مقدمه‌ای بر CFD و نرم‌افزارهای شبیه‌سازی_بخش ۳

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 ۱۹۹۶ 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 RAM Memory بالاتری نسبت به نرم‌افزار فلوئنت است.

همچنین به دلیل استفاده از روش حل کوپل شبه‌گذرا Pseudo Transient Coupled در فیزیک‌های پایا، از همگرایی نسبتا بالاتری در مقایسه با فلوئنت برخوردار است. البته این روش حل از نسخه ۱۴، 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 ۱۵ بود، لیکن این امر تاکنون و نسخه ۱۶ نرم‌افزار، میسر نشده است.

شکل ۱۷-نمایی از نرم‌افزار CFX- نسخه ۱۵

 

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 ۲۰۰۶، 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.

شکل ۱۸-نمایی از نرم‌افزار Gambit- نسخه ۴/۲

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.

شکل ۱۹-نمایی از نرم‌افزار ICEM-CFD- نسخه ۱۵

 

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 ۵/۱۴، می‌توان به آسانی، هندسه‌های تولید شده در نرم‌افزارهای رایج تولید هندسه را در آن وارد نمود.

همچنین در نسخه ۱۶ 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 ۱۶، توصیه می‌شود، تنها از نسخه‌های ۱۴، ۵/۱۴ و یا ۱۵، برای انجام فصل آموزش این نرم‌افزار استفاده شود.

شکل ۲۰-نمایی از نرم‌افزار TGrid-نسخه ۱۵

 

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.

شکل ۲۱-نمایی از نرم‌افزار CFD-Post-نسخه ۱۵

روش استفاده صحیح از این کتاب

کتاب پیش‌رو یکی از کتاب‌های متفاوت در زمینه آموزش نرم‌افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی است که شاید برای اولین بار به صورت تالیفی و نه ترجمه کامل ارائه می‌گردد. از ابتدا قرار بر ارائه کتابی در سطح پیشرفته فلوئنت بود، لیکن به پیشنهاد برخی از دانشجویان و همکاران، بخش‌هایی برای فلوئنت مقدماتی نیز به آن اضافه گردید. پس از آن به دلیل کاربردهای بسیار نرم‌افزارهای CFX و TGrid، بخش‌هایی در این خصوص نیز به آن اضافه گردید. به دلیل برخی تغییرات و حذف و اضافه‌شدن فصول کتاب در طی مدت زمان نگارش، ممکن است ساختار و روند ارائه مطالب، با برخی کتاب‌های رایج در این خصوص متفاوت باشد. در این بخش، بر آنیم تا با ارائه معرفی کلی از فصول کتاب، روشی پیشنهاد کنیم، که بر طبق آن، مخاطبان بتوانند، حداکثر بهره ممکن را از کتاب ببرند.

 

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز