Опыт использования СПО OpenFOAM для обучения основам вычислительной гидродинамики в СПбПУ (Александр Смирновский, OSEDUCONF-2023) — различия между версиями

Версия 18:34, 18 января 2024

Докладчик: Александр Смирновский

В докладе представляются основные принципы построения программы обучения студентов бакалавриата Физико-механического института СПб политехнического университета по направлению «Прикладные математика и физика» основам вычислительной гидродинамики с использованием СПО, в частности, пакета OpenFOAM. Рассказывается о достоинствах и выявленных недостатках использования СПО в обучении применительно к описываемому курсу, разрабатываемому в течение более пяти лет.

Видео

Презентация

Thesis

В течение нескольких лет в Высшей школе прикладной математики и вычислительной физики Физико-механического института СПбПУ в рамках курса «Исследовательские проекты в области механики сплошных сред» для последнего года бакалавриата проводятся практические занятия по основам вычислительной гидродинамики с использование свободного программного обеспечения OpenFOAM^[1].

Пакет OpenFOAM широко используется в мире как для проведения научно-исследовательских работ с использованием методов вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics, CFD), так и в промышленности при решении практических задач, связанных с движением жидкости и газа.

OpenFOAM — это открытая интегрируемая платформа для численного решения уравнений в частных производных методом конечного объёма. Изначально OpenFOAM создавался как инструмент для решения задач вычислительной гидродинамики, однако с течением времени благодаря гибкости используемой платформы и открытости исходного кода в нём появилась возможность решать множество других физических задач.

Основное преимущество OpenFOAM перед коммерческими программными продуктами, предназначенными для решения задач CFD, является его открытость и доступность: пакет OpenFOAM распространяется под лицензией GPLv3. Одним из недостатков пакета является отсутствие пользовательской графической оболочки, вся работа с пакетом осуществляется при помощи редактирования управляющих файлов, а также при помощи сторонних программ (например, для визуализации результатов расчёта используется пакет ParaView, распространяющимся под лицензией BSD); следует отметить, что также имеются коммерческие графические оболочки для взаимодействия с OpenFOAM. В настоящее время имеется две независимые ветки кода OpenFOAM, которые развиваются разными организациями: ветка, условно называемая OpenFOAM.org, развивающаяся под эгидой некоммерческой организации OpenFOAM Foundation, и ветка, условно называемая OpenFOAM.com, которая развивается коммерческой компанией OpenCFD Ltd.

Для студентов бакалавриата, обучающихся вычислительной гидродинамике, курс с использованием пакета OpenFOAM является дополнительным; они также изучают другие программные пакеты, в т.ч. коммерческие пакет ANSYS Fluent. Поэтому в курсе, посвящённому изучению OpenFOAM, даются только базовые аспекты использования пакета. В связи с тем, что, к сожалению, в Политехническом университете в основном используется ОС Windows, для удобства использования пакета OpenFOAM, который зачастую применяется в ОС на базе ядра Linux, для студентов подготовлена виртуальная машина VirtualBox с предустановленным дистрибутивом Lubuntu 19.04, OpenFOAM версии 7 и пакетом ParaView. Как показала практика, у студентов в основном не возникает проблем с использованием виртуальной имашины, а единая заранее подготовленная среда рабочего окружения позволяет существенно сократить время выявления и решения возникающих в процессе работы с OpenFOAM проблем и затруднений.

В рамках курса по OpenFOAM студенты изучают основные возможности пакета и выполняют несколько компьютерных лабораторных работ, посвящённых простейшим задачам вычислительной гидродинамики, таким как: плоское течение Пуазейля, конвективно-диффузионный перенос скаляра, свободноконвективное течение в квадратной каверне с разнонагретыми стенками и др. Поскольку в пакете OpenFOAM имеется возможность распараллеливания вычисления для расчёта трудоёмких задач, одна из лабораторных работ посвящена вопросу подготовки, запуска и тестирования работы OpenFOAM в параллельном режиме. Для этих целей на имеющимся в распоряжении Высшей школы кластере под управлением ОС CentOS выделена виртуальная машина для студентов, позволяющая проводить расчёты в параллельном режиме.

Ознакомиться со списком лабораторных работ и структурой курса, проведённого в 2021-2022 уч.году, можно по ссылке.

Примечания и ссылки

↑ Weller H.G., Tabor G., Jasak H., Fureby C. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques // Computer in Fluids, 1998, V.12, N.6, P.620-631.

[OF1998-1] Weller H.G., Tabor G., Jasak H., Fureby C. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques // Computer in Fluids, 1998, V.12, N.6, P.620-631.

[1]