Co je to rychlé síťování pomocí osmistěnů (Rapid Octree Meshing)?

Mnoho průmyslových odvětví využívajících simulace ke zlepšení, zrychlení nebo doplnění svých návrhových procesů směřuje k realističtějším modelům. Tyto modely umožňují hlubší pochopení fyzikálních jevů a dávají inženýrům možnost činit kvalifikovanější rozhodnutí.

V důsledku toho se modely a simulace stávají většími a složitějšími, přičemž velikosti sítí dosahují stovek milionů až miliard buněk. Tradiční metody síťování tuto úlohu zvládnou, ale postrádají rychlost a škálovatelnost, kterou firmy potřebují pro dodržení časových plánů vývoje. Technologie rychlého síťování pomocí osmistěnů (Rapid Octree) v softwaru Ansys Fluent nabízí rychlejší a robustnější řešení.

Rychlejší alternativa k síťování založenému na povrchu

Proces rychlého síťování pomocí osmistěnů je podobný metodě síťování zdola nahoru v Ansys. Začíná se na tesselované geometrii, definují se různé velikostní oblasti a poté se generuje síť. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že při použití metody Rapid Octree není třeba nejprve síťovat povrchy. Tato funkce vytváří přímo objemovou síť a projektuje ji na tesselovanou geometrii, čímž umožňuje velmi rychlý a škálovatelný proces bez kompromisů v přesnosti.  

Srovnání přístupů síťování

Přístup zdola nahoru: Nejprve síťuje povrchy a poté vyplňuje objem. Nabízí vysokou míru kontroly, ale je obtížně automatizovatelný a hůře škálovatelný.

Rapid Octree (shora dolů): Přijímá jakoukoli geometrii s minimální přípravou, nejprve síťuje objem a poté obnovuje hraniční plochy. Tento přístup je velmi paralelizovatelný a škálovatelný.

Škálovatelnost technologie Rapid Octree Meshing

Škálovatelnost technologie Rapid Octree Meshing je znázorněna na obrázku 2. Síť o velikosti 3,7 miliardy buněk byla vytvořena při postupně rostoucím počtu jader od 1 320 až po 3 960 pro složitou nereaktivní geometrii s vysokou mírou detailu.

Jak je vidět z obrázku, s rostoucím počtem jader roste také efektivita síťování – vyjádřená v milionech buněk za minutu.

• Při 1 320 jádrech byla síť dokončena rychlostí 41,5 milionu buněk za minutu.
• Při 3 960 jádrech se rychlost zvýšila na 124 milionů buněk za minutu, což představuje 99% efektivitu škálování.
• Celkový čas potřebný k vytvoření sítě o 3,7 miliardě buněk tak činil pouhých 30 minut při využití 3 960 jader.

Tento výsledek potvrzuje výjimečnou škálovatelnost a výpočetní efektivitu technologie Rapid Octree, která umožňuje extrémně rychlé generování sítí i pro velmi rozsáhlé a složité modely.

Rychlejší síťování s menším úsilím o úpravu CAD modelu

Technologie Rapid Octree je obzvláště přínosná pro CFD výpočty velkých a složitých geometrií. Díky „odolnosti vůči chybám“ se snižuje potřeba úprav CAD modelu, a paralelizace umožňuje generovat rozsáhlé sítě během minut.

Příklady z praxe:

• Turbíny: Síťování celého kola (např. NASA EEE) s miliardami buněk.
• Automobilový průmysl: DrivAer model (AutoCFD4) – síť o velikosti 135 milionů buněk vytvořena za 226 sekund na 160 jádrech. (Obrázek 4)
• Podkapotové simulace: Komplexní geometrie obsahující stovky nebo tisíce těles lze síťovat bez nutnosti rozsáhlého čištění.

Rychlejší síťování s menší potřebou úprav geometrie

Obecně přináší přístup Rapid Octree výraznou hodnotu pro všechny odborníky na výpočtovou dynamiku tekutin (CFD), kteří modelují rozsáhlé a složité geometrie se síťováním v řádu stovek milionů buněk a více. Díky své přirozeně tolerantní povaze vůči chybám v geometrii výrazně snižuje potřebu čištění CAD modelů, což je častý časově náročný krok u složitých sestav.

Další klíčovou výhodou je vysoká paralelizace, která umožňuje generovat i velmi rozsáhlé sítě v řádu minut, nikoliv hodin či dnů.

Klíčové obory, které okamžitě profitují z Rapid Octree:

Jedním z největších beneficientů této technologie je průmysl plynových turbín. Ten směřuje k plnému síťování kompletních kol turbín – ať už jde o spalovací komoru, turbínu, kompresor nebo jejich kombinaci. Tyto modely běžně dosahují velikosti sítě v řádu miliard buněk.

Typickým příkladem je veřejně dostupná geometrie plného prstence motoru NASA Energy Efficient Engine (EEE), která byla úspěšně nasíťována technologií Rapid Octree (viz Obrázek 3).

Tato schopnost efektivního a rychlého síťování extrémně velkých CFD modelů představuje zásadní krok vpřed pro simulace nové generace.

Obrázek 3. Rapid Octree síť geometrie celého kola motoru Energy Efficient Engine (EEE).

Zobrazeny jsou následující pohledy:

• jednosektorové zobrazení (levý horní roh)
• pohled na síť v rovině středu (pravý horní roh)
• axiální pohled na síť (levý dolní roh)
• detail vířiče (pravý dolní roh)

V automobilovém průmyslu odborníci běžně provádějí simulace s vysokým rozlišením měřítka pro předpovědi aerodynamického odporu, které vyžadují sítě o stovkách tisíc až milionech buněk.

Model vozu DrivAer byl použit během 4. workshopu Automotive CFD Prediction (AutoCFD4) v roce 2024.

(Podrobný popis testovací úlohy DrivAer s otevřeným chlazením je k dispozici z workshopu AutoCFD2 z roku 2021 a v technickém článku autorů Hupertz et al., publikovaném SAE International.)

Pomocí technologie Rapid Octree byla pro tento model vygenerována síť o velikosti 135 milionů buněk během 226 sekund na 160 výpočetních jádrech, jak ukazuje obrázek 4.

Obrázek 4. Rapid Octree síť modelu DrivAer zobrazující geometrii s oblastmi zpřesnění (vlevo) a výslednou síť (vpravo).

Při modelování teplotních simulací v prostoru pod kapotou, a to jak v automobilovém, tak v průmyslovém sektoru, jsou geometrie mimořádně složité – často obsahují stovky až tisíce geometrických těles, která je třeba nasíťovat.

Přístup Rapid Octree výrazně snižuje nároky na čištění těchto těles a zároveň umožňuje vytvořit vysoce kvalitní síť, což vede ke zkrácení celého návrhového cyklu a efektivnějšímu vývoji produktů.

Exponenciální zrychlení workflow: Kombinace Rapid Octree Meshing a GPU řešiče Ansys Fluent

Od plného vydání GPU řešiče Ansys Fluent ve verzi 2023 R2 začali uživatelé dramaticky zkracovat dobu výpočtů a tím i celý návrhový cyklus.

Zatímco fáze řešení (solver) běžně zabírá nejvíce času v celém simulačním procesu, GPU řešič Fluent tuto dobu výrazně zkrátil. Technologie Rapid Octree Meshing, díky své vysoké rychlosti a výjimečné paralelizaci, přináší stejně rychlý zážitek z práce, což uživatelům umožňuje provést celý simulační workflow během jednoho pracovního dne.

Díky této kombinaci mohou uživatelé nejen provádět simulace rychleji, ale také si dovolit více času věnovat:

• analýzám optimalizace,
• návrhu s variacemi, nebo
• detailnějším modelům s vyšší věrností.

Konkrétní výsledek:

Síťování 1 miliardové sítě spalovací komory EEE (Energy Efficient Engine) trvalo pouze 24 minut na 768 jádrech. Výsledná síť byla následně vyřešena na 48 GPU NVIDIA L40 za pouhých 20 hodin – což je mimořádně rychlý výpočetní čas pro simulace této velikosti.

Simulace urychluje úspěch ve Volvo

V nedávné tiskové zprávě uvedli inženýři společnosti Volvo, že se jim podařilo zkrátit celkový čas simulace vnější aerodynamiky z původních 24 hodin na pouhých 6,5 hodiny. Tento výsledek byl dosažen díky kombinaci síťování pomocí Rapid Octree a GPU řešiče Fluent.

Jedná se o zásadní průlom v oblasti aerodynamických simulací, který umožní provádět více návrhových iterací během jednoho dne, což výrazně zvyšuje flexibilitu a efektivitu vývoje v inženýrských týmech Volvo.

Chcete vědět víc?

Nebojte se zeptat, dohodnout si schůzku u nás (vaříme také dobré kafe...), nebo my přijedeme k vám!

Zdroj: https://www.ansys.com/blog/what-is-rapid-octree-meshing