Программные продукты и системы

Последние десять лет ознаменовались быстрым ростом числа разработок прикладных программных средств для поддержки научных исследований в механике сплошных сред. В частности, на основе сформированной в это время новой научной дисциплины — вычислительной гидродинамики, созданы специализированные пакеты для решения задач аэродинамики, моделирования процессов в химической технологии и энергетике (например комплексы PATRAN Plus, NEKTON, FLOW 3D, PHOENICS [1,2]).

Алгоритмы и программы решения систем нелинейных уравнений в частных производных Навье-Стокса, Рейнольлса, уравнений переноса тепла и массы, радиационного переноса обобщены и систематизированы в библиотеках и системных модулях — солверах. Современные вычислительные системы характеризуются универсализмом и возможностью обмена исходными данными и результатами на ЭВМ различных классов и мощности - от ПЭВМ IBM PC до Cray-систем.

Для подготовки данных перед вычислениями и представления результатов моделирования в графической форме все современные вычислительные системы оснащены графическими препроцессорами и постпроцессорами. Графическая обработка при анализе полученных в результате решения данных, требует определенной изобретательности и умелого манипулирования стилями графического представления данных в целях наглядности и систематизации результатов. Работа эта достаточно трудоемкая, особенно при анализе численного решения нестационарных задач в двух- и трехмерном представлении.

В настоящей статье дается описание двух

графических систем, разработанных авторами для поддержки научных исследований при моделировании энерготехнологического оборудования. Первая программа VVG - Vortex Visual Graphics создана как альтернативная графическому постпроцессору PHOTON, входящему в вычислительную систему PHOENICS. Вторая, более мощная программа называется LEONARDO. В этой графической системе реализована концепция многооконного интерфейса для обработки большого объема разнородных данных.

Обе графические интерактивные системы (ГРИС) разработаны для ПЭВМ IBM PC. VVG функционирует в MS DOS и является компактной программой для графической обработки данных, их число и размерность определяются свободной базовой памятью компьютера. LEONARDO работает в среде Windows 3.0(1). Объем обрабатываемой в LEONARDO информации лимитируется только объемом общей памяти ПЭВМ, и может быть на порядок выше, чем в VVG. Получаемые в графических системах изображения - растровые.

Обработка информации в ГРИС ведется в зависимости от стиля графической обработки в отдельных, предварительно создаваемых окнах с конкретным набором функций. Это определило внутреннюю структуру программ при их написании. Система VVG реализована на языке Си с использованием компилятора TopSpeed С. Для написания ГРИС LEONARDO использовался язык Си++ и компилятор Borland C++. В этой системе, работающей в среде Windows 3.0(1), использован метод объектно-ориентированного программирования. В основу программы положена иерархия основных классов, показанных на рисунке 1.

Базовый класс Window поддерживает многооконные возможности системы: переход из окна в окно, сохранение и восстановление окон, изменение их размеров, удаление и т.п. Класс Picture добавляет к классу Window функции сохранения, загрузки и редактирования растровых изображений. Промежуточный класс View содержит тип проекций и все функции для работы с трехмерным изображением. Класс D3 позволяет выделить в трехмерном пространстве, задаваемом View, двухмерные сечения по основным осям. Здесь же можно выбрать рабочее поле и опции стиля графического представления для выполнения рисунка в окне типа D3. Класс Graph предназначен для формирования аксессуаров и построения графиков функции одного переменного, используемых, в частности, для анализа изменения функций двух или трех переменных в одном из главных направлений. Для представления функций двух переменных в графической форме поверхностей используется класс Surface. Трудная для "ручной" обработки функция построения изоповерхностей с раскраской входит в класс Isosurface. Класс Shape содержит функции для анализа трехмерных областей и представления их форм в проекции, задаваемой классом View.

Комбинационность функций, задаваемых в вышеперечисленных классах определяет богатые иллюстративные возможности ГРИС.

Для начала обработки данных пользователю требуется своими средствами создать текс товой файл данных с достаточно простой струк турой, содержащий информацию о расчетной сетке и геометрии расчетной области, заголов ки массивов зависимых величин и сами масси вы данных. Этот файл с результатами генери руется специальной процедурой в программе- солвере пользователя. Объем такого текстового  файла  при  решении пространственных задач может быть значительным. С помощью специальной утилиты он может быть преобразован в бинарный, меньший по объему. И в VVG, и в LEONARDO есть возможность обрабатывать PHI-файлы данных, генерируемые в системе PHOENICS.

Обе предлагаемые системы обрабатывают структурированные данные, получаемые при численном решении задач механики сплошных сред разностными методами. Если исследователь при математическом моделировании использует метод конечных элементов, то ему необходимо позаботиться о представлении своих результатов в некоторой упорядоченной по пространству сетке.

Значительная часть задач в механике сплошных сред решается в декартовой или цилиндрической (полярной) системах координат. Эти системы координат приняты как основные в VVG. В LEONARDO данные могут быть заданы в любой пользовательской системе координат, в частности, они могут определяться границами расчетной области (body fitted coordinate system - BFC). Это значительно расширяет область использования постпроцессора при анализе решения задач внешнего обтекания и при моделировании внутренних течений в областях со сложной геометрией.

После генерации файла данных можно переходить к графической обработке, которая начинается с выбора и открытия файла данных. При чтении этой информации проверяется порядок записей и структур данных с выдачей предупреждения при ошибках. В основу обоих пакетов положен принцип предоставления наибольшей степени свободы пользователю в композиционном решении рисунков, что достигается через различное расположение рисункоа и их фрагментов на экране или рабочем поле будущей иллюстрации в сочетании с различными способами и стилями графического представления обрабатываемых массивов. Композиция и стили оформления рисунка определяются функциями и опциями, выбираемыми из развернутой системы меню и дополнительно поддерживаются в диалоговых окнах, в которых уточняются детали построений. Вид основных меню в системе LEONARDO показан на рисунке 2.

Система меню и диалоговых окон позволяет выполнить следующие основные операции и графические построения:

— обслуживание иерархической системы ввода-вывода; 

-    выбор анализируемого массива;

-    выбор вида на объект и тип проекции;

-    масштабирование и изменение диапазона значений функции;

-    масштабирование и выделение интерес ных для анализа зон;

-    построение осей и выделение границ рас четного объема;

-    выбор сечений в трехмерном и двухмер ном пространстве;

-    изменение границ анализируемой облас ти;

-    показ расчетной сетки;

-    построение в различных режимах изоли ний с оцифровкой и без;

-    построение карт изменения массивов дан ных с закраской и и соответствующими леген дами;

-    показ в наиболее удачном масштабе по лей векторных величин;

-    просмотр данных и ввод текстовой инфор мации;

-    оцифровку осей с изменением масштаба;

-    построение ■ поверхностей и иэоповерх- ностей;

-    построение графиков функций для одно мерных сечений;

-    построение поверхностей и тоновую раскраску выделяемых трехмерных областей;

ГРИС LEONARDO позволяет автоматически изображать на экране перспективную или изометрическую проекции, а также любой вид объекта, полученный вращением вокруг основных осей. В VVG используется перспективное изображение трехмерных объектов.

Для улучшения выразительности рисунков и правки в пакете VVG предусмотрены функции графического редактирования: копирования, переноса, поворота и зеркального отображения различных фрагментов рисунков. Графический редактор позволяет строить графические примитивы и наносить на графики различные символы, что удобно при обработке и сопоставлении расчетных данных с полученными в эксперименте. В системе LEONARDO Графическое редактирование не делается в рамках программы, для этих целей предусмотрен временный переход в пакет PaintBrush, входящий в стандартную оболочку Windows, с сохранением графики а рабочем окне.

В обеих системах возможно различное цветовое решение рисунка с использованием готовых палитр или с настройкой на вкус пользователя. Качество изображения зависит от монитора, который должен быть не ниже EGA. При работе на ПЭВМ с монитором и адаптером SVGA в системе LEONARDO строятся изображения с 256 цветами.

В VVG при построениях используются линии минимальной толщины, в LEONARDO специальное меню TOOLS позволяет разнообразить изображение разнотолщинными линиями, непрерывными и штриховыми, комбинировать различные стили закраски на лицевой и изнаночной сторонах поверхностей. Опытный пользовател" может добиться большой выразительности рисунка сочетая опции меню TOOLS с различными стилями графического представления функций двух и трех переменных в виде поверхностей и эпюр.

Архивация временных эскизов и готовых рисунков в системе VVG производится в формате PCX. В LEONARDO используется стандартный для приложений Windows формат BMP. Использование этих форматов гарантирует возможную конвертацию изображений в другие форматы и связь разработанных графических постпроцессоров с обрабатывающими программами различных издательских систем.

Созданные рисунки могут объединяться сюжетом и монтироваться для видеосессий на научных конференциях, создания для этих же целей цветных слайдов высокого качества и графических вставок для экспертных систем и графических баз данных [4].

При подготовке черно-белых иллюстраций для научной статьи или отчета можно настроить системы на серую палетту с белым фоном и штриховым представлением закраски. Печать в VVG лимитирована применением только матричных принтеров. В системе LEONARDO размеры и конфигурация выводимого на печать рисунка, качество печати на матричном, лазерном или струйном принтерах определяются только возможностями ПЭВМ пользователя и сервисом используемой версии операционной среды MS Windows.

И LEONARDO, и VVG снабжены системой помощи, для подсказки основных действий при графических построениях.

Примеры иллюстраций, полученных при графической обработке в системах VVG и LEONARDO показаны на рисунках 3,4,5.

На рисунке 3 изображены изолинии и графики в виде эпюр для представления изменения кинетической энергии турбулентности, а также поверхности, отражающие изменение концентрации окислов азота в меридиональной плоскости реактора-газификатора при ларокис-лородной газификации угольной пыли. Данный рисунок является примером графической обработки в системе VVG.

Нужно отметить, что при создании законченного рисунка в системе VVG пользователь вынужденно ограничен площадью экрана монитора и должен думать о том, чтобы не перегружать деталями изображаемый объект. Эту проблему можно обойти созданием временных файлов и последующим их объединением в какой-либо другой графической системе. В LEO-

NARDO этого кет, так как используется концепция работы сразу с многими окнами различного функционального содержания. Пользователь анализирует информацию, активизируя, открывая и закрывая множество различных по содержанию окон, при этом его черновые  проработки   автоматически запоминаются.  Остановившись на определенной системе фрагментов, пользователь может объединить их в одном рисунке, задав формат, не обязательно совпадающий по размерам с экранным.

Пример обработки данных в системе LEONARDO показан на рисунке 4. Анализировались данные моделирования течения между лопатками крыльчатки осевого вентилятора. Эта задача решалась в системе PHOENICS, ее настроечные данные входят в библиотеку системы (Library Case 524) [3]. Показана расчетная сетка контрольной области, распределение давления по внешним поверхностям межлопаточного канала крыльчатки, заданного в двух различных проекциях. Задача решалась в ортогональной криволинейной системе координат, обусловленной сложной пространственной формой лопаток вентилятора. На отдельных поверхностях распределение изобар показано в виде изолиний и тонированных зон.

Вид экрана монитора при анализе проекта, состоящего из различных задач показан на рисунке 5. Этот рисунок является примером возможности графических построений для задач, решенных в различных системах координат -декартовой, цилиндрической и сферической.

В' настоящее время разработанные графические постпроцессоры используются для поддержки научных исследований в области вычислительной гидродинамики и при двух- и трехмерном моделировании энерготехнологического оборудования: сепараторов, топок котлов, реакторов-газификаторов в лабораториях математического моделирования ЭНИН им. Г.М. Кржижановского и Тверского политехнического института, СНАМ, в НПО "Энер-гомаш", в Днепропетровском институте черной металлургии к в ряде других научно-исследовательских организаций.

Помимо приложений в механике сплошных сред разработанные графические постпроцессоры могут быть использованы в геологии, медицине и в других областях науки и производства - везде, где требуется графическое представление многомерных массивов данных.

Список литературы

1. Supercomputing Rewiew. Software Directory. 8445 Camino Santa Fe, San Diego CA 92121, USA, p.206, 1991.

2.     The PHOEN1CS Family Spreads its Wings with PLANETS. PHOEN1CS News, Conentration Heat & Momentum Limited, Autumn issue, London, SW195AH, UK, p.2, 1992.

3.     Rosten H.I., Spalding D.B., The PHOBNICS Reference Manual, CHAM TR200, CHAM Ltd., London (1989).

4.     Gorbachev V.D., Saenko V.N. VVG & LEONARDO as Interactive Visualization Systems for Computer Fluid Mechanics. Proceedings of First International Symposium on Computational Wind Engineering - CWE 92. University of Tokyo., Japan. Supplement JWE, No.52, p.14, 1992.

5.     Горячев В.Д., Перщужов В.А. Днффуэнокно-миграцнонная модель сепарации мелкодис персной примеси. // Известия АН БССР, Инженерно-физический журнал. - 1992. Т. 63, JA 1, нюль. - С. 58-62.