سری آموزش نرم افزار متن باز SU2 | هوافضای جوان

سری آموزش نرم افزار متن باز SU2 برای حل مسائل بهینه سازی آیرودینامیکی

نرم افزار SU2 مجموعه ی متن باز ( Open Source ) از نرم افزار های توسعه یافته بر پایه ی ++C می باشد که برای انجام تحلیل معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی ( PDE ) و حل معادلات بهینه سازی PDE با قید فرضی می باشد. ابزار SU2 برای حل معادلات CFD و مسائل بهینه سازی آیرودینامیکی توسعه یافته است، اما می توان برای معادلات مختلفی مانند جریان پتانسیل، الاستیسیته، الکترودینامیک، جریان های با واکنش شیمیایی و غیره نیز آن را تعمیم داد.

Su2 توسط افراد و سازمان های مختلفی به صورت بین المللی در حال توسعه می باشد. در حال حاظر، فعال ترین گروه هایی که بر روی su2 مشغول به کار هستند به صورت زیر می باشد:

  • گروهی در دانشگاه استنفورد
  • گروهی در دانشگاه دلفت
  • گروهی در Kaiserslautern University of Technology
  • گروهی در Imperial College
  • گروهی در University of Basilicata
  • گروهی در Polytechnic University of Milan
  • گروهی در University of Brescia
  • گروهی در University of Strathclyde
  • گروهی در University of Twente
  • گروهی در University of Michigan
  • گروهی در Queen’s University
  • گروهی در Royal Military College of Canada
  • گروهی در The Indian Institute of Technology Gandhinagar
  • گروهی در University of Sydney
  • گروهی در Virginia Tech

برای استفاده از نرم افزار SU2 می توان از محیط سیستم عامل های مختلفی مانند Linux، Mac OS X، و Windows 10 و ۷ استفاده کرد. به طور کلی، نرم افزار SU2 به صورت دستوراتی توسط پنجره ی Command Prompt در محیط ویندوز، یا Terminal در محیط Ubuntu اجرا می شود.

محیط سیستم عامل Windows سمت چپ و Ubuntu سمت راست

 

این نرم افزار مختص حل معادلات سیالاتی و آیرودینامیکی می باشد. به طور کلی ورودی لازم برای استفاده از این نرم افزار دو فایل با فرمت *.SU2 می باشد. یکی از این فایل ها شامل اطلاعات مربوط به هندسه و محیط شبکه بندی محاسباتی مسئله ی مورد نظر است، فایل دوم حاوی تمامی اطلاعات لازم برای تعریف شرایط فیزیکی مسئله می باشد. قبل از استفاده از محیط Command Prompt برای حل مسئله، ابتدا باید این دو فایل را بسته به شرایط مسئله تولید کرد. فایل حاوی اطلاعات هندسه و شبکه بندی را می توان توسط نرم افزار های مختلفی مانند Gmesh یا نرم افزار های شناخته شده تری مانند Gambit ایجاد کرد. در ادامه و در درسنامه های آتی، به جرئیات فرایند ساخت این فایل ها می پردازیم.

پس از ایجاد فایل های ورودی، می توان توسط پنجره ی Command Prompt، دو فایل حاوی اطلاعات هندسه و مش بندی و شرایط فیزیکی مسئله را برای حل فراخوانی کرد. پس از اتمام فرایند حل به صورت تکرار شونده، نرم افزار SU2 نتایج همگرا شده را به صورت فایل با فرمت های *.plt یا *.vtk به عنوان خروجی به کاربر تحویل می دهد. می توان فایل های خروجی را توسط نرم افزار های Tecplot (فایل با فرمت *.plt) یا ParaView (فایل با فرمت *.vtk) تحلیل کرد و اطلاعات فیزیکی مورد نیاز را از نتایج حل توسط این نرم افزار ها بدست آورد. در درسنامه های آینده به جزئیات مربوط به نحوه ی کار با این نرم افزار ها برای تحلیل نتایج پرداخته خواهد شد.

به عنوان بخشی از آموزش نرم افزار SU2، چندین مثال از مسائل سیالاتی و آیرودینامیکی مختلف در درسنامه های آتی به صورت قدم به قدم ارائه شده است. این مثال ها به کاربر کمک می کند تا با ویژگی های مختلف نرم افزار SU2 به آسانی آشنا شود. کاربر می تواند فایل های مشخصات فیزیکی و شبکه بندی محاسباتی مربوط به هر مثال را از سایت GitHub به کمک “این لینک” دریافت کند. همچنین، کاربر می تواند توسط نرم افزارهای مختلف فایل هندسه و شبکه بندی محاسباتی را به صورت دلخواه ایجاد کند.

 

دانلود و نصب نرم افزار SU2

برای نصب این نرم افزار ابتدا باید به وبسایت اصلی SU2 مراجعه کرد و آخرین نسخه ی این نرم افزار را دانلود کرد. فرایند نصب این نرم افزار در محیط ویندوز را در ادامه با همدیگر بررسی خواهیم کرد. برای دانلود نرم افزار SU2 ابتدا وارد سایت (اینجا) شوید، سپس نسخه ی مرتبط با سیستم عامل نصب شده بر روی کامپیوتر خود را دانلود کرده و فایل فشرده شده را در آدرس دلخواه استخراج (Extract) کنید.

همانطور که قبل تر هم اشاره شد، نرم افزار SU2 در سیستم عامل های مختلف قابل اجرا می باشد. یک روش ساده تر برای استفاده از SU2 استفاده از نسخه های دوتایی (Binary) این نرم افزار است که بدون کمک گرفتن از Source می توان محاسبات را انجام داد. در این درسنامه می خواهیم نحوه نصب نسخه دوتایی مختص ویندوز را معرفی کنیم. نصب نسخه های دیگر این نرم افزار نیازمند اجرای فرایند مشابهی می باشد.

نسخه های دوتایی SU2، به هدف جذب کاربر های جدید و شروع سریع SU2 ایجاد شده است. معمولا نسخه ی دوتایی برای کاربرانی مناسب است که به دنبال حل مسائل CFD و آشنایی با ویژگی های کلی SU2 می باشند. برای در دسترس بودن این نسخه ها بین کاربر های مختلف، بعضی از مشخصات پیشرفته SU2، مانند حل شبیه سازی به صورت موازی (Runing Simulations in Parallel) غیر فعال شده است. به عبارتی، حل گر های دوتایی از پیش ساخته شده، Pre-Compiled، نسخه های ساده تری از ماژول های C++ نرم افزار SU2 می باشد که استفاده از آنها نیازمند نوشتن کد، Compilation، نیست. به عبارتی، برای استفاده از این نسخه کافیست فقط SU2 مربوط به سیستم عامل مربوطه را نصب کرده و وارد محیط Terminal یا Command Prompt شده، سپس به کمک درسنامه هایی که در ادامه ارائه خواهند شد نحوه ی شبیه سازی توسط SU2 را اجرا کرد.

 

نصب SU2 بر روی ویندوز

در ابتدا باید متغیر های SU2 و مسیر نرم افزار بر روی سیستم عامل بارگذاری شود. برای این کار ابتدا در قسمت سرچ منوی ویندوز کلمه ی environ را تایپ کرده و پنجره ی edit the system environment variable را مانند تصویر زیر انتخاب کنید.

فرایند بارگذاری مسیر SU2 بر روی سیستم عامل

 

سپس با باز شدن پنجره ی system properties دکمه ی Environment Variables را انتخاب کنید (مانند شکل زیر).

انتخاب Environment variables

 

سپس پنجره جدیدی به نام Environment Variables باز خواهد شد. در پایین این پنجره، قسمت System Variables بر روی Path کلیک کنید و سپس دکمه ی Edit را انتخاب کنید(اگر گزینه ی Path موجود نبود می توانید New را انتخاب کنید).

مسیر های شناخته شده برای متغیر های سیستم عامل

 

حال در پنجره ی Edit System Variables در بخش Veriable Value می توانید مسیری که نرم افزار SU2 در آن حضور دارد را وارد کنید. برای این کار در انتهای این نوار پس از قرار دادن سیمیکالون (;) آدرس نرم افزار SU2 (به عنوان مثال، مسیری که فایل های SU2_CFD.exe در آن قرار دارند) را وارد کنید و دکمه ی Ok را بزنید.

اضافه کردن مسیر SU2 به سیستم عامل

 

حال پنجره های باز شده را با انتخاب دکمه ی Ok ببندید. سپس دوباره در قسمت سرچ ویندوز کلمه ی cmd را سرچ کرده و پنجره ی Command Prompt را باز کنید.

باز کردن پنجره ی Command Prompt

 

با باز شدن پنجره Command Prompt آدرس پوشه ی SU2 را وارد کرده و سپس می توان از نرم افزار استفاده کرد. به عنوان مثال، می توان فایل SU2_CFD inv_channel.cfg را برای حل فراخوانی کرده و سپس منتظر حل آن به صورت تکرار شونده شوید.

اجرای فایل مشخصات فیزیکی SU2

 

در  ادامه، با حل مسئله، نتایج مربوط به هر تکرار در پنجره ی Command Prompt ظاهر می شود. پس از همگرایی جواب، اطلاعات فایل حاوی نتایج نهایی مانند شکل زیر ظاهر خواهد شد.

حل مسئله به کمک SU2

 

فایل حاوی نتایج در همان آدرس ذخیره خواهد شد. نتایج را می توان برای تحلیل با نرم افزار ParaView (فایل با فرمت *.vtk) یا نرم افزار TecPlot (فایل با فرمت *.dat) اجرا کرد.

 

نرم افزار های لازم برای استفاده از SU2

برای قابل دسترس بودن تمامی ویژگیهای SU2 در سیستم عامل ویندوز می توان از نرم افزار Cygwin استفاده کرد. Cygwin محیطی شبیه Linux را در ویندوز شبیه سازی می کند. با نصب Cygwin بر روی ویندوز می توان نرم افزار SU2 را در محیط Cygwin بارگذاری و استفاده کرد. برای اطلاعات بیشتر و دانلود این نرم افزار می توان از لینک (اینجا) استفاده کرد.

به تصویر در آوردن نتایج در SU2 نیازمند نرم افزار جداگانه می باشد. همانطور که توضیح داده شد، SU2 در حال حاظر فرمت های *.vtk و *.plt را به ترتیب برای استفاده در ParaView و Tecplot به صورت خروجی ارائه می دهد. نرم افزار ParaView قادر به ارائه تمامی تحلیل ها و به تصویر در آوردن داده ها، مانند کانتور های فشار، غلظت، سرعت و حتی خطوط جریان می باشد. همچنین، خروجی SU2 می تواند فایل *.CGNS، CFD General Notation System، نیز باشد. CGNS فایل استاندارد برای ذخیره سازی داده های CFD می باشد که توسط نرم افزار های مختلفی که توانایی به تصویر کشیدن نتایج CFD را دارند قابل پردازش می باشد.

کاربرانی که قصد دارند شبیه سازی را بر روی شبکه محاسباتی دلخواه خود اجرا کنند، باید از ابزار های دیگری برای ایجاد مش بندی استفاده کنند. قالب شبکه محاسباتی در SU2 به هدف ایجاد راحتی در استفاده تعبیه شده به طوری که کاربران می توانند با استفاده از ابزار های مش بندی مختلف فایل خروجی با فرمت SU2 یا CGNS را برای استفاده در نرم افزار SU2 ایجاد کنند. تعدادی از نرم افزارهای مناسب برای این کار به صورت زیر می باشد:

  • نرم افزار Pointwise
  • نرم افزار Gmesh
  • نرم افزار ICEM CFD
  • نرم افزار Gambit

قابل ذکر است که می توان مش های نرم افزارهای open Source مانند OpenFOAM را تبدیل به فرمت SU2 کرد.

شبیه سازی موازی استفاده از حافظه ی چندین کامپیوتر به طور همزمان می باشد که با هدف توزیع محاسبات بین این حافظه ها و کاهش زمان محاسبه انجام می شود. کاربرانی که قصد اجرای شبیه سازی های خود به صورت موازی یا Parallel را دارند باید استاندارد های MPI (Message Passing Interface) را اعمال کنند. برای این کار نرم افزار SU2 از مجموعه نرم افزار ParMETIS استفاده می کند.

 

منابع:

https://su2code.github.io/

http://www.cygwin.com

http://glaros.dtc.umn.edu/gkhome/metis/parmetis/overview

https://www.tecplot.com

https://www.paraview.org/

https://www.ubuntu.com/

https://github.com/su2code/su2code.github.io


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.