» ANSYS FLUENT: CFD dla konstruktorów, analityków i naukowców

ANSYS FLUENT: CFD dla konstruktorów, analityków i naukowców

Spis Treści:

Wstęp

W MESco korzystamy z ANSYS CFD od ponad 25. lat. W tym okresie obserwujemy jego dynamiczny rozwój a w szczególności środowiska ANSYS FLUENT, zarówno w zakresie technologii jak i w kwestii walorów użytkowych. Dzisiaj ANSYS to rewelacyjne połączenie prostoty intefejsu, szybkości i dokładności. Dlatego korzystając z ANSYS CFD możemy bardziej skupić się nad tym co chcemy zrobić, a nie jak.

Warto wspomnieć, że ANSYS jest największym producentem oprogramowania do symulacji komputerowej na rynku, który inwestuje miliardy dolarów w przejęcia pokrewnych technologii aby powiększyć możliwości swoich rozwiązań (źródło). Daje to nam i naszym Klientom perspektywę dalszego rozwoju środowiska ANSYS.

W dalszej części artykułu w szczegółach omówimy możliwości oprogramowania ANSYS CFD oraz jego poszczególne komponenty.

Możliości i aplikacje ANSYS CFD/ANSYS FLUENT

Rdzeniem ANSYS CFD jest ANSYS FLUENT – najbardziej wszechstronny i technologicznie zaawansowany solver do symulacji przepływów na rynku. Pozostałe programy i solvery uzupełniają ANSYS FLUENT o rozwiązania skierowane do konkretnej grupy użytkowników (inżynierowie, konstruktorzy, naukowcy). Poniższa lista zawiera najczęściej wykorzystywane możliwości ANSYS CFD.

Numeryka i obliczenia równoległe – zaawansowane solvery zintegrowane wewnątrz ANSYS Fluent zapewniają solidne i dokładne wyniki dla niemal nieograniczonego zakresu przepływów. Zaawansowane przetwarzanie równoległe efektywnie wykorzystuje wiele procesorów wielordzeniowych w jednym komputerze lub wielu komputerach w sieci. ANSYS Fluent jest dostępny dla systemów Windows i Linux.

Turbulencja – w ANSYS Fluent oprócz popularnych modeli takich jak k-epsilon, k-omega i Reynolds Stress Model (RSM), występuje szereg innych modeli: Larg Eddy Simulation (LES), Detached Eddy Simulation (DES), Scale-Adaptive Simulation (SAS). Dostosowanie modeli oraz szereg dodatkowych opcji, zapewnia możliwość rozwiązania przepływów w wielu zróżnicowanych warunkach.

Akustyka – ANSYS Fluent może obliczyć dźwięk wytwarzany przez wahania ciśnienia na kilka sposobów za pomocą dostępnych modeli – m.in. Ffowcs Williams-Hawkings czy Broadband Noise Source.

Maszyny wirnikowe – jednym z kluczowych zagadnień CFD są maszyny wirnikowe – turbiny, pompy czy wentylatory. W ANSYS Fluent zagadnienia te mogą być rozwiązane w sposób uproszczony (model Multiple Reference Frame obracający układem odniesienia) lub fizycznie puszczając w ruch wirnik urządzenia (Sliding Mesh).

Dynamiczne siatki – ANSYS Fluent umożliwia modelowanie ruchu elementu (np. silniki spalinowe, zawory, koła zębate). Ruch nie musi być ograniczony do posuwistego lub obrotowego – użytkownik może określić go za pomocą własnej funkcji lub wykorzystać modeł bryły sztywnej – 6DOF solver.

Przepływ ciepła, zmiany fazy i radiacja – ANSYS Fluent oferuje kompleksowy zestaw do modelowania konwekcji, przewodzenia ciepła i radiacji. Możliwości ściśle związane z wymianą ciepła obejmują m.in. modele płynów ściśliwych, wymienników ciepła, gazów rzeczywistych, pary mokrej, odparowania i skraplania, topnienia i krzepnięcia oraz wiele innych.

Reakcje – kompleksowe modelowanie reakcji chemicznych, w szczególności w przypadku turbulencji, było cechą oprogramowania ANSYS Fluent od jego powstania. Modele reakcji chemicznych w ANSYS Fluent mogą być używane w połączeniu z modelami turbulencji z grupy RANS oraz LES. Ponad 10 modeli spalania pozwala na zasymulowanie niemal dowolnego typu reakcji.

Przepływy wielofazowe – ANSYS Fluent posiada 4 różne podejścia do modelowania przepływów wielofazowych: Discrete Phase Model (DPM), Volume of Fluid Model (VOF), Eulerian Model, Mixture Model. Za pomocą tych modeli można rozwiązać różne przypadki przepływów m.in. gaz/ciecz, gaz/ciało stałe, ciecz/ciecz, złoża fluidalne, napełnianie zbiorników, sloshing.

Funkcje użytkownika (UDF) – użytkownik może samodzielnie stworzyć niezbędne dla niego funkcje, a następnie wprowadzić je do programu ANSYS Fluent. W ten sposób użytkownik ma nieograniczoną możliwość modelowania różnych zjawisk.Immersed Solid – specjalny typ sprzężenia dwukierunkowego działający wewnątrz środowiska CFD. Pozwala on na analizę przemieszczenia geometrii traktowanej jako bryła sztywna o sześciu stopniach swobody (6DOF) wraz z uwzględnieniem jej kształtu. Możliwe jest zastosowanie podążającej siatki za geometrią oraz sitaki niezmiennej wraz z poruszającą się w niej bryłą. Ten typ FSI umożliwia przykładowo analizy drgań zaworów kulkowych, działania pomp zębatych itp. Dostępny w CFX. 

ANSYS CFD - Symulacja FSI

Struktura pakietów ANSYS CFD – poziomy licencji

ANSYS CFD posiada trzy zasadnicze pakiety: Pro, Premium i Enterprise. Posiadają one ten sam bazowy solver (ANSYS FLUENT) oraz narzędzie do Pre i Post-processingu.

ANSYS CFD Pro

to ANSYS FLUENT dla konstruktorów. Posiada uproszczony interfejs oraz pewne ograniczenia w możliwościach. Może on być uruchomiony w interfejsie ANSYS FLUENT lub ANSYS Discovery. Więcej o ANSYS CFD Pro znajdą Państwa w tym artykule.

ANSYS CFD Premium

Zawiera poniższe elementy:

  • ANSYS CFD Solver (ANSYS CFX, ANSYS FLUENT)
  • ANSYS SpaceClaim Direct Modeler – budowa, przygotowanie, parametryzacja geometrii
  • ANSYS Meshing, FLUENT Meshing – budowa siatki objętości skończonych
  • ANSYS CFD PrepPost – definicja modelu i postprocesing wyników
  • ANSYS Ensight – zaawansowany postptocessing wyników
  • ANSYS HPC x4 – ANSYS CFD domyślnie prowadzi obliczenia na 4. fizycznych rdzeniach procesora
  • ANSYS DesignXplorer– moduł do optymalizacji parametrycznej
ANSYS CFD Enterprise

Zawiera wszystkie moduły pakietu ANSYS CFD Premium oraz dodatkowo:

Wszystkie licencje ANSYS są domyślnie pływające. MESco dostarcza merytoryczne wsparcie techniczne dla wszystkich produktów ANSYS. Pomagamy też naszym Klientom w lepsze poznaniu wybranych technologii ANSYS.

ANSYS FLUENT – serce ANSYS CFD

ANSYS Fluent jest od lat technologicznym liderem w branży symulacji przepływowych. Imponująca baza empirycznie zwalidowanych modeli, zaawansowany technologicznie solver matematyczny oraz wiele wbudowanych narzędzi specjalistycznych powodują, że ANSYS FLUENT jest najczęściej wybieranym programem do symulacji przepływowych (źródło). ANSYS FLUENT jest głównym narzędziem użytkoników ANSYS CFD. Wszystkie pozostałem moduły służą jako uzupełnienie jego możliwości.

Jego ogromną zaletą jest elastyczność. ANSYS FLEUNT Może być wykorzystywany jako narzędzie do prostych zagadnień ogólno-przepływowych ale także do bardzo specjalistycznych zadań i skomplikowanych problemów przepływowych. Do dyspozycji użytkownika oddane zostało mnóstwo modeli do symulowania wszelakich zjawisk przepływowych. Kilkanaście modeli turbulencji pozwala na zamodelowanie pełnego spektrum zjawisk przepływu turbulentnego. Z kolei modele cieplne, w tym kilka modeli promieniowania, dają możliwość wykonywania analiz termicznych. Ponadto trzy modele wielofazowe, mieszaniny, reakcje chemiczne, ruchome elementy, akustyka i wiele, wiele innych.

User Defined Function (UDF) – programowanie w ANSYS FLEUNT

ANSYS FLUENT posiada bardzo rozbudowane możliwości i większość jest dostępna z poziomu interfejsu graficznego. Jednak nie wszystko można zmieścić w przysłowiowym „przycisku”. UDF daje użytkownikowi dostęp do ANSYS FLUENT „od środka” umożliwiając wykonanie złożonych symulacji i zaawansowanego Postprocessingu. UDFy często odstraszają naszych Klientów ponieważ narzędzie to wymaga podstawowej znajomości języka C. Ale opanowanie UDF’ów nie jest wcale trudne i daje praktycznie nieograniczone możliwości wykorzystania potencjału drzemiącego w ANSYS FLUENT. Co do zasady UDF pozwala nam zrobić dowolną symulację o ile jesteśmy w stanie opisać dane zjawisko matematycznie.

Dzięki UDF użytkownik może przeprowadzić obliczenia z wykorzystaniem swojego własnego modelu numerycznego, nietypowego materiału czy charakterystyki pozyskanej na drodze pomiarów. UDF pozwala również na tworzenie własnych warunków brzegowych w postaci wyrażeń matematycznych. Dzięki UDF-om możliwe jest dowolne modyfikowanie wielu aspektów kodu obliczeniowego Fluenta. Tę właściwość ANSYS FLUENT ciężko przecenić.

W Postprocessingu również można korzystać z UDFów dokładnie z tych samych powodów. Dobrym przykładem jest uśrednianie własnych zmiennych czy wyświetlanie ich maksymalnej i minimalnej wartości po czasie. UDFem można również , zapisywać do pliku tekstowego wartości wybranych zmiennych itp.

Integracja z ANSYS Workbench

Inegracja z ANSYS Workbench to przede wszystkim możliwość łatwego powielania schematu symulacji przy zachowaniu jednego modelu CAD i jednej siatki numerycznej. W praktyce oznacza to że zrobienie odrębnej analizy z innymi warunkami brzegowymi nie wymaga ponownego wczytania modelu CAD i zrobienia nowej siatki. Możemy po prostu skopiować symulację i zmienić tylko warunki brzegowe. Oznacza to również, że ten sam model CAD, tą samą siatkę można „podpiąć” do wielu różnych symulacji.

ansys fleunt w ansys workbench
Widok projektu z pętlą optymalizacyjną w ANSYS Workbench

Integracja programu w środowisku ANSYS Workbench pozwala także na wykorzystanie narzędzie do optymalizacji parametrycznej (ANSYS DesignXplorer).  Szerokie spektrum zastosowań od przeliczania wielu przypadków obciążeń do poszukiwania najlepszej wartości parametrów wejściowych w funkcji celu znacznie przyspieszają obliczenia i podnoszą wydajność wykorzystywanego narzędzia do symulacji.

Dużą przewagą ANSYS FLUENT jest swoboda z jaką wyniki z symulacji CFD mogą być dwukierunkowo sprzężone z symulacjami pracy maszyn elektrycznych, elektroniki czy układów mechanicznych. Dzięki temu użytkownicy mogą uwzględniać zmiany w warunkach pracy produktu wynikające z interakcji między poszczególnymi zjawiskami fizycznymi. Kilka przykładów symulacji typu Multiphysics znajdą Państwo w dalszym rozdziale o nazwie Multiphysics. 

ANSYS CFX – symulacja maszyn wirnikowych

ANSYS CFX jest niekwestionowanym liderem w symulacji przepływów w maszynach wirnikowych. Jego zdecydowanym atutem jest szybkość i prostota. Posiada on wiele dedykowanych narzędzi do optymalizacji parametrycznej turbin, wirników, itp. maszyn rotujących.

ANSYS CFX doskonale sprawdzi się zarówno w rękach konstruktorów z ogólną wiedzą inżynierską jak również u specjalistów wymagających bardziej dogłębnej kontroli nad symulacją. Do dyspozycji dostajemy szereg najczęściej używanych modeli turbulencji, modele zjawisk termicznych (przewodzenie, konwekcja i radiacja), modele wielofazowe a nawet spalania i reakcji chemicznych.

W ANSYS CFX możliwe jest wykonanie obliczeń zredukowanego modelu maszyny (powtarzalny wycinek periodyczny), zmiennych w czasie, bez utraty dokładności pełnego modelu (Transient Blade Row). Analizę taką można również rozszerzyć o efekty drgania łopat, wykonując analizę harmoniczną w domenie częstotliwości. Takie podejście redukuje czas nawet stukrotnie w stosunku do pełnego modelu!

Dodatkowe korzyści można uzyskać łącząc CFX’a z produktami do pre-processingu zagadnień maszyn wirnikowych – BladeModeler oraz TurboGrid. Są to dedykowane narzędzia do tworzenia geometrii i wysokiej jakości siatek strukturalnych dla tego typu zagadnień. Razem stanowią idealną paczkę do obliczeń turbo.

Optymalizacja parametryczna maszyn wirnikowych

ANSYS BladeModeler to moduł do tworzenia skomplikowanych geometrii łopatek. Niesamowicie przyspiesza pracę nad przygotowaniem sparametryzowaneo modelu pod symulację CFD. Posiada wbudowane narzędzia do szybkiego tworzenia pierwszego modelu na bazie zadanej charakterystyki pracy łopatki jak i pozwala na jego zaawansowane modyfikacje. Geometria może być wczytana z formatów zewnętrznych (np. STEP) oraz w formie rysunków 2D. ANSYS BladeModeler bardzo przyspiesza prace projektowe.

ANSYS TurboGrid to program pozwalający na wydajne tworzenie najwyższej jakości siatki hexahedralnej dla domeny przepływowej i mechanicznej turbin. Dzięki technologii łączenia różnego rodzaju siatek (tzw. Hybrid Meshing) ANSYS TurboGrid pozwala zaoszczędzić dużą ilość czasu. Istotną zaletą jest również obecność narzędzi do diagnostyki siatki, które wspierają użytkownika w podejmowaniu odpowiednich kroków aby poprawić jakość elementów niespełniających kryteria takie jak aspect ratio, mesh expansion rates, grid skew angles.

Turbo-Pre to specjalnie przygotowany kreator dedykowany do definiowania symulacji dla maszyn wirnikowych. Dzięki specyficznej budowie oraz bazując na automatycznym rozpoznawaniu modelu znacząco przyspiesza i usprawnia definicję modelu.

Turbo-Post – zestaw predefiniowanych narzędzi do obróbki wyników. Poza przygotowanym zestawem najczęściej używanych narzędzi do obróbki wyników posiada także przygotowane kompletne raporty przygotowane dla specyficznych maszyn wirnikowych (pomp, turbin, wentylatorów itp.).

Dwukierunkowe FSI (Fluide Structure Interaction): integracja ANSYS CFX z modułami do analiz mechanicznych ANSYS pozwala na bezpośredni transfer danych (ciśnienia i/lub temperatury). Dzięki temu możliwe jest rzeczywiste obciążenie modelu i lepsze odwzorowanie warunków w symulacji mechanicznej. ANSYS posiada także specjalistyczny pakiet Rotor Dynamics, który pozwala prowadzić zaawansowane analizy wytrzymałościowe z uwzględnieniem specyficznych zjawisk zachodzących w maszynach wirnikowych. Dzięki temu otrzymujemy informacje jak przepływ wpływa na poziom deformacji, czy przepływ wzbudza drgania własne konstrukcji czy też je tłumi. 

ansys cfx

Multiphysics – symulacje sprzężone w ANSYS CFD

Ponieważ ANSYS CFD działa na platformie ANSYS Workbench umożliwiato  szerokie wykorzystanie wyników z symulacji przepływów w innych analizach. W praktyce oznacza to że użytkownik może badać współzależność między różnymi zjawiskami fizycznymi. Typowym przykładem są symulacje FSI (Fluid-Structure Interaction) gdzie przepływ wzbudza harmonicznie konstrukcję (np. przepływ w rurociągu, przepływ przez zawór). Ale symulacje CFD mogą pomóc w projektowaniu układów chłodzenia pakietów bateryjnych lub szaf sterowniczych.

Fluid Stucture Interaction (FSI)

FSI polega na powiązaniu symulacji przepływów z symulacjami wytrzymałościowymi. Stosowane jest wszędzie tam gdzie płyn znacząco wpływa na mechanikę okładu i na odwrót. Analizy FSI pozwalają na wierniejsze oddanie rzeczywistości, dzięki czemu z powodzeniem jest stosowana w takich dziedzina jak: biomechanika (odkształcenia żył, stentów itp.), przemysł lotniczy (wibracje i odkształcenia wywołane przez przepływ powietrza) czy budownictwo (obciążenie budynku wiatrem).

Generalnie FSI można podzielić na dwa poziomy: jedno i dwu-kierunkowe (ang. One-Way i Two-Way FSI)

  • One-way FSI – polega na wczytaniu wyników z symulacji CFD jako danych wejściowych do analizy mechanicznej. Stosowane wtedy, gdy odkształcenia struktury są nieznaczne i nie będą zmieniać charakteru przepływu. Bardzo często jest wykorzystywane w analizach, w których ważne są naprężenia termiczne. Dzięki symulacji przepływów możemy uzyskać dokładne warunki brzegowe do analizy wytrzymałościowej. Dostępne w CFX oraz FLUENT w połączeniu z dowolnym modułem mechanicznym ANSYS.
  • Two-way FSI – jest to dwukierunkowe (silne) sprzężenie między mechaniką, a przepływem w którym przepływ zależy od zmieniającego się kształtu konstrukcji i na odwrót. Ten typ symulacji stosowany jest głównie w dynamice i przy silnie odkształcającej się geometrii. Przykładem mogą być analizy zastawki serca czy pompy.membranowej. Dla firmy TB Hydro MESco wykonywało symulacje dwukierunkowego FSI aby określić warunki wzbudzenia konstrukcji zaworu przez przepływ wody. Zobacz artykuł
ANSYS fluent FSI Flutter
Symulacja FSI wzbudzenia zaworu

MESco oferuje kurs FSI dla zaawansowanych na którym omawiane są wszystkie rodzaje sprzężenia wraz z przykładami dla FLUENT jak i CFX – więcej informacji znajduje się w sekcji w kursy.

Chłodzenie elektroniki: ANSYS FLUENT dla elektroników

Uwzględnianie towarzyszący zjawisk fizycznych jest szczególnie przydatne przy projektowaniu urządzeń elektronicznych i elektrycznych. Ciepło wydzielane w trakcie pracy tych urządzeń zmienia charakterystykę ich komponentów co wpływa oczywiście na wydajność urządzenia. ANSYS umożliwia rozwiązywanie tych zagadnień na kilka sposobów. Możemy wykonać symulację chłodzenia z teoretycznym źródłem ciepła i obserwować jak domena płynu go chłodzi. Możemy również wykonać najpierw symulację przepływu prądu przez komponent lub cały system i z tej symulacji uzyskać informację o lokalnych stratach i wydzielanym cieple, a następnie wczytać te wyniki jako warunek brzegowy w symulacji CFD. Jeżeli istnieje obawa, że nagrzany komponent będzie się deformował wówczas do powyższego schematu można dorzucić również symulację mechaniczną. ANSYS Posiada również dedykowany moduł stricte do chłodzenia elektroniki, który nie jest częścią pakietu CFD: ANSYS Icepak.

ansys fluent chłodzenie elektroniki

MESco wykonało projekt dla Rockwell Automation w którym symulowaliśmy warunki testu normowego dla szafy sterowniczej. Więcej informacji znajdą Państwo w tym artykule.

Podsumowanie

Nasze przekonanie o jakości produktów ANSYS wynikają z wieloletniej praktyki. MESco używa oprogramowania ANSYS w codziennej pracy od ponad 25. lat. co daje naszym Klientom pewność, że po zakupie oprogramowania nie będą pozostawieni sami sobie. Najlepszym świadectwem naszych kompetencji jest nasza lista referencyjna.

Warto pamiętać, że ANSYS CFD to tylko część naszej oferty. ANSYS posiada kompletną platformę do symulacji komputerowej. W praktyce oznacza to, że działy zajmujące się projektowaniem i rozwojem różnych komponentów produktu mogą korzystać z jednorodnego systemu do symulacji komputerowej i wzajemnie wykorzystywać wyniki swoich symulacji.  Daje to nam i naszym Klientom dużą swobodę w prowadzonych badaniach koncepcyjnych i optymalizacji projektu. 

 W razie jakichkolwiek pytań – jesteśmy do dyspozycji.