Моделирование числа зерен двухкомпонентной технологической среды, участвующих в резании на единичной площадке контакта гидроабразивной струи с заготовкой (стр. 2 )

Включает в себя инициализацию, определение пар вероятных соударяющихся частиц, расчет сил соударений, интегрирование уравнений движения частиц и сплайнов, обновление информации о соударениях в новом такте, передачу текущей информации в базу данных, повтор цикла вычислений с шагом 0,5-1 микросекунда.

Инициализация выполняется на центральном процессоре. Задаются начальные положения в пространстве и начальные скорости конечного множества частиц, инициализируется сеточная структура системы, подготавливается база данных. Структура базы данных содержат шаг моделирования, вектор гравитации, размер сетки, параметры колебаний, координаты и скорости частиц на i-ом шаге итерации, положение и скорость центра контейнера, положение и скорость каждого сплайна детали, шероховатость, наклеп, остаточные напряжения. Определение пар соударяющихся частиц начинается с поиска ближайших частиц центра масс которых попали в одну ячейку. Осуществляется методом разбиение пространства регулярной сеткой на кубические ячейки, в каждой из которых хранится список частиц, центры которых расположены внутри нее. Контактная модель предполагает, что при соударении частицы деформируются, центра их сближаются, сила взаимодействия пропорциональна величине перекрытия. Общая сила равна векторной сумме тангенциальной и нормальной составляющих. После расчета контактной силы, обновляется скорость. Для сокращения время вычислений указанная функция запускается параллельно до несколько десятков тысяч потоков для нескольких сотен тысяч частиц. Интегрирование уравнений движения каждой из конечного множества частицы осуществляется метод Адамса, в результате определяются новые значения скоростей, координат положения всех частиц и сплайнов. Обновление информации о потенциальных контактах осуществляется в каждом шаге итерации, так как все частицы в пространстве постоянно совершают «быстрые» виброударные и «медленные» циркуляционные перемещения, меняют координаты своего положения относительно друг друга и сплайнов. Переход на следующий шаг происходит после завершения всех перечисленных процедур расчета внутри шага и передачи результатов в базу данных.

Предварительные результаты исследований

Программа обладает следующими возможностями. Загрузка 3D-модели детали и контейнера произвольной формы в формате 3D Studio Max. Сохранение результатов в базу данных любого формата. Визуализация результатов осуществляется в виде эпюр, цветовых изображений, динамических презентаций с требуемым ускорением, замедлением и с паузами. Демонстрация динамики перемещений частиц вибрирующей инструментальной среды показывает адекватность перемещениям в натурном эксперименте. Время трех мерного моделирования с применением видеокарт фирмы NVidia CUDA не превышает времени двух мерного моделирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Копылов процессов виброударного упрочнения. – Воронеж: Научная книга; 2011. – 569 с.

2.  , Харламов работы с технологией CUDA. – М.: ДМК Пресс, 2010. – 232 с.

Воронежский государственный технический университет Доктор технических наук, профессор Тел.: (4 E-mal: *****@***ru

Y. R. Kopylov

VIBRO-IMPACT HARDENING MODELIN

USING VIDEO CARDS NVIDIA CUDA COMPANY

The possibilities of three-dimensional computer modeling of splinevibroshock hardening of parts with fixing the method of discrete elements with the Uses of graphics company NVIDIA CUDA for parallel flowcomputation.

Keywords: vibro-impact hardening of parts of three-dimensional computersimulation of the spline BoE, graphics company NVIDIA CUDA.

BIBLIOGRAPHY

[1] Kopylov JU. R. Dynamics of processes виброударного hardenings. - Voronezh: the Scientific book; 20with.

[2] Boreskov A. V., Kharlamov A. A.bas of work with technology CUDA. - M.: ДМК Пресс, 20with.

Kopylov Jury Romanovich Voronezhsky Voronezh state technical university Dr. Sci. Tech., the professor Ph.: (9 E-mal: *****@***ru

УДК 621.9.048

,

моделирование виброударного упрочнения

с использованием программНоЙ платформы cuda

Рассматриваются результаты трехмерного сплайнового моделирования процесса виброударного упрочнения деталей сложной формы с закреплением в контейнере методом дискретных элементов с использованием программно–математическая платформы CUDA.

Ключевые слова: виброударное упрочнение, моделирование, программная платформа CUDA.

В работе используются в качестве программной основы расчета видеокарты с поддержкой технологии GPGPU технологию CUDA фирмы nVidia, которые обладают более высоким быстродействием по сравнению с центральными процессорами (таблица 1).

В настоящее время максимальное количество ядер в центральном процессоре достигает 16, в таком процессоре можно запустить 16 параллельно работающих потоков. Система позволит запустить и большее количество потоков, но процессорное время будет поочередно предоставляться каждому запущенному потоку, приостанавливая выполнение другого потока. В графическом процессоре видеокарты можно одновременно запустить несколько десятков тысяч потоков. По этой причине выбраны видеокарты с поддержкой GPGPU. Вычисления носят гетерогенный характер, часть кода выполняется на центральном процессоре, другая, наиболее трудоемкая массивно-параллельная часть выполняется на видеокарте nVidia CUDA. Алгоритм расчета включает: инициализацию, определение пар вероятных соударяющихся частиц, расчет сил соударений, интегрирование уравнений движения частиц и сплайнов, обновление информации о вероятных соударениях в новом такте, сброс информации в базу данных, повтор цикла вычислений с шагом 0,1-1 микросекунда.

Контейнер имеет форму цилиндра радиусом 150 мм и глубиной 50 мм. Деталь форму конуса – больший радиус равен 50, меньший 25 мм, глубина – 50 мм, количество сплайнов детали 576. Параметры инструментальной среды: количество частиц 16520, радиус частицы – 2,5 мм, материал – сталь ШХ15, шероховатость Ra 0,32 мкм.

Создаются трехмерные модели контейнера и детали в редакторе 3D Studio Max и экспортируется в файл формата 3DS, задаются размеры сплайнов детали и контейнера. Инициализация выполняется на центральном процессоре посредством интерфейса программы-симулятора, где задаются настройки моделирования и исходные данные.

Таблица 1 - Сравнение характеристик устройств с поддержкой CUDA и ЦП

Тип устройства	Центральный процессор	Видеокарты серии nVidia GeForce	Вычислительные модули nVidia Tesla
Наименование модели	Intel Core i7 930	GTX 295	GTX 480	GTX 580	C1060	C2075
Число ядер CUDA\ядер процессора	4 (8 в режиме HT)	8х30=x2=480	480	512	240	448
Тактовая частота видеокарты (МГц)	–	576	700	772	–	–
Тактовая частота процессора, МГц	2800	1242	1401	1544	1300	1150
ECC-память	нет	нет	нет	нет	да	да
Производительность, ГФЛОПС (по данным фирмы-производителя)
Одинарная точность	55,6	696	1317	1581	727	1030
Двойная точность	55,6	74,3	168		77,6	515

Автоматически задаются начальные координаты и состояние конечного множества частиц в объеме среды, инициализируется сеточная структура системы, подготавливается база данных в формате Microsoft Access 2003, обработка результатов осуществляется посредством SQL – запросов. Базы данных содержат пять основных массивов: параметров моделирования, состояние дискретной системы, периодичность сохранения информации в таблицу, состояние контейнера, состояние сплайнов детали (скорость и энергия соударений, шероховатость, наклеп, остаточные напряжения и др.), статистика соударений. Важную роль в процессе расчета играет шаг интегрирования равный 0,1-1 мкс.

а) б)

Рисунок 1 - Задание геометрии поверхности детали и контейнера в виде сплайновой структуры (а)

и визуализация состояние системы в начале моделирования (б)

Разбиение пространства однородной регулярной сеткой на кубические ячейки, осуществляется для записи информации в каком номере ячейки находятся частицы с соответствующим номером, центры которых расположены внутри данной ячейки. Размер ячейки выбирается таким образом, чтобы он был несколько больше, чем характерный размер гранулы. В работе предполагается, что частицы имеют маленькую дисперсию размеров. Тест столкновения между двумя частицами выполняется тогда, когда они принадлежат одной и той же ячейке и расстояние между их центрами уменьшается. В работе предполагается, что частицы деформируются упруго-пластически. После установления контакта, рассчитывается сила соударения. Сокращение времени вычислений происходит за счет запуска указанной функции параллельно в нескольких потоках для разных частиц. На используемой видеокарте nVidia GeForce GTX 295 запускается одновременно 30720 потоков. В результате параллельных вычислений время трех мерного моделирования с применением видеокарт фирмы NVidia CUDA не превышает времени двух мерного моделирования одних и тех же деталей.

Программой предусмотрено выполнение виртуальных разрезов без удаления частиц в отсеченном объеме, что позволяет исследовать формирование поверхностного слоя внутри деталей, например в полостях корпусных деталей турбрнасосных агрегатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Джейсон Сандерс, Эдварт Кэндрот, «Технология CUDA в примерах. Введение в программирование графических процессоров», 20с.

2.  «Динамика процессов виброударного упрочнения» : монография / . – Воронеж : ИПЦ «Научная книга», 2011. – 568 с.

3.  , , «Основы работы с технологией CUDA». – М.: ДМК Пресс, 2010. – 232 с.

Юрий Романович Копылов Доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» Тел: 7-20 E-mail: *****@***ru

Сергей Юрьевич Копылов Аспирант. ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» Тел: 9-01 E-mail: [e-mail]

Y. R. KOPYLOV, S. J. KOPYLOV

VIBRO-IMPACT HARDENING MODELING

USING SOFTWARE PLATFORMS CUDA

The results of three-dimensional spline modeling vibroshock hardening ofintricate parts in a container with fixing the method of discrete elements using mathematical software platform CUDA.

Keywords: vibro-impact reinforcement, modeling, software platform CUDA

BIBLIOGRAPHY

[1]  A. Jason Sanders, Edvart Kendrot "CUDA technology in the examples. Introduction to Programming graphics processors, "2011. 476 p.

[2]  Two. Kopylov YR "The dynamics of the processes of hardening vibroshock":monograph / YR Kopylov. - In-ronezh: CPI, "Research Paper", 2011. - 568 p.

[3]  Three. Boreskov AV, Kharlamov AA, "Basics of Technology CUDA». - M.: DMK Press, 2010. - 232.

Yuri Kopylov, R. Doctor of Technical Sciences, GOU VPO «Voronezh State Technical University» Tel: 7-20  E-mail: *****@***ru

Sergey Kopylov Graduate student. GOU VPO «Voronezh State Technical University» Tel: 9-01  E-mail: *****@***ru

И. Е. ЛОБАНОВ

ТЕОРИЯ ИНТЕНСИФИЦИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕЧЕНИИ В ПРОДОЛЬНО ОМЫВАЕМЫХ ПУЧКАХ ТРУБ С ПОПЕРЕЧНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ C ПОМОЩЬЮ "ШЕСТИУГОЛЬНОЙ" ЧЕТЫРЁХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ

ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Объектом исследования являются кольцевые каналы с периодическими поверхностно расположенными на внутренней трубе турбулизаторами потока, в которых осуществляется турбулентное движение теплоносителя. Применение разработанных расчётных методов интенсифицированного теплообмена позволит снизить металлоёмкость и габариты, а также температуру стенок перспективных теплообменных аппаратов с интенсифицированным теплообменом.

Ключевые слова: турбулизатор, продольное обтекание, турбулентное течение, теплоноситель, математическое моделирование, "шестиугольная" четырёхслойная модель.

Применение интенсификации теплообмена в продольно омываемых пучках труб посредством поперечного оребрения обусловливается тем, что применение кольцевых канавок для интенсификации теплообмена в продольно омываемых пучках труб эффективно только для тесных пучков. При применении относительно раздвинутых пучков труб с относительным шагом труб в пучке применение для интенсификации теплообмена кольцевых канавок даёт незначительный эффект при оптимальной интенсификации внутри труб. В таких пучках более эффективно применение поперечного оребрения. Эксперименты по интенсификации теплообмена при продольном обтекании пучков труб связаны с трудностями изготовления экспериментальных участков. В данном исследовании рассматривается продольно омываемый шахматный пучок труб с поперечным оребрением. Турбулентный поток в канале, образованном продольно омываемым шахматным пучком труб с поперечным оребрением, моделируется посредством постановки ему в соответствие потока в шестиугольном канале, которому, в свою очередь, ставится в соответствие эквивалентный кольцевой канал с соответствующими профилями потока. Замена шестиугольного канала с соответствующей апофемой на эквивалентный кольцевой канал основана на сохранении расхода. Теплообмен в образованном продольно омываемом шахматным пучком труб с поперечным оребрением моделируется 4-х-слойной схемой турбулентного пограничного слоя в кольцевом канале с эквивалентным относительным радиусом. Т. к. внешняя граница для канала, образованного продольно обтекаемым пучком с поперечным оребрением адиабатная, то может быть использована 4-х-слойная схема, расчёты по которой хорошо коррелирует с существующим экспериментальным материалом.

Вывод

Разработана математическая модель течения и теплообмена для продольно обтекаемого пучка труб с поперечным оребрением, основанная на 4-х-слойной схеме моделирования турбулентного пограничного слоя. Полученные результаты хорошо согласуются с существующими экспериментом и имеют перед ним преимущество, т. к. допущения, охватывают гораздо более широкий диапазон определяющих параметров, чем ограничения эксперимента.

Доктор технических наук, в. н.с. ПНИЛ—204

Московский Авиационный институт (государственный технический университет),

Тел. (495)

E-mail: *****@***ru; *****@***ru

I. E. LOBANOV

THE THEORY OF THE INTENSIFIED HEAT EXCHANGE

AT TURBULENT FLOW IN LONGITUDINAL WASHED PIPE BUNDLES WITH CROSS-SECTION ОРЕБРЕНИЕМ C THE HELP OF "HEXAGON" FOUR-LAYER MODEL TURBULENT INTERFACE

Object of probe are ring ports with periodic superficially located on an internal tube turbolators a stream in which the heat-carrier whirl is carried out. Application of the developed settlement methods of the intensified heat exchange will allow to lower metal consumption and dimensions, and also temperature of walls perspective eat-exchange devices with the intensified heat exchange.

Keywords: turbulator, a longitudinal flow, turbulent flow, tep-lonositel, mathematical modeling, "hexagon" four-layer model.

Lobanov Igor Evgenevich

Dr. Sci. Tech., h. s.s. Problem research laboratory-204

The Moscow Aviation institute (The state technical university),

Phone. (495)

E-mail: *****@***ru; *****@***ru

УДК 536.26:629.7

И. Е. ЛОБАНОВ

ТЕОРИЯ ИНТЕНСИФИЦИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕЧЕНИИ В КРУГЛЫХ ТРУБАХ

С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЧЕТЫРЁХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

ДЛЯ ВЫСТУПОВ РАЗЛИЧНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЫСОТЫ

Объектом исследования являются круглые трубы с периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока, в которых осуществляется турбулентное движение теплоносителя. Проведено теоретическое расчётное исследование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении теплоносителей в круглых трубах с турбулизаторами в широком диапазоне определяющих параметров.

Ключевые слова: турбулизатор, круглая труба, турбулентное течение, теплоноситель, математическое моделирование, четырёхслойная модель.

Расчётные методы интенсификации теплообмена при турбулентном течении в трубах разработаны ещё недостаточно. Опытные данные по теплообмену справедливы только для определённого вида течений и типоразмеров турбулизаторов. Теплообмен при течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена моделируется 4-х-слойной схемой. Существующие решения дают заниженные результаты относительно точного решения для низких значений числа Прандтля и завышенные для высоких во всём диапазоне относительных диаметров труб. Результаты расчёта по точным формулам и по существующим формулам в зависимости от относительной высоты между турбулизаторами показывают, что их различие может быть довольно значительным. Расчётное исследование теплообмена в трубах с турбулизаторами посредством точного решения задачи о теплообмене показывает, что средняя погрешность этого расчёта по отношению к эксперименту составляет порядка 5%, в то время как по существующим >10%. При относительно больших расстояниях между отдельными турбулизаторами регулярные вихри будут занимать только небольшую часть расстояния между ними, поэтому схема с вихревым ядром в этом случае не будет справедливой и имеет место элиминирование вихревого ядра во впадине. Для больших числах Прандтля моделирование проводится на основании закона "4-ой степени". При превышении высоты турбулизатора толщины пристенного слоя, турбулизируется область ядра, в которой турбулентный перенос велик, а тепловой поток невелик, поэтому теплоотдача увеличивается мало, а сопротивление сильно возрастает. Моделирование теплообмена, когда высота турбулизатора превышает толщину пристенного слоя при помощи четырёхслойной схемы турбулентного пограничного слоя сводится к тому, что сопротивление увеличивается только в ядре потока, а в турбулентном ядре во впадине, промежуточном подслое и вязком подслое равно сопротивлению, соответствующему высоте турбулизатора, равной пристенному слою.

Вывод

Разработана теоретическая модель для расчёта теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях его интенсификации, отличающаяся от известных моделей более высокой точностью, отсутствием дополнительных допущений, учётом большего числа параметров, оказывающих влияние на теплообмен. Расчётные данные по интенсифицированному теплообмену хорошо соответствуют существующим экспериментальным данным, имея гораздо меньшую погрешность по отношению к последним, чем существующие решения.

Доктор технических наук, в. н.с. ПНИЛ—204

Московский Авиационный институт (государственный технический университет),

Тел. (495)

E-mail: *****@***ru; *****@***ru

I. E. LOBANOV

THE THEORY OF THE INTENSIFIED HEAT EXCHANGE

AT TURBULENT FLOW IN ROUND TUBES

WITH TURBOLATORS WITH APPLICATION OF FOUR-LAYER MODEL INTERFACE TURBOLANT

FOR LEDGES OF VARIOUS RELATIVE HEIGHT

Object of probe are ring ports with periodic superficially located on an internal tube turbolators a stream in which the heat-carrier whirl is carried out. Application of the developed settlement methods of the intensified heat exchange will allow to lower metal consumption and dimensions, and also temperature of walls perspective eat-exchange devices with the intensified heat exchange.

Keywords: turbulator, a longitudinal flow, turbulent flow, tep-lonositel, mathematical modeling, "hexagon" four-layer model.

Lobanov Igor Evgenevich

Dr. Sci. Tech., h. s.s. Problem research laboratory-204

The Moscow Aviation institute (The state technical university)

Phone. (495)

E-mail: *****@***ru; *****@***ru

УДК 536.26:629.7

И. Е. ЛОБАНОВ

ТЕОРИЯ ИНТЕНСИФИЦИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕЧЕНИИ В КОЛЬЦЕВЫХ КАНАЛАХ

С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ НА ВНУТРЕННЕЙ ТРУБЕ НА БАЗЕ

СЕМИСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Объектом исследования являются кольцевые каналы с периодическими поверхностно расположенными на внутренней трубе турбулизаторами потока, в которых осуществляется турбулентное движение теплоносителя. Применение разработанных расчётных методов интенсифицированного теплообмена позволит снизить металлоёмкость и габариты, а также температуру стенок перспективных теплообменных аппаратов с интенсифицированным теплообменом.

Ключевые слова: турбулизатор, кольцевой канал, турбулентное течение, теплоноситель, математическое моделирование семислойная модель.

В современных теплообменных аппаратах широко используются теплообменные устройства с каналами, имеющими некруглое поперечное сечение, в частности, кольцевые каналы. В некоторых каналах теплообмен осуществляется не через всю омываемую поверхность. Довольно часто тепловые потоки на различных поверхностях оказываются неодинаковыми: кольцевые каналы с внутренним или внешним обогревом, а также с двусторонним обогревом с разными тепловыми потоками. Моделирование предельного изотермического теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах за счёт турбулизации потока производится по методике, аналогичной методике, применённой для круглых труб с турбулизаторами. При моделировании теплообмена для кольцевого канала, интенсифицированного посредством периодически расположенных поверхностных турбулизаторов на внутренней трубе, будут справедливы все допущения, характерные для круглых труб с турбулизаторами. Течение в кольцевом канале при наличии поверхностных турбулизаторов рассматривается как стабилизированное турбулентное течение. Турбулентный поток в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе моделируется посредством семислойной схемы турбулентного пограничного слоя. Детерминируем вышеуказанное послойное деление потока в кольцевом канале с турбулизаторами, для которых справедливы следующие отношения турбулентной и молекулярной вязкостей профили скорости соответственно. Обширное сопоставление полученных по сгенерированной в исследовании супермногослойной теории расчётных данных по интенсифицированному теплообмену в кольцевых каналах с турбулизаторами с экспериментальными для широкого диапазона определяющих параметров, из которого видна вполне удовлетворительная корреляция между ними.

Вывод