info[at]alfaproject[dot]ir
09394364184

معرفی نرم افزار فلوئنت

10 دی, 1395

 دینامیک سیالات محاسباتی
دینامیک محاسباتی سیالات یا (Computational fluid dynamics )CFD یکی از بزرگ ‌ترین زمینه‌هایی است که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی‌های نوین محاسباتی آن در نیمه ی دوم قرن بیستم و در سده ی جدید میلادی وصل می‌کند. 
تاریخچه
سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک محاسباتی سیالات را نمی‌توان جدای از تاریخ اختراع، رواج و تکامل کامپیوترهای ارقامی نقل کرد. تا حدود انتهای جنگ جهانی دوم، بیشتر شیوه‌های مربوط به حل مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بود. همچون تمامی نوآوری‌های برجسته ی علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک محاسباتی سیالات نامیسر است. در اغلب موارد، نخستین کار با اهمیت در این رشته را به ریچاردسون نسبت می‌دهند، که در سال ۱۹۱۰ (میلادی) محاسبات مربوط به نحوه پخش تنش در یک سد ساخته ‌شده از مصالح بنایی را به انجام رسانید.
در این کار ریچاردسون از روشی تازه موسوم به رهاسازی برای حل معادله لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوه ی حل عددی، داده‌های فراهم‌آمده از مرحله ی پیشین تکرار را برای تازه ‌سازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید به کار می‌گرفت. 
مکانیزم عملکردی دینامیک سیالات محاسباتی 
در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره‌ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری امکان حل عددی این معادلات فراهم می‌شود. با تقسیم ناحیه مورد نظر برای تحلیل به المان‌های کوچک‌تر و اعمال شرایط مرزی برای گره‌های مرزی با اعمال تقریب‌هایی یک دستگاه معادلات خطی بدست می‌آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه مورد نظر بدست می‌آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می‌توان برآیند نیروهای وارد بر سطوح، ضرایب برا و پسا و ضریب انتقال حرارت را محاسبه نمود. در دینامیک محاسباتی سیالات از روش ها و الگوریتم های مختلفی جهت رسیدن به جواب بهره می‌برند، ولی در تمامی موارد، دامنه مساله را به تعداد زیادی اجزا کوچک تقسیم می‌کنند و برای هر یک از این اجزا مساله را حل می‌کنند. پس از رسم یک ۱۰۰ ضلعی منتظم مشاهده می شود که شکل حاصل مشابه دایره است. با افزایش تعداد اضلاع این شباهت بیشتر خواهد شد. در حقیقت این پدیده در مبحث دینامیک سیالات محاسباتی  نیز مفهوم خواهد داشت. به این معنی که هر چقدر اندازه ی المان هاکوچکتر در نظر گرفته شود نتایج حاصل شده دقیق تر خواهد بود ولی در عوض حجم محاسبات افزایش خواهد یافت.
روش‌های عددی مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی 
روش المان‌های محدود
روش حجم محدود
روش تفاضلات محدود
روش‌های طیفی
 
در میان این روش‌ها روش حجم محدود دارای کاربرد بیشتری بخصوص در مدل سازی جریان‌های تراکم ناپذیر می‌باشد. بیشتر نرم‌ افزارهای تجاری در زمینه دینامیک محاسباتی سیالات نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند.
 کاربردهای دینامیک سیالات محاسباتی 
اکنون روش دینامیک محاسباتی سیالات جای خود را در میان روش‌های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات و انتقال حرارت باز کرده‌است و استفاده از این روش‌ها برای انجام تحلیل‌های مهندسی امری عادی شده است. 
دینامیک محاسباتی سیالات بصورت گسترده در زمینه‌های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می‌شود. از جمله این موارد می‌توان به صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، توربوماشین‌ها، صنایع هسته‌ای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و انرژی و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره نمود که دانش دینامیک محاسباتی سیالات به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است.
 معرفی نرم افزار فلوئنت
نرم‌افزار فلوئنت (FLUENT) ، ‌اوج هنر برنامه‌ نویسی برای مدل کردن جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه ‌های پیچیده می‌باشد. این نرم‌افزار امکان تغییر شبکه، به صورت کامل و تحلیل جریان با شبکه ‌های غیرساخت‌یافته برای هندسه‌های پیچیده را فراهم می‌سازد. نرم افزار فلوئنت (FLUENT) در حال حاضر پر کاربرد ترین نرم افزار در کشور ما در زمینه شبیه سازی مکانیک سیالات و انتقال حرارت هست که در طیف وسیعی از رشته ها مثل مکانیک، هوافضا، مهندسی شیمی، عمران آب و غیره (به طور کلی هر جا نیاز به شبیه سازی جریان سیالات باشد) استفاده می شود. این برنامه قابلیت های زیادی دارد و طیف وسیعی از مسائل سیالاتی و انتقال حرارتی رو پوشش می دهد. استفاده موفقیت آمیز از این نرم افزار نیاز به دانش کافی از مکانیک سیالات و البته آشنایی با  Computational Fluid Dynamics  دارد.
این نرم افزار یکی از نرم افزارهای صنعتی مشهور می باشد که دارای قابلیت های فراوانی در تحلیل سیالات است. این نرم افزار قابلیت مدل سازی جریان های دو و سه بعدی را دارا می باشد. برای استفاده از ورژن های قدیمی این نرم افزار ابتدا توسط یک نرم افزار کمکی مانند Gambit یا نرم افزارهای CAD، هندسه جریان مشخص می گردد و عمل مش بندی نیز صورت می گیرد. نرم افزار فلوئنت (FLUENT) از خروجی نرم افزار Gambit استفاده می نماید. اما در ورژن های جدید این نرم افزار که تحت مجموعه نرم افزار انسیس منتشر می شود نیازی به نرم افزار های کمکی ندارد.
این نرم افزار قابلیت انجام محاسبات با دقت معمولی و دقت مضاعف را دارد و کاربر می تواند هر کدام را بر اساس نیاز خود انتخاب نماید. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریان های دائم و غیر دائم، جریان لزج و غیر لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر، فلوئنت (FLUENT) را به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور تبدیل نموده است. آزمایشات عملی و محاسبات تئوری، دو روش اصلی و مشخص برای پیش بینی میزان انتقال حرارت و چگونگی جریان سیال در کاربردهای مختلف صنعتی و تحقیقاتی می باشند. در اندازه گیری های تجربی به دلیل هزینه های زیاد ترجیح داده می شود که آزمایش ها بر روی مدلی با مقیاس کوچکتر از نسخه اصلی انجام پذیرد. حذف پیچیدگی ها و ساده سازی آزمایش ها، خطای دستگاه های اندازه گیری و بعضی موانع در راه اندازه گیری از جمله مشکلاتی هستند که روش های عملی با آنها رو به رو هستند و کارآیی این حالت ها را در بعضی موارد، مورد سوال قرار می دهند. مهمترین امتیاز محاسبات تئوری در مقایسه با آزمایش های تجربی، هزینه کم آن است. گرچه در بسیاری موارد ترجیح داده می شود با استفاده از روش های محاسباتی، آنالیز جریان و انتقال حرارت صورت گیرد ولی تایید تحلیل های عددی نیاز به مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و یا نتایج تایید شده دیگری دارد. در میان محققین، انجام پژوهش های تجربی ارزش بسیاری دارد و اگر بتوان آزمایش مطلوبی انجام داد، تحلیل های زیادی را بر محور آنها می توان گسترش داد و اطلاعات فراوانی بدست آورد. در هر صورت با دسترسی به دستگاه های محاسبه گر و رایانه های قوی، امروزه در بسیاری از موارد آنالیز دینامیک سیالات و انتقال حرارت با روش های عددی انجام می پذیرد. هرچه پدیده مورد بررسی پیچیدگی بیشتری داشته باشد، روش های عددی اهمیت بیشتری پیدا می کنند. علاوه بر سرعت بیشتر محاسبات عددی، می توان با این روش ها اطلاعات کامل با جزئیات بیشتر، از قبیل تغییرات سرعت، فشار، درجه حرارت و غیره را در سراسر حوزه مورد نظر به دست آورد. در مقابل، اغلب اوقات، شبیه سازی آزمایشگاهی جهت بدست آوردن این گونه اطلاعات مشکل و مستلزم صرف زمان زیاد بوده و در بعضی شرایط غیر ممکن است. در اکثر مسایل مربوط به مکانیک سیالات، به دلیل پیچیدگی معادلات مربوطه، استفاده از حل تحلیلی امکان پذیر نمی باشد.
فلوئنت (FLUENT) یک نرم افزار چند منظوره برای مدل سازی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی نوشته شده است. با توجه به محیط مناسب نرم افزار جهت تعریف مساله و شرایط های پیچیده، تعریف شرایط مرزی گوناگون و حل مسایل پیچیده شامل تاثیر پدیده های مختلف به کمک این نرم افزار قابل حل می باشد.
فلوئنت (FLUENT) برای تحلیل مسایل خاص، روش های شبیه سازی کامپیوتری متفاوتی را بکار می برد و نرم افزار برای راحتی کار، تعریف مساله، محاسبه و دیدن نتایج، منوهای مختلفی درنظر گرفته شده است. وقتی نیاز باشد فلوئنت (FLUENT)  می تواند مدل مورد نظر را از دیگر نرم افزارهای تولید مدل که با آنها سازگاری دارد وارد کند. این نرم افزار امکان تغییر مش بندی به صورت کامل و تحلیل جریان با مش بندی های پیچیده را فراهم می سازد. نوع مش های قابل تولید و دریافت توسط این نرم افزار شامل مش های با المان های مثلثی و چهار ضلعی (برای هندسه های دو بعدی) و چهار وجهی، شش وجهی، هرمی یا گوه ای (برای هندسه های سه بعدی) می باشد.
همچنین فلوئنت (FLUENT) به کاربر اجازه دستکاری مش (مثلا ریزکردن یا درشت کردن مش در مرز و مکان های لازم در هندسه) را می دهد. این نرم افزار قابلیتی را در اختیار کاربر قرار می دهد که در نواحی که دارای گرادیان های بزرگ (مثل لایه مرزی و…) باشند، مش دقیقتری را ایجاد کند. این قابلیت ها مدت زمان تحلیل را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.
این نرم افزار با زبان برنامه نویسی C نوشته شده است و از تمامی توان و قابلیت انعطاف این زبان بهره می برد. در نتیجه این نرم افزار با استفاده از ساختار مناسب داده ها و اطلاعات، حافظه دینامیک و کنترل انعطاف پذیر محاسبات را ممکن می سازد. این نرم افزار هم اکنون تحت نرم افزار ANSYS ارائه می گردد و با محیط های مختلف آن ارتباط دو سویه دارد. از این قابلیت می توان برای تحلیل مسائل FSI(Fluid Structure Interaction) استفاده نمود.
3_3_1_ مراحل کاری برنامه‌ی فلوئنت
     مراحل کاری تمام برنامه‌های CFD ازجمله فلوئنت (FLUENT) به‌صورت زیر است:
 تعریف هندسه
 تولید شبکه‌بندی
 جریان پایدار – ناپایدار
 جریان آرام – آشفته
 جریان دوبعدی یا سه‌بعدی
 جریان تک فازی یا چند فازی
 تراکم پذیر – تراکم ناپذیر
 انتقال حرارت (معادله‌ی انرژی)
 خواص مواد
 شرایط مرزی
 حل‌کننده فلوئنت (FLUENT)
3_3_2_ قابلیت‌های برنامه‌ی فلوئنت
    نرم‌افزار FLUENT قابلیت شبیه‌سازی و مدل کردن موارد زیر را دارد:
 جریان در هندسه‌های پیچیده دوبعدی و سه‌بعدی با امکان بهینه‌سازی حل و شبکه؛
 جریان تراکم پذیر و تراکم ناپذیر؛
 تحلیل پایا یا گذرا؛
 جریان‌های لزج، آرام و متلاطم؛
 سیال‌های نیوتنی و غیر نیوتنی؛
 انتقال حرارت جابجایی، جابجایی آزاد یا اجباری؛
 ترکیب انتقال حرارت جابجایی/ هدایتی؛
 انتقال حرارت تشعشعی؛
 مدل فریم‌های چرخان یا ساکن؛
 شبکه‌های لغزان و شبکه‌های متحرک؛
 واکنش‌های ترکیبات شیمیایی، شامل احتراق و مدل‌های واکنشی؛
 اضافه کردن ترم‌های اختیاری حجمی از گرما، جرم، ممنتوم، اغتشاش و ترکیبات شیمیایی؛
 جریان در محیط متخلخل؛
 مبدل‌های حرارتی، دمنده‌ها، رادیاتورها و بازده آن‌ها؛
 جریان‌های دوفازی، چندفازی (Multi phase)؛ و
 جریان‌های سطح آزاد (Free surface) با شکل‌های سطح پیچیده.
 

تمامی حقوق این سایت متعلق است به گروه آلفا پروژه .

%d وب‌نوشت‌نویس این را دوست دارند: