1温度场分布为更好地反映整个挤压过程中工件各部位温度的变化规律,在工件的中心和表面,沿工件长度方向提取截面上的关键点进行温度跟踪分析,将各点的温度随时间变化作曲线,演示了含有1000个晶粒的多晶体材料挤压过程中温度分布,如图3所示。P1为多晶体材料上表面的中心点,P2为多晶体材料的内部中心点,P3为上表面的侧面中点,P4为侧面的中心点。结果表明,工件各部位关键点的温度随挤压过程时间的增加均呈现下降的趋势,特别是工件表面中心节点P1,及工件边部节点P3在挤压过程中,与上模具产生接触温度曲线起伏显著,温度急剧下降;工件在与空气的热交换过程中温度变化缓慢,P4的温降变化不太明显。中心处节点P2温度略有提升(这是因为塑性功转化为热的结果)。3.2应力分析通过对关键点等效应力变化进行跟踪,图4演示了含有1000个晶粒的三维多晶体材料微结构模型算例及其等效应力分析结果。当工件开始与上下模接触时,如图4(a)所示,挤压变形内部中心区节点P2的应力最大,工件边部节点P3在挤压过程中与上模具产生接触应力曲线起伏不大,如图4(b)为等效应力随计算时间的变化曲线。各节点的应力急剧上升,而后在达到稳定状态呈缓慢增长趋势,在整个挤压过程中,节点P1应力曲线起伏相当大。3.3应变分析通过对关键点等效应变变化进行跟踪,图5演示了含有1000个晶粒的三维多晶体材料微结构模型算例及其等效应变分析结果。如图5(a)所示,在整个挤压过程中,在工件边部及挤压变形内部中心区呈现出较大的等效应变,表面中心处和侧面处应变相对较小。图5(b)为等效应变随计算时间的变化曲线,可以看出:关键点等效应变首先增长缓慢几乎趋近于零,在工件挤压后塑性变形逐渐增大,等效塑性应变也随之增大。在整个挤压过程中,工件边部节点P3与上模具产生接触应变曲线起伏最大,随着时间的增大,各节点的应变几乎呈直线急剧上升。4结论采用商业有限元软件DEFROM对多晶体材料进行了挤压过程模拟分析,模拟结果表明:(1)通过脚本语言Python的编译,对外部数据Input文件提取Key文件所需要的有效数据,进而对已产生的Key文件进行替换及添加,实现在DE2FORM中建立三维多晶体微结构的具体材料模型,完成该细观模型的建立。(2)对DEFORM-3D进行前处理二次开发,导入多晶体材料的微结构模型,并进行挤压过程热力耦合仿真分析。得到了三维多晶体材料微结构的温度场及等效应力、等效应变分布结果。(3)用户可以返回DEFORM中通过GUI环境下的操作实现某些用户自定义的特性,如,具体的某种材料、具体所需的分析步、具体的边界条件与加载方式,或者通过更改模型的Key文件实现对模型的用户自定义,再对模型进行分析。原资料见附件免责声明:本页面/内容部分素材来源于互联网公开信息,旨在传递更多信息,不代表本平台立场。版权归原作者或机构所有,如涉及侵权,请通过平台联系我们,我们将在核实后第一时间处理。本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证,用户需自行判断并承担使用风险。

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