مقدمه ای بر CFD و نرم افزارهای FLUENT و CFX

مقدمه‌ای بر CFD و نرم‌افزارهای شبیه‌سازی

نرم افزارهای FLUENT و CFX- مهندس سعادتی 

 

احسان اله سعادتی- مدرس دوره های CFD و طراحی نیروگاه در شرکت PTEC

نوشته: احسان اله سعادتی

کارشناس ارشد شبیه سازی CFD

مدرس دوره های TGrid، ICEM-CFD، CFX، FLUENT و Flow-3D

دپارتمان CFD شرکت خدمات مهندسی و آموزشی پیتک

برگرفته از کتاب جامع آموزش CFD و نرم افزارهای FLUENT و CFX

کتاب آموزش FLUENT و CFX تالیف مهندس احسان اله سعادتی

 مقدمه:

در این فصل بر آنیم، تا پیش از آموزش روش‌های شبیه‌سازی در نرم‌افزارهای CFX و FLUENT، به ارائه معرفی و مقدمه‌ای از دینامیک سیالات محاسباتی و همچنین نرم‌افزارهای مورد استفاده در کتاب بپردازیم، تا خوانندگانی که با استفاده از این کتاب، قدم به دنیای شبیه‌سازی CFD می‌گذارند، شناخت بالاتری از این مبحث و همچنین نرم‌افزارهای موجود داشته باشند. در حال حاضر نرم‌افزارهای بسیاری بر پایه CFD، ارائه می‌گردد که هر یک در بخشی از علوم مهندسی کاربرد دارد. آشنایی اولیه با این نرم‌افزارها، می‌تواند، در انتخاب نرم‌افزار مناسب برای پروژه‌های مختلف، کمک نماید. پیش از معرفی نرم‌افزارهای مورد استفاده در این کتاب، ابتدا به ارائه مقدمه‌ای بر اصول و کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی و سایر نرم‌افزارهای رایج می‌پردازیم. سپس اصول، مزایا، معایب و موارد کاربرد نرم‌افزارهای FLUENT و CFX، به عنوان نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و در کنار آن‌ها نرم‌افزارهای ICEM-CFD، TGrid و Gambit، به عنوان نرم‌افزارهای تولید شبکه و در نهایت نرم‌افزار CFD-POST به عنوان نرم‌افزار تحلیل نتایج و ارائه گزارش، مورد بررسی و معرفی قرار می‌گیرد.

 

دینامیک سیالات محاسباتی[1] (CFD)

دنیای پیرامون، متشکل است از پدیده‌های فیزیکی بسیاری که بخش قابل توجهی از این پدیده‌ها، در حیطه مکانیک شاره‌ها قرار می‌گیرد. جریان‌های اقیانوسی، توده‌های هوایی، جریان خون در رگ‌ها، مجراهای تنفسی، جریان سیال اطراف خودرو، جریان باد در اطراف ساختمان و بسیاری دیگر از پدیده‌های شاره‌ای، نمونه‌ای از این فیزیک‌ها هستند.

طراحی صحیح و هوشمندانه بسیاری از تجهیزات مهندسی، نیازمند درک صحیحی از این پدیده‌هاست. بدین منظور از دانش مکانیک سیالات، بر پایه قوانین حرکتی ارائه‌شده توسط نیوتن استفاده می‌شود. این قوانین به صورت کلی در قالب چهار معادله اصلی برای بقای مومنتوم و جرم ارائه می‌گردد.

معادلات ناویر استوکس مورد استفاده در CFD 

این معادلات که با نام معادلات ناویر استوکس نیز معرفی می‌شوند، با وجود دقت کافی برای غالب پدیده‌های مکانیک سیالات، در بسیاری از موارد،  به دلیل پیچیدگی‌های بالای حل، به صورت مستقیم قابل ارزیابی نیستند و به دلیل حضور ترم‌های غیر خطی و همچنین همبستگی چهار معادله به یکدیگر، به عنوان یکی از پیچیده‌ترین معادلات دنیای علم، معرفی می‌شوند. حل مستقیم و تحلیلی این معادلات، به جز در موارد بسیار محدود و با در نظر گرفتن بسیاری فرضیات ساده‌سازی، ممکن نیست. جریان بین دو صفحه موازی، جریان آرام درون لوله با سطح مقطع دایروی و جریان رینولدز پایین در اطراف یک گوی، نمونه‌هایی از فیزیک‌های ساده‌ای هستند که برای آن‌ها‌، حل تحلیلی معادلات ناویر استوکس وجود دارد.

 

در کنار این‌ها، پدیده‌های بسیاری در دنیای مهندسی وجود دارد، که دارای پیچیدگی‌های بسیاری بوده و به دلایل مختلفی، نیازمند درکی از رفتار معادلات جریان، بر روی آن‌ها هستیم. غالب جریان‌های کاربردی در فیزیک‌های صنعتی، مانند جریان درون یک راکتور، جریان اطراف هواپیمای مسافربری، جریان درون سیلندر پیستون خودرو و بسیاری دیگر از جریان‌های صنعتی و طبیعی، نمونه‌هایی از پدیده‌های هستند، که تحلیل آن‌ها با اهدافی همچون درک بالاتر از محیط پیرامون، بهبود زندگی و طراحی تجهیزات صنعتی صورت می‌پذیرد.

در این شرایط و با توجه به ضعف روش‌های ریاضیاتی در حل معادلات ناویر استوکس، نیامند روش‌های دیگری هستیم. تجربه و آزمایش، یکی از گزینه‌های جایگزین است. در روش‌های تجربی، نمونه‌ای از فیزیک مورد نظر در ابعاد اصلی و یا ابعاد کوچک‌شده آزمایشگاهی، ساخته و تحلیل جریان بر روی آن، از طریق اندازه‌گیری پارامترهای اساسی مانند نیرو، ضریب درگ، ضریب انتقال حرارت و مشابه آن، انجام می‌شود. این روش با وجود دقت نسبتا بالا، به دلیل هزینه‌های بالای انجام آزمایش از یک سو و عدم امکان انجام آن بر روی تمامی فیزیک‌های مورد نظر از سوی دیگر، دارای محدودیت‌های بسیاری است. از این روش، غالبا بر روی طرح‌های نهایی در آستانه ساخت و به منظور اطمینان از صحت طراحی و تحلیل انجام‌شده به سایر روش‌ها، استفاده می‌شود.

دیدگاه سومی که در بسیاری از پروژه‌های امروزی، به فراوانی مورد توجه قرار می‌گیرد، استفاده از روش‌های عددی است. در روش‌های عددی، ابتدا دامنه حل به اجزای بسیار کوچکی به نام سلول‌های محاسباتی، تقسیم می‌شود. مجموع سلول‌های محاسباتی، تشکیل یک شبکه محاسباتی می‌دهند. سلول‌های محاسباتی بسته به پیچیدگی هندسی و همچنین ساختار کلی حل‌گر، دارای اشکالی مختلف‌اند. در ادامه، شش نوع سلول پرکاربرد، در تولید شبکه‌های محاسباتی دو و سه‌بعدی، نشان داده شده است.

 

 انواع المان های شبکه مورد استفاده در نرم افزارهای CFD

شکل 1- انواع رایج سلول‌های مورد استفاده در شبیه‌سازی‌های CFD

شبکه‌های محاسباتی، خود به دو نوع کلی ساختاریافته و بدون‌ساختار، تقسیم‌بندی می‌شوند. در شبکه ساختار یافته، شناسایی سلول‌های مجاور، به صورت ماتریسی انجام می‌شود و شبکه ساختاری منظم دارد. سلول‌های مورد استفاده در این نوع از شبکه، چهارگوش در دوبعد و شش‌وجهی در سه بعد ‌اند. این نوع از شبکه، به دلیل منظم‌بودن و الزامات هندسی خاص، برای بسیاری از هندسه‌های پیچیده، قابل استفاده نیست.

 

آدرس دهی شبکه های سازمان یافته (ساختار یافته) در نرم افزارهای CFD

شکل 2- آدرس‌دهی سلول‌های مجاور در شبکه سازمان‌یافته

در هندسه‌های پیچیده، از شبکه بدون‌ساختار استفاده می‌شود. این نوع از شبکه به صورت نامنظم و بعضا تصادفی و البته با استفاده از روش‌های هوشمند، تولید می‌شود. سلول‌های مورد استفاده در این نوع از شبکه، غالبا مثلث در دو بعد و چهاروجهی در سه بعد است. از سلول‌های هرمی و منشوری نیز در موارد خاص استفاده می‌شود. در کنار این‌ها، سلول‌های مورد استفاده در شبکه ساختار یافته، در شبکه بدون ‌ساختار نیز کاربرد دارند که البته کاربرد آن‌ها، قدری از سلول‌های اصلی (مثلث و چهاروجهی) کمتر است.

 

نمایی از یک شبکه بدون سازمان (بدون ساختار) در نرم افزارهای CFD

شکل 3- نمایی کلی از شبکه بدون‌ساختار

در ادامه، نمونه‌هایی از شبکه‌های ساختاریافته و بدون ساختار، نشان داده شده است. قابل ذکر است نرم‌افزارهای FLUENT و CFX، به صورت پایه‌ای دارای حل‌گر بدون‌ساختاراند، لیکن شبکه‌های ساختاریافته نیز با تبدیل آدرس‌دهی سلول‌ها به روش بدون‌ساختار، در آن‌ها قابل استفاده‌اند. روش انجام این کار در نرم‌افزار ICEM-CFD ارائه می‌گردد.

توضیح: در بخش‌هایی از کتاب، ممکن است از الفاظ سازمان‌یافته و بدون‌سازمان، به جای ساختاریافته و بدون‌ساختار، استفاده شده باشد.

  

شبیه سازی جریان در یک پمپ با استفاده از CFX

شکل 4- شبکه محاسباتی ساختاریافته بر روی یک پمپ گریز از مرکز

 

شبکه سازمان یافته در اطراف یک ایرفویل

شکل 5- شبکه محاسباتی ساختاریافته در اطراف یک ایرفویل

 

شبکه بدون سازمان هیبرید همراه با لایه مرزی در اطراف یک هواپیمای مسافربری

شکل 6- شبکه محاسباتی بدون‌ساختار در اطراف یک هواپیمای مسافربری

 

 

شبکه بدون سازمان بر روی یک دایناسور

شکل 7- شبکه بدون‌ساختار بر روی یک دایناسور

تقسیم دامنه حل به سلول‌های بسیار کوچک، موجب می‌شود بتوان تغییرات متغیرهای حل، در فاصله‌ کوتاه یک سلول را خطی و بعضا ناچیز فرض نمود. بدین ترتیب، امکان خطی‌سازی و ساده‌سازی معادلات ناویر استوکس، بر روی اجزای دامنه حل فراهم می‌شود. از یکپارچه‌سازی و برقراری ارتباط بین سلول‌ها، در مجموع، رفتاری تقریبی از جریان سیال، نشان داده می‌شود. با افزایش تعداد سلول‌ها در دامنه حل و به دنبال آن کوچک‌تر شدن سلول‌های محاسباتی، فرض خطی‌سازی برخی متغیرها و ثابت ماندن برخی دیگر در هر سلول، منطقی‌تر بوده و نتایج محاسبات به داده‌های واقعی، نزدیک‌تر خواهد شد. به این روش، روش حل عددی گفته می‌شود. روش‌های حل عددی در حیطه مهندسی مکانیک، به صورت خاص، با نام دینامیک سیالات محاسباتی[2] (CFD)، شناخته می‌شوند و غالب نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مکانیک سیالات، بر این اساس کار می‌کنند. بسته به روش‌ها و تکنیک‌های مورد استفاده، دقت و نرخ همگرایی نتایج و توانایی شبیه‌سازی فیزیک‌های مختلف، نرم‌افزارهای مختلفی به بازار ارائه شده‌است که هر یک در گستره‌ای از حوزه‌های مرتبط با مهندسی مکانیک، هوافضا، هیدرولیک، شیمی، پزشکی و غیره کاربرد دارند. قابل ذکر است در کنار نرم‌افزارهای معرفی شده در این بخش، نرم‌افزارهایی خاص، با دیدگاه‌هایی متفاوت از CFD نیز وجود دارد که گستره کاربرد آن‌ها، در مقایسه با نرم‌افزارهای CFD، بسیار محدود است. نرم‌افزارهای بر پایه روش‌های SPH و Lattice Boltzmann از این گروه‌اند. در ادامه به معرفی مختصری از پرکاربردترین نرم‌افزارهای حوزه CFD، می‌پردازیم.

 

- نرم‌افزار STAR-CCM+

این نرم‌افزار یکی از نرم‌افزارهای پرکاربرد برای تحلیل جریان و واکنش در حیطه‌های مختلف مهندسی و خصوصا در حوزه مهندسی آیرودینامیک و هوافضاست که در بسیاری از دانشگاه‌ها و صنایع معتبر جهان، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار از نظر شمول فیزیک‌های مختلف و همچنین ادبیات کاربری نزدیک به مراجع دانشگاهی، تا حدودی شبیه به نرم‌افزار FLUENT است. نرم‌افزار STAR-CD از این خانواده، در شبیه‌سازی موتورهای احتراق داخلی، کاربرد دارد.

نمایی از نرم افزار STAR CCM

شکل 8- نمایی از نرم‌افزار STAR-CCM+

 

-نرم‌افزار OPEN-FOAM

این نرم‌افزار، یکی از معدود نرم‌افزارهای کد-باز در زمینه CFD است، که به دلیل امکان مشاهده و ویرایش معادلات و روش‌های دخیل در شبیه‌سازی و همچنین افزودن معادلات و مدل‌های جدید، در بسیاری از پروژه‌های دانشگاهی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، برخی از صنایع معتبر جهان، با استفاده از حل‌گرهای پایه این نرم‌افزار، نرم‌افزارهایی تخصصی، برای تحلیل و شبیه‌سازی فیزیک‌های خاص مورد نظر خود استخراج نموده‌اند. نرم‌افزار اختصاصی شبیه‌سازی انفجار بر روی واحدها و سکوهای نفتی، مورد استفاده توسط شرکت SHELL ، نمونه‌ای از این کاربردهاست. این نرم‌افزار، اولین بار در سال 1980، توسط کالج سلطنتی لندن تهیه و منتشر گردید و در حال حاضر نیز توسط بنیادی به همین نام و با مشارکت داوطلبانه گروهی از متخصصان CFD پشتیبانی می‌شود. به دلیل عدم گردش مالی مشخص و به روزرسانی نرم‌افزار توسط موسسه و شرکتی انتفاعی، توسعه این نرم‌افزار در مقایسه با نرم‌افزارهای تجاری همچون FLUENT و CFX کندتر، و کاربری آن نیز قدری دشوارتر است.

  

نمایی از نرم افزار اختصاصی شده Ope-FOAM

شکل 9- نمایی از نرم‌افزار Open-FOAM

 

شبیه سازی انفجار در نرم افزار اختصاصی شده Open-FOAM

شکل 10- نمایی از نرم‌افزار Shell برای شبیه‌سازی انتشار و انفجار در سکوهای نفتی

 

 نمایی دیگر از نرم‌افزار Shell برای شبیه‌سازی انتشار و انفجار در واحدهای نفت و گاز

 شکل 11- نمایی دیگر از نرم‌افزار Shell برای شبیه‌سازی انتشار و انفجار در سکوهای نفتی

 

-نرم‌افزار Flow-3D

این نرم‌افزار یکی از نرم‌افزارهای پرکاربرد در تحلیل‌های CFD است که با وجود امکان کاربری در فیزیک‌های مختلف، از توانایی بالا و کاربرد گسترده‌تری، در شبیه‌سازی‌های هیدرولیک و ریخته‌گری برخوردار است و به همین دلیل، بسیاری از مهندسان عمران آب و هیدرولیک، از آن بهره می‌برند. انتشار اولین نسخه این نرم‌افزار مربوط به سال‌های 1980 است. به دلیل استفاده از شبکه‌های غیر منطبق بر هندسه[3]، استفاده از آن بر روی هندسه‌های بسیار پیچیده و دارای گوشه‌ها و زوایای تیز، چندان توصیه نمی‌شود. کاربری این نرم‌افزار، در مقایسه با سایر نرم‌افزارهای CFD، بسیار ساده است.

 


شبیه‌سازی هیدرولیک با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D

شکل 12- شبیه‌سازی هیدرولیک با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D 

 

-نرم‌افزار COMSOL

این نرم‌افزار با وجود قدمت نسبتا طولانی، در سال‌های اخیر، از شهرت بالاتری برخوردار شده است. شهرت بیشتر این نرم‌افزار، به خاطر امکان شبیه‌سازی فیزیک‌های چندگانه است. شبیه‌سازی جریان هوا، انتقال حرارت و الکترومغناطیس در یک الکتروموتور، نمونه‌هایی از فیزیک‌های چندگانه‌ای است که در این نرم‌افزار مورد بررسی قرار می‌گیرد. در سال‌های اخیر به تعداد کاربران عمومی این نرم‌افزار، افزوده شده است. مهندسی شیمی، یکی از زمینه‌های اصلی کاربرد این نرم‌افزار است. نرم‌افزار COMSOL، اولین بار در سال 1986، توسط دو متخصص CFD، در استکهلم سوئد بنیان‌گذاری شد، لیکن اولین نسخه شامل فیزیک‌های چندگانه آن، در سال 1998 منتشر گردید. دکتر فرهاد سعیدی یکی از بنیان‌گذاران و مدیرعامل شرکت صاحب‌امتیاز این نرم‌افزار است.

نمایی از نرم‌افزار COMSOL

شکل 13- نمایی از نرم‌افزار COMSOL

-نرم‌افزار NUMECA

این نرم‌افزار نیز با وجود سابقه قابل توجه، در سال‌های اخیر از شهرت، اعتبار و گسترش بالاتری برخوردار شده است. مزیت اصلی این نرم‌افزار، امکان تولید ساده و سریع شبکه محاسباتی و تحلیل نتایج برای انواع تجهیزات توربوماشینری است. به دلیل آسانی شبیه‌سازی همزمان طبقات یک کمپرسور و توربین، این نرم‌افزار از سرعت گسترش بالایی در صنایع مختلف برخوردار است.

شبیه‌سازی پمپ گریز از مرکز در نرم‌افزار NUMECA

شکل 14- شبیه‌سازی پمپ گریز از مرکز در نرم‌افزار NUMECA

 

نرم‌افزارهای مورد استفاده در این کتاب

در نگارش این کتاب، از 6 نرم‌افزار رایج و قدرتمند در زمینه CFD استفاده شده است و تلاش گردیده، با ارائه مثال‌هایی متنوع، در هر نرم‌افزار، مجموعه‌ای برای کاربر فراهم گردد، که به عنوان پایه‌ای برای غالب پروژه‌های CFD، مورد استفاده قرار گیرد. در ادامه، به معرفی نرم‌افزارهای مورد استفاده در این کتاب خواهیم پرداخت.

نرم‌افزار FLUENT

این نرم‌افزار یکی از قدیمی‌ترین نرم‌افزارهای عمومی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که ارائه اولین نسخه آن، مربوط به به سال 1983 و همزمان با نرم‌افزار دیگری به نام Phoenix است. این نرم‌افزار در آغاز، با کاربردهای دانشگاهی و امکانات محدود، بر پایه حل‌گر سازمان یافته ارائه گردید، لیکن در گذر زمان و ارائه نسخه‌های جدید، به مدل‌ها و قابلیت‌های آن اضافه گردید و از نسخه‌های 6 به بعد، امکان شبیه‌سازی بر روی شبکه‌های بدون سازمان فراهم گردید. در سال 2006، این نرم‌افزار توسط شرکت ANSYS خریداری گردید و پس از آن با نام تجاری ANSYS-FLUENT و به صورت بخشی از مجموعه نرم‌افزاری ANSYS منتشر می‌شود.

تاریخچه انتشار و توسعه نرم‌افزار FLUENT

شکل 15- تاریخچه انتشار و توسعه نرم‌افزار FLUENT

 

در حال حاضر، ANSYS برنامه‌های توسعه بسیاری، برای FLUENT در نظر دارد و آخرین نسخه‌ آن (ANSYS FLUENT 16) که به تازگی ارائه گردیده است، از نظر توسعه مدل‌ها، قابل توجه است. با وجود توسعه‌ و بهبود گسترده در نسخه‌های جدید، ساختار کلی و روش‌های شبیه‌سازی، مشابه نسخه‌های پیشین است و در اصول و روش تنظیم مدل و انجام شبیه‌سازی، تفاوت خاصی وجود ندارد. تنها تفاوت اساسی در ساختار نسخه 16، گنجاندن کلیدهای تنظیمات، در نموداری درختی سمت چپ صفحه است که این نمودار نیز از نظر چینش و نوع کلیدها، کاملا مشابه ساختار سلسله ‌مراتبی نسخه‌های پیشین است. بنابراین کاربران نسخه‌های پیشین نرم‌افزار، می‌توانند بدون هیچ مشکلی، از نسخه جدید نیز استفاده کنند. در تالیف این کتاب، غالبا از نسخه‌های 14 و 15 نرم‌افزار و بعضا از نسخه 16 نرم‌افزار استفاده شده است. بنابراین پیشنهاد می‌شود، جهت همخوانی بیشتر منوها و کلیدهای مورد استفاده با تصاویر کتاب، از یکی از نسخه‌های 14 و یا 15 استفاده شود.

نرم‌افزار فلوئنت بر پایه روش‌های حجم محدود و مقادیر ذخیره‌شده در مرکز سلول کار می‌کند و برای تولید شبکه محاسباتی، نیازمند نرم‌افزارهای اختصاصی تولید شبکه مانند Gambit و ICEM-CFD است. در این کتاب، با توجه به آغاز نگارش آن از سال‌های پیش، پیش‌تر از نرم‌افزار گمبیت استفاده شده بود. لیکن با عدم انتشار این نرم‌افزار در سال‌های اخیر و همچنین توانایی‌های بالای نرم‌افزارهای جدید تولید شبکه، غالب بخش‌های تالیف‌شده در گمبیت، حذف و به جای آن‌ها، از نرم‌افزار توانمند و مدرن ICEM-CFD استفاده شده است. با این وجود، به دلیل استفاده گسترده از این نرم‌افزار در کشور تا امروز، دو فصل بر پایه گمبیت، حفظ گردید تا کابران پیشین نرم‌افزار نیز بتوانند از این کتاب بهره برده و علاوه بر آن، به جمع کاربران جدید نرم‌افزار ICEM-CFD بپیوندند. این دو فصل نیز در نسخ آتی بر پایه ICEM-CFD بازنویسی خواهد گردید و نسخه موجود این دو فصل بر پایه گمبیت، به صورت الکترونیکی، در اختیار کاربران پیشین قرار خواهد گرفت.

 

 


نمایی از نرم‌افزار FLUENT- نسخه 15

شکل 16- نمایی از نرم افزار ANSYS-FLUENT نسخه 15

مراحل کلی استفاده از این نرم‌افزار به شرح زیر است:

-تولید شبکه: این بخش در یکی از نرم‌افزارهای تولید شبکه مانند Gambit، ICEM-CFD، TGrid،  Turbo-Grid و یا سایر نرم‌افزارهای مرتبط، تولید و با فرمت msh به نرم‌افزار فراخوانی می‌شود.

-تنظیمات و انجام شبیه‌سازی: این مراحل در نرم‌افزار FLUENT انجام شده و حاصل آن، مقادیر محاسبه‌شده متغیرهای سلولی، در قالب فایلی با پسوند dat خواهد بود.

-مشاهده نتایج: نتایج ذخیره‌شده در فایل dat به صورت مستقیم در نرم‌افزار FLUENT، قابل مشاهده خواهد بود. در کنار آن، می‌توان به منظور تحلیل مناسب‌تر نتایج و استخراج خروجی‌های با کیفیت بالا، از نرم‌افزار اختصاصی تحلیل نتایج ANSYS، با نام CFD-POST نیز استفاده نمود. این نرم‌افزار به صورت مشترک برای نرم‌افزارهای CFX و FLUENT مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

نرم‌افزار CFX

این نرم‌افزار نیز یکی از نرم‌افزارهای نسبتا پرقدمت در تحلیل‌های CFD است که به دلیل توانمندی بالا و قابلیت کاربری آسان، کاربران بسیاری دارد. انتشار نسخه ابتدایی این نرم‌افزار مربوط به سال 1996 بوده که بعدها با خریداری نرم‌افزار TASCflow ، قادر به انجام شبیه‌سازی بر روی شبکه‌های بدون‌سازمان نیز گردید. هدف اولیه آن، انجام شبیه‌سازی‌هایی مربوط به فیزیک‌های هسته‌ای بوده است. نرم‌افزار CFX نیز در حال حاضر، متعلق به خانواده ANSYS بوده و بر پایه دیدگاه حجم محدود و میان‌یابی المان‌محدود، با مقادیر ذخیره‌شده در گره‌های محاسباتی استفاده می‌کند. استفاده از این نرم‌افزار، خصوصا در جریان‌های توربوماشینری و آیرودینامیکی، موجب دستیابی سریع به نتایجی دقیق می‌گردد. به دلیل استفاده از حل‌گر کوپل و ذخیره‌سازی مقادیر در نقاط شبکه، نیازمند حافظه موقت[4] بالاتری نسبت به نرم‌افزار فلوئنت است. همچنین به دلیل استفاده از روش حل کوپل شبه‌گذرا[5] در فیزیک‌های پایا، از همگرایی نسبتا بالاتری در مقایسه با فلوئنت برخوردار است. البته این روش حل از نسخه 14، به نرم‌افزار فلوئنت نیز اضافه گردید، لیکن به نظر می‌رسد، توانایی آن در بهبود همگرایی حل، در مقایسه با نرم‌افزار CFX، پایین‌تر است.‌‌‌ گسترش مدل‌های آشفتگی آن در مقایسه با نرم‌افزار فلوئنت، کمی بیشتر بوده، لیکن در فیزیک‌های خاص مانند جریان در هندسه‌های دارای مرز متحرک و همچنین فیزیک‌های واکنشی، فلوئنت در مقایسه با آن، از توانایی بالاتری برخوردار است. می‌توان گفت در حال حاضر بیشتر کاربران این نرم‌افزار، کاربران صنعتی بوده و در مقایسه با FLUENT، در برخی از صنایع و خصوصا سازندگان تجهیزات دوار، استفاده از آن بیشتر است. مطابق اخبار غیر رسمی اعلام‌شده در یک سمینار اینترنتی توسط شرکت ANSYS، قرار بر ادغام دو نرم‌افزار CFX و FLUENT و ارائه نرم‌‌افزار واحدی در نسخه‌های بالاتر از 15 بود، لیکن این امر تاکنون و نسخه 16 نرم‌افزار، میسر نشده است.

نمایی از نرم‌افزار CFX- نسخه 15

شکل 17-نمایی از نرم‌افزار CFX- نسخه 15

 

نرم‌افزار GAMBIT

این نرم‌افزار یکی از قدیمی‌ترین نرم‌افزارهای تولید شبکه است که به دلیل پایه کارکرد در سیستم عامل لینوکس، نیازمند استفاده از رابط Exceed برای کار در محیط ویندوز است. انتشار این نرم‌افزار پس از خریداری مجموعه FLUENT توسط ANSYS، و انتشار یک نسخه از آن متوقف گردید و پس از سال‌ 2006، نسخه جدیدی از آن ارائه نشده است. به دلیل استفاده گسترده از آن در مجامع صنعتی و دانشگاهی کشور تا امروز، سعی شده است، بخش‌های محدودی از کتاب، بر پایه این نرم‌افزار حفظ گردد تا در ویرایش‌های آتی، به مرور با استفاده از نرم‌افزارهای دیگر، بازنویسی شود. این نرم‌افزار برای تولید شبکه سطحی بدون سازمان، به روش دلانی، نسبت به نرم‌افزار ICEM-CFD دارای مزایایی است. با توجه به عدم انتشار این نرم‌افزار در حال حاضر، آخرین نسخه آن برای استفاده کاربران، بر روی وبسایت شرکت مهندسی پیتِک قرار داده شده است. همچنین برای خوانندگانی که تمایلی به یادگیری این نرم‌افزار ندارند، فایل‌های نهایی شبکه برای دو فصل بر پایه گمبیت، بر روی وب‌سایت شرکت قرار داده شده است.

 

نمایی از نرم‌افزار Gambit- نسخه 2.4

 شکل 18-نمایی از نرم افزار Gambit نسخه 2.4

نرم‌افزار ICEM-CFD

این نرم‌افزار به عنوان زیرمجموعه‌ای از نرم‌افزار ANSYS، یکی از قویترین و پرکاربردترین نرم‌افزارهای تولید شبکه است که در حال حاضر، به صورت گسترده در مجامع علمی و به ویژه مجامع صنعتی جهان، مورد استفاده قرار می‌گیرد. توانایی‌های گسترده این نرم‌افزار در تولید شبکه‌های سازمان‌یافته و بدون‌سازمان و همچنین رابطه جامع و بدون نقص آن در فراخوانی هندسه‌های تولید شده در سایر نرم‌افزارهای تولید هندسه مانند CATIA و Solidworks، موجب شده است، بتوان از آن در غالب پروژه‌های CFD استفاده نمود. شرکت‌های معتبر بسیاری مانند جنرال الکتریک، ناسا، مرسدس‌بنز، فورد و بسیاری از سازندگان خودروهای فرمول یک، جز کاربران این نرم‌افزار اند.

قابل ذکر است ICEM-CFD با وجود توانایی بالای تولید شبکه، در تولید هندسه و مدل، از قدرت و مانورپذیری بالایی برخوردار نیست، اما به تازگی و با خریداری نرم‌افزار SpaceClaim توسط شرکت ANSYS و ارتباط آسان آن با ICEM-CFD، بسیاری از ضعف‌های تولید هندسه در ICEM-CFD نیز برطرف شده است.

نمایی از نرم‌افزار ICEM-CFD- نسخه 15

شکل 19-نمایی از نرم‌افزار ICEM-CFD- نسخه 15

 

نرم‌افزار TGrid

این نرم‌افزار که در حال حاضر، با نام FLUENT-Meshing نیز شناخته می‌شود، یکی از نرم‌افزارهای قدرتمند در زمینه تولید شبکه‌های بدون سازمان است و همزمان با نرم‌افزارFLUENT  نصب گردیده و از طریق صفحه ورودی آن، قابل اجراست. این نرم‌افزار دارای رابط کاربری نسبتا ساده ‌ایست که با استفاده از آن، می‌توان شبکه‌های بدون‌سازمان و لایه‌مرزی را بر روی هندسه‌های سه‌بعدی، به آسانی و با سرعت بالایی تولید نمود. در نسخه‌های جدید نرم‌افزار، برخی از قابلیت‌های نرم‌افزار ICEM-CFD نیز به آن اضافه شده است. در حال حاضر، امکان تولید هندسه در این نرم‌افزار وجود ندارد، لیکن با استفاده از رابط هندسی اضافه شده در نسخه 5/14، می‌توان به آسانی، هندسه‌های تولید شده در نرم‌افزارهای رایج تولید هندسه را در آن وارد نمود. همچنین در نسخه 16 آن، امکانات جدیدی برای تصحیح و ویرایش هندسی مدل، به آن اضافه گردیده است. با توجه به تغییرات گسترده ساختار و رابط کاربری در نسخه 16، توصیه می‌شود، تنها از نسخه‌های 14، 5/14 و یا 15، برای انجام فصل آموزش این نرم‌افزار استفاده شود.

 


نمایی از نرم‌افزار TGrid-نسخه 15

شکل 21- نمایی از نرم افزار تولید شبکه TGrid

نرم‌افزار CFD-POST

در گذشته، از این نرم‌افزار برای تحلیل و تولید خروجی‌های نرم‌افزار CFX استفاده می‌گردید، لیکن با توجه به قابلیت‌های فراوان آن، امروزه به عنوان نرم‌افزار اصلی تحلیل و استخراج نتایج، در هر دو نرم‌افزار FLUENT و CFX مطرح است. این نرم‌افزار بر خلاف نرم‌افزار FLUENT، قادر است تصاویری با کیفیت و جلوه‌های ویژه ارائه دهد و همچنین با استفاده از آن، می‌توان انیمیشن‌هایی با کیفیت HD و تعداد دلخواه فریم بر ثانیه تولید نمود. با توجه به گسترش استفاده از این نرم‌افزار، بخش‌هایی از کتاب، بر پایه آن ارائه گردیده‌ است. این نرم‌افزار همراه با نرم‌افزار ANSYS قابل نصب و استفاده است.

نمایی از نرم‌افزار CFD-Post-نسخه 15 

شکل 21-نمایی از نرم‌افزار CFD-Post-نسخه 15



[1] Computational Fluid Dynamics

[2] Computational Fluid Dynamics

[3] Non Body Fitted

[4] RAM Memory

[5] Pseudo Transient Coupled

 

 

 

X
لطفا در صورت تمایل به دریافت خبرنامه‌های مهندسی و آموزشی شرکت و اطلاع از وضعیت دوره‌های در حال برگزاری، اطلاعات زیر را وارد کنید. کلیه اطلاعات شما، با حفظ امانت، نزد شرکت خدمات مهندسی و آموزشی پیتِک نگه‌داری می‌شود.
نام و نام خانوادگی
پست الکترونیک
تلفن همراه
زمینه تخصصی

ورود

کتاب ترموفلو مهندس سعادتی 

 

کانال تلگرام پیتِک 

 

 

 دریافت اطلاعات کتاب مبانی شیرین سازی آب- نگین بهشت کار