Ansys Freeflow to uniwersalne oprogramowanie do symulacji jednofazowych przepływów z powierzchnią swobodną. Stanowi ono uzupełnienie przepływowego portfolio Ansysa o bezsiatkowe narzędzie oparte na metodzie SPH, trafiając głównie do użytkowników zmagających się z symulacjami tego typu przepływów. W przeciwieństwie do konwencjonalnych narzędzi CFD, Freeflow traktuje płyn jako zbiór sfer, rozwiązując tym samym problem wielu inżynierów jakim jest generacja siatki numerycznej.

Wsparcie dla symulacji metodą SPH zostało wprowadzone w Ansys Rocky w wersji 2022 R1 jako funkcjonalność beta, umożliwiająca sprzęganie metod DEM i SPH. Zabieg ten miał na celu rozszerzenie możliwości symulacyjnych o zjawiska, w których klasyczna metoda DEM jest niewystarczająca. Mowa tu o takich procesach, jak transport i mieszanie zawiesin, procesy farmaceutyczne i inne. Był to jednak pierwszy krok w stronę stworzenia zupełnie nowego narzędzia dla inżynierów CFD.

Wersja 2025 R1 przyniosła nie tylko rozwój metody SPH w ekosystemie Ansys Rocky – m.in. poprzez dodanie nowego solwera dla przepływów nieściśliwych oraz modeli napięcia powierzchniowego, ale również wprowadzenie całkowicie nowego narzędzia: Ansys Freeflow. Narzędzie to niejako „podkradło” metodę SPH (oraz interfejs 😊), stając się niezależnym produktem skierowanym do wspomnianej wcześniej grupy docelowej. Od tego momentu, rozwój obu narzędzi będzie przebiegał niezależnie, a funkcjonalności Freeflow niekoniecznie znajdą się w Rocky.

Rys. 1. Symulacja brodzenia pojazdu

Dla kogo Freeflow?

Z pewnością do tablicy można wywołać użytkowników, którzy na co dzień zmagają się z obliczeniami przepływów z powierzchnią swobodną, wykorzystując inne programy – np. Fluenta i podejście VOF (Volume of Fluid). Tego typu symulacje bywają bardzo czasochłonne, a niekiedy wręcz niemożliwe do wykonania w rozsądnych ramach czasowych. Dodatkowym wyzwaniem jest konieczność przygotowania odpowiedniej siatki numerycznej, co stanowi kolejną niepodważalną przewagę metod bezsiatkowych.

Co i jak liczy Freeflow?

Tak jak wspomniano wcześniej, Freeflow wykorzystuje metodę SPH, czyli w dużym skrócie bezsiatkowe podejście do modelowania przepływów, w którym ciecz reprezentowana jest przez zbiór cząstek (sfer). Każda z nich niesie ze sobą informacje o masie, prędkości czy temperaturze. Dzięki temu możliwe jest wierne odwzorowanie ruchu powierzchni swobodnej, rozbryzgów czy zjawisk związanych z napięciem powierzchniowym bez konieczności tworzenia siatki numerycznej.

To jak liczy Freeflow najlepiej widać na wybranych symulacjach z rysunków powyżej i poniżej. Na przykładzie brodzenia pojazdu (Rysunek 1) metoda SPH dostępna we Freeflow pozwala na wierne odwzorowanie dynamicznego oddziaływania kół i nadwozia z falującą powierzchnią wody, uwzględniając złożone zjawiska rozbryzgów i cofania się cieczy. Analiza przepływu oleju w kanale tłoka (Rysunek 2) wykorzystuje dodatkowy moduł umożliwiający zmianę lepkości w zależności od temperatury płynu, a także solwer nieściśliwy (Implicit Incompressible SPH Solver), co pozwala na stabilne i precyzyjne odwzorowanie warunków pracy układu smarowania w różnych stanach termicznych. Symulacja sloshingu w cysternie z komorami separacyjnymi (Rysunek 3) pokazuje, jak podejście Weakly Compressible SPH umożliwia analizę przemieszczeń cieczy pod wpływem gwałtownych manewrów pojazdu, z uwzględnieniem efektów uderzeń fal o przegrody. Z kolei w modelu przepływu wody przez silnik turboodrzutowy (Rysunek 4) metoda bezsiatkowa eliminuje konieczność tworzenia skomplikowanej siatki dla złożonej geometrii kanałów, a dzięki modelom napięcia powierzchniowego można precyzyjnie uchwycić zachowanie cieczy przy kontaktach z elementami konstrukcji. Wszystkie te przykłady pokazują, że Freeflow, oparty na metodzie SPH, pozwala szybko i dokładnie analizować przepływy z powierzchnią swobodną, w których tradycyjne podejście VOF wymagałoby dużych nakładów obliczeniowych lub skomplikowanego przygotowania siatki.

Tak jak wspomniano użytkownik ma obecnie możliwość analizy jednofazowych przepływów z wykorzystaniem dwóch solwerów SPH:

• Implicit Incompressible SPH Solver
  Solwer oparty na założeniu nieściśliwości cieczy. Umożliwia stabilną i dokładną symulację przepływów swobodnych przy użyciu większych kroków czasowych.
• Weakly Compressible SPH Solver
  Solwer dopuszczający słabą ściśliwość płynu, często wykorzystywany w przypadku dynamicznych zjawisk z istotnymi zmianami gęstości.

Użytkownik może wykorzystać trzy modele napięcia powierzchniowego: CFS, CSS oraz Pairwise Force Model. Dodatkowo dostępny jest model termiczny wymiany ciepła pomiędzy cząstkami SPH a ściankami obecnymi w symulacji. Opcją beta jest zmienna wartość lepkości w zależności od temperatury płynu.

Interfejs graficzny użytkownika

Na uwagę zasługuje również intuicyjny i przyjazny interfejs graficzny (GUI), który jak wcześniej wspomniano, jest kopią tego, który znajduje się w Rocky. Użytkownicy Rocky’ego poczują się jak w domu.

Wsparcie obliczeń GPU i licencjonowanie

Program jest niezależny i nie znajduje się w tej samej puli licencyjnej co inne narzędzia CFD. Zasady licencjonowania są jednak zbliżone do tych, jakie obowiązują w przypadku puli CFD Enterprise i obliczeń z użyciem natywnego solwera Fluent GPU. W podstawowej licencji użytkownik ma możliwość pracy na 4 CPU lub jednej karcie graficznej o liczbie SM (Streaming Multiprocessors) nieprzekraczającej 75. Dodatkowe jednostki SM w Freeflow można odblokować poprzez Ansys HPC Packs, które skalują się tak samo jak w przypadku licencji CFD Enterprise — przykładowo, 3 pakiety umożliwiają wykorzystanie 128 dodatkowych SM, a każdy HPC Task odpowiada 1 dodatkowemu SM. Wsparcie obliczeń GPU bez wątpienia pozwala przyspieszyć wielogodzinne symulacje z ogromną liczbą cząstek.

Integracja

Program, podobnie jak Rocky, oferuje szerokie możliwości integracji z innymi produktami firmy Ansys. W chwili obecnej możliwe jest głównie sprzężenie z narzędziami mechanicznymi – mówimy tutaj o jedno- i dwukierunkowym sprzężeniu z analizami termicznymi i strukturalnymi. Dodatkowo dostępne jest dwukierunkowe sprzężenie z Ansys Motion. Smaczkiem jest możliwość automatyzacji poprzez szeroko rozbudowane API oparte na Pythonie.

Konkurencja i co dalej?

Obecnie na rynku najwięksi gracze posiadają już narzędzia bezsiatkowe do modelowania przepływów z powierzchnią swobodną. Mowa tu głównie o oprogramowaniu Particleworks, nanoFluidX firmy Altair oraz Simcenter STAR-CCM+ od Siemensa. Zestawiając Freeflow ze wspomnianą konkurencją, warto wspomnieć o obszarach wymagających jeszcze dopracowania, Mowa tu o braku możliwości modelowania dwóch faz oraz wciąż eksperymentalnych (beta) modelach napięcia powierzchniowego i adaptacyjnego zagęszczania cząstek. Niemniej jednak, perspektywa dalszego rozwoju tego narzędzia w najbliższych latach pozwala sądzić, że Freeflow znajdzie się wkrótce w jednym szeregu z konkurencją.

Autor: Maciej Bara, mbara@mesco.com.pl, MESco

Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco