Charakterystyka wykorzystanych narzędzi informatycznych

informatycznych

W przeprowadzonych symulacjach wykorzystano oprogramowanie Autodesk

Inventor 2011 firmy AUTODESK, Comsol Multiphysics w wersji 4.09 i MATLAB R2012a.

Środowisko Autodesk Inventor 2011 zostało zastosowane w celu utworzenia modeli trójwymiarowych rozpatrywanego kondensatora elektroenergetycznego (rys. 6.5-8). Natomiast oprogramowanie Comsol Multiphysics wykorzystano w celu przeprowadzenia symulacji numerycznych w przestrzeni 3D wykorzystując do tego celu przygotowane modele.

Środowisko MATLAB, będąc rozbudowanym narzędziem naukowo-badawczym

implementującym możliwości programowania skryptowego, posłużyło do przygotowania dwóch autorskich aplikacji. Pierwsza umożliwia estymację parametrów modelu matematycznego opisującego sygnał EA generowany przez WNZ na podstawie wzorca uzyskanego podczas badań laboratoryjnych. Druga aplikacja, przygotowana na potrzeby rozprawy, posłużyła do przeprowadzenia analiz czasowych, częstotliwościowych, czasowo-częstotliowościowych i korelacyjnych zarejestrowanych sygnałów EA w warunkach laboratoryjnych oraz uzyskanych na podstawie przeprowadzonych symulacji.

Oprogramowanie Autodesk Inventor 2011 jest bardzo rozbudowanym i złożonym narzędziem projektowo-obliczeniowym wykorzystywanym w aplikacjach inżynierskich. Posiada szereg możliwości, na podstawie których projektant może uzyskać szereg wtórnych

informacji o konstruowanym modelu, które są istotne z punktu widzenia projektu, a następnie odtworzeniu go w rzeczywistości. Utworzone modele trójwymiarowe mogą zostać poddane analizom obciążeń mechanicznych (tzw. analizy naprężeń czy symulacje dynamiczne), jak również istnieje możliwość wizualizacji tych procesów w wirtualnej rzeczywistości. Przedstawione na rys. 6.1 okno aplikacji Autodesk Inventor zawiera widok przygotowanego na potrzeby rozprawy jednego z czterech modeli fragmentu kondensatora elektroenergetycznego.

Rys. 6.1 Obraz fragmentu modelowanego kondensatora elektroenergetycznego w oknie programu Autodesk Inventor 2011, opracowanie własne.

Opracowane poszczególne modele kondensatora elektroenergetycznego, przedstawione na rys. 6.5-8, za pomocą narzędzia LiveLink for Inventor, wchodzącego w skład pakietu Comsol Multiphysics, zostały zaimportowane do tego środowiska (rys. 6.2). Dla potrzeb przeprowadzenia symulacji numerycznych zdefiniowano parametry symulacji a model fizyczny uzupełniono w środowisku Comsol Multiphysics, poprzez określenie szeregu parametrów i własności, z których najistotniejsze to:

 wybór rodzaju analizy (Transient Pressure Acoustic - actd),

 własności fizyczne materiałów modelu, zdefiniowano konkretny rodzaj i jego parametry,

 zdefiniowanie parametrów siatki dyskretyzacyjnej, której własności zostały uzależnione od częstotliwości źródła sygnału (Mesh, Free Tetrahedral), szczegółowe informacje dotyczące własności siatki dysktretyzacyjnej zamieszono w tab. 6.2,  uzupełniono model o źródło sygnału EA o parametrach opisanych w rozdz. 6.3,

 na granicach obszarów tworzących model zdefiniowano warunki Robina, tzn. określono wartości impedancji falowych, które opisano w rozdz. 6.4-7.

Rys. 6.2 Obraz modelowanego fragmentu kondensatora elektroenergetycznego w oknie programu Comsol Multiphysics, opracowanie własne.

Podczas obliczeń wykorzystano technologię umożliwiającą zrównoleglenie prowadzonych symulacji. Do tego celu użyto rozwiązania Windows HPC Server 2008 R2 ze zintegrowaną technologią HPC (ang. High Performance Computing) oraz Service Pack 2 dla

Windows HPC Server 2008 R2. Strukturę skonstruowanej sieci przedstawiono na rys. 6.3.

W skład klastra wchodziły cztery stanowiska, z których jako węzeł główny (ang. Head Node) zastosowano jednostkę z 6-cio rdzeniowym procesorem i 12 GB pamięci RAM. W węźle zainstalowano wspomniane środowisko zarządzania klastrem obliczeniowym. Pozostałe węzły pracowały w systemie operacyjnym Windows 7 w wersji profesjonalnej, co jest elementem obligatoryjnym do pracy w klastrze. We wspomnianej konfiguracji klastra nie mogą pracować jednostki z systemem starszym i innym niż Windows 7 Professional.

Rys. 6.3 Struktura klastra obliczeniowego opracowanego dla potrzeb wykonywanych obliczeń, opracowanie własne.

Autor przeprowadził konfigurację klastra, którego struktura logiczna została zaprezentowana na rys. 6.3. Po skonfigurowaniu klastra możliwa była praca środowiska

COMSOL Multiphysics w trybie zrównoleglenia procesu obliczeniowego. Do tego celu

w środowisku COMSOL Multiphysics zaimplementowano funkcję Cluster Computing. Sposób konfiguracji tego narzędzia został opisany w publikacjach [222, 223].

Ważnym elementem przeprowadzonych obliczeń była konieczność przeniesienia danych między środowiskami komputerowymi. Do eksportu danych stanowiących wyniki przeprowadzonych symulacji w środowisku COMSOL Multiphysics do autorskiego programu wykonanego w środowisku MATLAB, opisanego w rozdz. 6.3 (rys. 6.13), wykorzystano narzędzie Data. W węźle drzewa symulacji numerycznych COMSOL Multiphysics znajduje się funkcja Results->Repor->Data, która służy do wyeksportowania pliku z danymi wynikowymi obliczeń (rys. 6.4). Siatka dyskretyzacyjna modelu składa się z kilkudziesięciu lub kilkuset tysięcy elementów (rozdz. 6.2). W wyniku symulacji numerycznych uzyskuje się rozwiązania dla każdego elementu siatki dyskretyzacyjnej. Dziedziną dla rozwiązania jest czas określony zgodnie ze stałym interwałem określanym podczas parametryzacji modelu. Rozwiązanie dla jednego elementu siatki jest wielowymiarowym wektorem, którego poszczególne składowe są wartościami dla kolejnych iteracji czasu. W wyniku eksportu danych do zbioru wynikowego otrzymuje się plik, którego wielkość przekracza pojemność

kilkudziesięciu GB. Ilość danych wynikowych zależna jest od parametrów konfiguracyjnych symulacji.

Rys. 6.4 Widok okna środowiska COMSOL Multiphysics przedstawiający eksport danych wynikowych symulacji do plików importowanych do środowiska MATLAB, opracowanie

własne.

Autor wykorzystał środowisko MATLAB w celu opracowania autorskiej aplikacji, która umożliwiła estymację parametrów równania matematycznego sygnału EA (rozdz. 6.3, wzór 6.3) tworząc nową zależność (rozdz. 6.3, rys. 6.13, część F), którą implementowano w środowisku COMSOL Multiphysics (rozdz. 6.3, rys. 6.10). Podczas symulacji numerycznych opracowane równanie wykorzystano do generacji sygnału akustycznego (źródła sygnału EA), które implementowano w przestrzennym modelu kondensatora elektroenergetycznego. Wyznaczoną zależność opisującą sygnał EA, uzupełniono estymowanymi wartościami, zgodnie z parametrami wzorca sygnału uzyskanego na podstawie badań laboratoryjnych (rozdz. 6.3, rys. 6.14-16). Opracowany sygnał EA emitowany był z określonego punktu znajdującego się w przestrzeni modelu 3D, w którym zlokalizowano jego źródło. Ponadto narzędzia MATLAB’a zostały wykorzystane do przygotowania kolejnej autorskiej aplikacji umożliwiającej przeprowadzenie analiz czasowych, częstotliwościowych i czasowo-częstotliwościowych oraz korelacyjnych wyników symulacji numerycznych uzyskanych z środowiska COMSOL Multiphysics i badań przeprowadzonych w laboratorium. Pliki wynikowe ze środowiska COMSOL Multiphysics zostały zaimportowane w postaci

Wykorzystano do tego celu procedury oprogramowania przygotowanego przez autora. Proces ten przebiegał w sposób zautomatyzowany. Wyniki przeprowadzonych symulacji modelujących falę EA generowanej przez WNZ i analiz korelacyjnych zostały zamieszczone w załącznikach do niniejszej dysertacji, na płycie DVD oraz w formie animacji na ogólnodostępnym portalu internetowym [224].