معرفی نرم افزار Ansys Fluent

در اوایل دهه هشتاد میلادی، زمانیکه دینامیک سیالات محاسباتی عمدتاً از مباحث آکادمیک بشمار می‌رفت، یک پروژه ابتدایی توسط کمپانی کریر نیوهامشیر تعریف گردید. هدف از این پروژه طراحی و توسعه یک نرم‌افزار CFD برای مهندسان بود. نسخه ابتدایی نرم‌افزار Fluent که در سال 1983 عرضه شد از نتایج انجام این پروژه بشمار می‌رفت. با توجه به این موفقیت، تجارت نرم‌افزارهای CFD رشد چشمگیری پیدا کرد. بطوریکه در سال 1988 گروه فلوئنت از کمپانی کریر جدا شده و به یک کمپانی مستقل تبدیل گشت. در زمان نه چندان زیاد کمپانی فلوئنت تا اروپا و ژاپن نیز توسعه یافته و با کمپانیهای مختلف همکاری داشت. این همکاری به چندین دهه ادامه پیدا کرده و کمتر از ده سال کمپانی فلوئنت بعنوان بزرگترین کمپانی و معروفترین کمپانی در زمینه تولید و توسعه نرم‌افزارهای CFD در زمان خود شناخته شد (جدول زیر).

نرم‌افزار فلوئنت به یک نرم‌افزار مناسب برای شبیه‌سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه‌های پیچیده تبدیل شد. استفاده از انواع شبکه‌های با سازمان و بی‌سازمان در نرم‌افزار فلوئنت، امکان پذیر بود که در زمان خود امری فوق العاده بود. انواع دامنه‌های محاسباتی با المانهای مثلثی و مربعی برای حالتهای دو بعدی و همچنین المانهای،چهار وجهی، مکعبی، هرمی، گوه‌ای و چندگانه، در این نرم‌افزار قابل شبیه‌سازی بود. علاوه براین استفاده از شبکه‌های چندگانه برای ریز و درشت کردن شبکه‌ها بر اساس شدت گرادینهای جریان و همچنین بکارگیری از شبکه‌های تطبیقی به این نرم‌افزار توانائیهای بسیاری در شبیه‌سازی سریعتر و دقیقتر میدان جریان، بخشیده است.

این نرم‌افزار با استفاده از زبان قدرتمند C نوشته شده و از محیط بسیار دوستانه و قابلیتهای زیادی در زمینه نمایش اطلاعات برخوردار است. استفاده از ساختار اطلاعاتی مناسب، بهره‌گیری مناسب از حافظه سخت‌افزار، و همچنین کنترل بهینه در استفاده از الگوریتمهای مناسب حل، از دیگر خصوصیات بارز این نرم‌افزار بشمار می‌رود.

بطور کلی نرم‌افزارهای، حلگر فلوئنت، PrePDF (یک نرم‌افزار پیش پردازنده برای شبیه‌سازی احتراق)، GAMBIT (نرم‌افزار پیش پردازنده برای مدلسازی هندسی و شبکه‌بندی) و ‏TGrid (یک پیش پردازنده دیگر برای تولید شبکه‌های سه‌بعدی) جزء محصولات کمپانی Fluent بود. علاوه بر این از نرم‌افزارهای مدلسازی جزء خانواده CAD/CAE نیز در این محصولات استفاده شده و می‌شود.

علاوه بر توسعه نسخه‌های متعدد نرم‌افزار فلوئنت، کمپانی فلوئنت در سالهای 1996 و 1997 به ترتیب با خرید نرم‌افزارهای FIDAP و POLYFLOW آن‌ها را نیز تحت امتیاز خود به بازار عرضه کرد. از محصولات این کمپانی در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی استفاده می‌شد. تنها در ساختمان مرکزی این کمپانی بالغ بر ششصد نفر کارشناس خبره در زمینه‌های تئوریهای دینامیک سیالات، CFD، روشهای محاسباتی، تولید شبکه و توسعه نرم‌افزار مشغول بکار بودند. همچنین بزرگترین کمپانیهای هواپیماسازی، خودروسازی، شیمیایی، فرآیند مواد، تولید نیرو، بیوپزشکی، HVAC و الکترونیک از مشتریان اصلی محصولات کمپانی فلوئنت بشمار می‌رفتند.

اما در سال 2006 اتفاق جالبی افتاد که بسیاری از طرفداران این نرم افزار حتی فکرش را هم نمی‌کردند. در این سال که سال‌های اوج کاری Fluent بود، کمپانی Ansys Inc که پیشتر نرم‌ افزار CFX را نیز خریده بود با خرید شرکت Fluent صاحب آن شد و بنابراین امتیاز تمامی نرم افزارها از جمله Fluent نیز طبیعتا به آن اختصاص یافت و از آن پس نرم افزار Fluent با عنوان Ansys Fluent مطرح شده است.

قابلیت‌های نرم افزار Ansys Fluent18.1

نرم افزار Ansys Fluent برای حل تمامی جریان‌های تراکم ناپذیر و تراکم‌پذیر بطور ایده‌آل مناسب است. همچنین توانایی حل مسئله در بصورت پردازش موازی این امکان را به ما می‌دهد که مسائل همراه با حجم شبکه بسیار بالا را نیز به راحتی حل کنیم. مهمترین قابلیت‌های نرم افزار Fluent 18.1 عبارتند از:

– حل میدان جریان بصورت پردازش موازی روی پردازشگرها یا GPU یک رایانه و یا با استفاده از سخت افزارهای متعدد (چندین رایانه)

– حل میدان جریان‌های دوبعدی، دو بعدی متقارن محوری (2D axisymmetric)، دو بعدی متقارن محوری چرخشی (2D axisymmetric with swirl) و سه بعدی.

– حل میدان جریان در دامنه‌های محاسباتی شامل المان‌های مثلثی، مربعی، شش ضلعی، چهار وجهی، هرمی، گوه‌ای، چند وجهی و همچنین ترکیبی از المان‌های مختلف.

– حل میدان جریان‌های پایا و ناپایا (Steady-state or transient flows)

– حل میدان جریان‌های تراکم ناپذیر و تراکم پذیر در تمامی رژیمهای سرعتی زیر صوتی، گذر صوتی، مافوق صوت و ماوراء صوت (low subsonic, transonic, supersonic, and hypersonic)

– حل میدان جریان‌های غیر لزج، آرام و آشفته (Inviscid, laminar, and turbulent flows)

– حل میدان جریان نیوتنی و غیر نیوتنی (Newtonian or non-Newtonian flows)

– حل میدان جریان‌های گازهای ایده‌آل و حقیقی (Ideal or real gases)

– حل میدان جریان‌های همراه با انتقال حرارت هدایت، جابجایی (آزاد، اجباری و ترکیبی)، انتقال حرارت همزمان بین سازه و سیال، انتقال حرارت تابشی و انتقال حرارت ترکیبی هدایت، جابجایی و تابشی

– حل میدان جریان همراه با ترکسب گونه‌های شیمیایی، واکنشی شامل مدل‌های احتراق همگن (homogeneous) و غیر همگن (heterogeneous) و همچنین مدلهای رسوب/واکنش سطحی (surface deposition/reaction).

– حل میدان جریان سطح آزاد و جریان‌های چندفازی شامل گاز مایع، گاز جامد، جامد-مایع و همچنین گاز-جامد-مایع.

– حل میدان جریان همراه با فاز گسسته از طریق محاسبات مسیر لاگرانژی مولفه فاز گسسته (ذره، قطره و حباب) کوپل شده با باز پیوسته و مدلسازی اسپری.

– حل میدان جریان همراه با کاویتاسیون.

– حل میدان جریان‌های همراه با تغییر فاز ذوب/انجماد (Melting/solidification).

– حل میدان جریان در نواحی متخلخل با نفوذ‌ پذیری غیر ایزوتروپیک، مقاومت اینرسیایی، انتقال حرارت هدایتی در بخش جامد ناحیه متخلخل و همچنین اعمال شرط مرزی پرش فشار سطح متخلخل بجای مدلسازی نواحی متخلخل نازک.

– بهره گیری از مدلهای لامپد-پارامتر برای شبیه‌سازی مرزهای فن‌ها، پمپ‌ها، رادیاتورها و مبدل‌های حرارتی.

– پیش‌بینی نویزهای ناشی از حرکت جریان سیال با استفاده از مدل‌های آکوستیک.

– حل میدان جریان‌های ایستگاهی (stationary) و غیر ایستگاهی (rotating or accelerating)

– حل میدان جریان‌ در تمامی انواع توربوماشین‌ها با استفاده از قابلیت‌های قالب‌های مرجع چند ماهه(multiple reference frame (MRF، شبکه لغزان (sliding mesh) و شرایط مرزی Mixing Plane و Interface

– حل میدان جریان برای مرزهای جابجا شونده (moving) و تغییر شکل یابنده (deforming) با استفاده از مدل‌ شبکه دینامیکی (Dynamic mesh).

– اعمال ترم‌های چشمه جرم، ممنتم، گرما و گونه‌های شیمیایی در هر نقطه دلخواه از دامنه محاسباتی.

بهره گیری از توابع تعریفی توسط کاربر (User-Defined Function) برای افزایش انعطاف پذیری و قابلیت‌های اضافی در تعریف شرایط مرزی، خواص سیالات، دستورات اجرایی و …

– بازبینی یا بهینه سازی حل با استفاده بهینه ساز adjoint solver یا mesh morpher.

– کوپل شدن با سازه در محیط Ansys Workbench برای شبیه سازی مسائل همراه با اندرکنش سازه و سیال

– شبیه سازی مسائل خاص از با استفاده از ماژول‌های افزونه‌ی زیر به نرم افزار از جمله

Battery module

Continuous fiber module

Macroscopic particle model (MPM) module

Fuel cell modules

Magnetohydrodynamics (MHD) module

Population balance module

محدودیت‌های Ansys Fluent 18.1

مثل تمامی نرم افزارهای محاسباتی نرم افزار Fluent نیز محدودیت‌هایی دارد این محدودیت‌ها شامل بخش‌های نظیر Import/Expoert، مدیریت فایل، پردازش موازی، درایورها و پلتفرمهای پشتیبانی کننده، ریموت کنترل و غیره می‌باشد. براساس تجربه خیلی از این محدودیت‌ها از جمله محدودیت‌های فوق خیلی در داخل کشور محلی از اعراب ندارند اما درصورت نیاز به اطلاعات بیشتر می‌توانید با ما ارتباط برقرار کنید. بطور کلی مهمترین محدودیت‌هایی که ممکن است با آن‌ها برخورد کنید عبارتند از:

1- محدودیت‌های شبکه

– گسترش (Extrusion) ناحیه مرزی برای مرزهایی که دارای نودهای محاسباتی معلق (Hanging Nodes) می‌باشند مقدور نیست.

– حل مسائلی که شامل اندرکنش سازه و سیال (FSI) می‌باشند بصورت دو بعدی امکان‌پذیر نیست.

2- مدل‌ها

– مدل انتقال حرارت تابشی (surface-to-surface(S2S همراه با شبکه‌های متحرک/تغییر شکل یابنده (Defotming/Moving Mesh) قابل استفاده نیست.

– مدل انتقال حرارت هدایت پوسته روی دیواره‌های متحرک (Moving Walls) کاربردی ندارد.

– مدل مبدل حرارتی با تطبیق شبکه سازگار نیست.

– کوپلینگ Fluent/ANSYS Reaction Design KINetics روی پلتفرم win64 قابل دسترس نیست.

-کوپلینگ مدل انتقال حرارت تابشی DO-Energy تنها برای ضخامت‌های نوری زیاد (بیشتر از 10) توصیه می‌گردد.

– Full Multi Grid (FMG) initialization برای مدل انتقال حرارت هدایت پوسته قابل دسترس نیست.

– Full Multi Grid (FMG) initialization با حل جریان‌ ناپایا سازگار نیست.

– ماژول (Magnetohydrodynamics (MHD با مدل‌های جریان‌های چندفازی اویلرین (Eulerian) سازگار نیست.

– توابع دیواره تعریف شده توسط کاربر (User-defined wall functions) با مدل‌های جریان‌های چندفازی اویلرین (Eulerian) سازگار نیست.

– گسسته سازی مرتبه دوم محدود شده (Bounded 2nd order discretization) زمانی با شبکه‌های متحرک و تغییر شکل یابنده سازگار نیست.

– هنگام شبیه‌سازی نواحی متخلخل مدل حرارتی غیر تعادلی (non-equilibrium) توسط مدل‌های تشعشعی و یا چند فازی پشتیبانی نمی‌شود.

– هنگام شبیه‌سازی نواحی متخلخل در زمانیکه مدل حرارتی غیر تعادلی (non-equilibrium) فعال شده باشد لازمست مقدار تخلخل (Porosity) بین 0 و 1 باشد نه یکی از آن‌ها.

3- پردازش موازی (برای چند نود سخت افزاری)

– مدل انتقال حرارت تابشی DTRM در پردازش موازی غیر قابل استفاده است.

– اکسپورت فایل به سایر نرم افزارها به جز EnSight, FIELDVIEW و TecPlot انجام پذیر نیست.

4- حلگر

– هنگام استفاده از حلگر چگالی مبنا (density-based solvers) مدل‌های زیر قابل استفاده نیستند:

Volume-of-fluid (VOF) model

Multiphase mixture model

Eulerian multiphase model

Non-premixed combustion model

Premixed combustion model

Partially premixed combustion model

Composition PDF transport model

Soot model

Rosseland radiation model

Melting/solidification model

Enhanced Coherent Flamelet model

Inert model: transport of inert species (EGR in IC engines)

Dense discrete phase model

Shell conduction model

Floating operating pressure

Spark ignition and auto-ignition models

Physical velocity formulation for porous media

(Selective multigrid (SAMG

5- سایر

– نواحی سیال که به عنوان فن 3 بعدی (3D FAN) تعیین شده اند نمی‌توانند از اینترفیس‌های غیر همگن (Non-Conformal) استفاده کنند.

– کوپلینگ بین نرم افزار Fluent با HFSS و Q3D در محیط Ansys Workbench امکان‌پذیر نیست.

همانطور که گفته شد موارد بسیار دیگری از محدودیت‌های نرم افزار Fluent وجود دارد که خوشبختانه احتمال برخورد با آن‌ها بسیار ضعیف است با اینحال درصورت تمایل می‌توانید با ما تماس بگیرید.