A Next Limit Technologies egy 1997 óta tevékenykedő, madridi központú szoftverfejlesztő cég, amely nemzetközi elismertségét az 1998-ban megjelent RealFlow folyadékdinamikai szoftvermegoldással alapozta meg. Sikereit és elismertségét először a látványiparban érte el: 2003-ban a Gyűrűk Ura látványos jeleneteinek megalkotásához a RealFlow-t használták. A Next Limit két alapítója a RealFlow és a 2004-ben megjelent Maxwell Render szoftver fejlesztéséért 2006-ban az Európai Bizottság dupla IST-díjában részesült, amelyet a leginnovatívabb IT-termékeknek és szolgáltatásoknak ítélnek oda évenként. A 2008-as technikai Oscar-díj után 2009-ben a spanyol Filmakadémia díját is megkapták. A mérnöki szimuláció területére 2011-ben léptek be az XFlow első változatának megjelenésével, amelyet azóta folyamatosan fejlesztenek, belső számozás szerint jelenleg a 96-os változatnál tartanak.

A háló nélküli technológia

Az XFlow különlegessége, hogy a jelenleg elterjedt áramlástani szoftverekkel szemben nem hálóalapú technológiára épül. A végestérfogat-, illetve végeselem-módszerek helyett a Lagrange-féle leíráson és az utóbbi időben nagy fejlődésen keresztül ment részecskealapú rács-Boltzmann módszeren alapszik. A program legfőbb előnyei a klasszikus CFD- (Computational Fluid Dynamics) szoftverekkel szemben ezen új módszerek alkalmazásának köszönhetők.

Egy áramlástani feladat klasszikus CFD-programmal történő megoldásakor az első lépés az áramlási tér véges számú elemre bontása, azaz hálózása. A folyamat a geometria egyszerűsítésével kezdődik, majd magával a hálózással folytatódik. A megfelelő háló elkészítése jelentős szakértelmet és időráfordítást igénylő feladat, akár napokig tartó munka, az eredmények pontossága pedig érzékeny a háló minőségére és sűrűségére. Ha a szimulációban mozgó alkatrészt is szerepel, akkor mozgó háló létrehozása vagy újrahálózás szükséges, ami tovább bonyolítja a feladatot.

Mivel az XFlow nem hálóalapú, használata során nincs szükség hálózásra. Nem kell továbbá a bonyolult geometriákat egyszerűsítenünk, mert a program által alkalmazott módszer ezekre nem érzékeny. A részecskék sűrűsége egy mozdulattal beállítható, a falak, illetve örvények mentén automatikus adaptív sűrítésre is lehetőség van. Egy-egy modell felépítése nagyon rövid időt, gyakran csak perceket vesz igénybe. Az XFlow jól kezeli továbbá a mozgó testeket. Vizsgálhatjuk adott függvénnyel vezérelt mozgású szerkezetek, összeállítások áramlási viszonyokat befolyásoló hatását, vagy éppen az általuk keltett áramlások jellemzőit, de arra is van lehetőség, hogy szélturbinák, hullámerőművek viselkedését vizsgáljuk, ahol a mozgások az áramló közeg hatására alakulnak ki.

A világ legelterjedtebb kinematikai szoftvermegoldásával, az MSC Sofware által fejlesztett Adamsszel való szoros együttműködés eredményeképpen komplett mechanizmusok emelhetők be az XFlow-ba, így összetett mozgó szerkezetek, összeállítások körüli áramlások is vizsgálhatók a kinematikai viszonyok figyelembevételével.

Az MSC másik piacvezető szimulációs szoftvere, az MSC Nastran SOL 400 nemlineáris megoldószekvekvenciájával való kapcsolat egy újabb különleges képességgel ruházza fel az XFlow-t: kapcsolt áramlástani-mechanikai vizsgálatok végezhetők, amelynek során az áramlási térbe helyezett szerkezetek rugalmas alakváltozása és az áramlási viszonyok alakulása kölcsönösen hat egymásra. A CFD-rendszerek ezen, angol terminológia szerinti FSI- (Fluid-Structure Interaction) képességeinek egyik szemléletes esete az úgynevezett Turek & Hron-vizsgálat, amelyet a szimulációs rendszerek validálására is használnak.

Sokoldalú lehetőségek

Áramló közegként gáz és folyadék halmazállapotú anyagokat definiálhatunk, beállíthatunk newtoni, illetve nemnewtoni anyagjellemzőket. Az XFlow robusztus megoldója lehetővé teszi két- vagy akár háromfázisú rendszerek áramlástani és hőtani vizsgálatát. Modellezhetjük részecskék mozgását, amelyek lehetnek passzívak, mint például egy csatornába kerülő festék, amely az áramlási viszonyokat nem befolyásolja, ám a terjedését nyomon követhetjük, de lehetnek az áramlást aktívan befolyásoló, fizikai jellemzőkkel bíró szemcsés, törmelékes anyagok, hulladékos, iszapos közegek. Az XFlow szűrők, rácsok, filterek modellezésének hatékony eszköze, az egyszerűsített leírású, úgynevezett porózus média használatával jóval durvább rácsosztást is választhatunk, csökkentve a futásidőt.

Lehetőség nyílik szabad felületű áramlásvizsgálatra, amellyel vízbe merülő testek, műtárgyak vagy úszó objektumok körüli áramlások, testekre ható erők számolhatók. A szoftverben található egy hullámgenerátor-modul, amellyel néhány paraméter megadását követően a hullámzó tengerhez, folyómederhez hasonló feltételeket teremthetünk. Az XFlow-t számos csapat használja versenyhajója optimalizálására.

Az XFlow hatékonyan használható virtuális szélcsatornaként. Egy jármű légellenállási tényezőjének megállapításához vagy egy repülőgép szárnyprofilja körül kialakuló leválások modellezéséhez a geometria beolvasása után csupán néhány beállítás szükséges, és már indulhat is a számítás. Könnyedén megállapíthatók a hidak, épületek körüli áramlási jellemzők, de akár komplett városrészek szélterhelésviszonyai is.

Az XFlow az energetika, az elektronika és a gépgyártás számos területén hasznos segítője a mérnöktársadalomnak mindenütt, ahol hűtési, fűtési, áramlási kérdés merül fel, különös tekintettel a mozgó szerkezetekre. A legújabb fejlesztéseknek köszönhetően az XFlow – a kenőolaj áramlási viszonyainak feltárásával és optimalizálásával – az olyan gépészeti feladatok megoldásában is segítségünkre lehet, mint hajtóművek kenési problémái.

Szimuláció és kiértékelés

A klasszikus CFD-szoftverektől eltérően, ahol a megoldás pontossága a különböző turbulenciamodellek és numerikus megoldók kiválasztásán, adott paraméterek megfelelő beállításán múlhat, az XFlow-ban alkalmazott rács-Boltzmann módszernek és az általánosan használható nagyörvény-szimulációnak (Large Eddy Simulation, LES) köszönhetően lényegesen leegyszerűsödik az áramlástani feladatok megoldása.

A megoldó időalapú, a megoldás minden esetben tranziens. Az időlépéseket vagy mi határozzuk meg, vagy a választást a programra bízzuk. Az állandósult állapot gyorsabb elérését segíthetjük a kezdeti feltételek megfelelő megadásával, illetve automatikus, adaptív időlépések választásával.

A szoftver a modern kor igényeinek megfelelően mind az elő- és utófeldolgozás, mind a megoldás során jól használja a többmagos processzorokat. A megoldó a használt magok függvényében szinte lineárisan skálázódik, támogatja a HPC- (High Performance Computing) architektúrákat, a Windows- és Linux-klasztereket egyaránt.

Az XFlow Process Manager szolgáltatásával nyomon követhetjük az aktuálisan futó számítást, szükség esetén leállíthatjuk azt. A Process Manager az előző folyamat befejeztével – az elérhető processzormagok ellenőrzése után – automatikusan indítja a következő sorban álló számítást.

Az eredményekhez már a szimuláció futása közben hozzáférünk, ezzel lehetőséget kapunk a részeredmények kiértékelésére, esetleges gyors beavatkozásra. Az XFlow az utolsó lépésről automatikusan olyan rendszerfáljt készít, amellyel az újraindítás egy gombnyomással lehetséges.

A számítás befejeztével a vizsgált folyamat minden időpillanatáról, a modell minden részéről az összes számított mennyiség rendelkezésre áll. Az adatsokaságból az utófeldolgozás során nyerjük ki az eredményeket. A teljesség igénye nélkül olyan eszközök léteznek ehhez, mint a 2D-s és 3D-s mezők, a vágósíkok, a tetszőleges elhelyezhető jelölőpontok, a szenzorok, az áramlási nyomvonalak, az izofelületek, a testekre ható erők, illetve nyomatékok, a testekre és a felületekre integrált mennyiségek. Ezek segítségével nemcsak numerikusan értékelhetjük a kapott eredményeket, hanem igen látványos képeket, animációkat készíthetünk, ami – a Next Limit bevezetőben említett, a megjelenítés terén elért sikereit tekintve – egyáltalán nem meglepő.