Ansys CFD (Computational Fluid Dynamics)
ANSYS CFD предоставляет наиболее полный доступ к инструментам для решения задач гидродинамики и включает в себя весь функционал программных продуктов Ansys Fluent, CFX, Forte и Polyflow.
С помощью ANSYS CFD возможно подробное и максимально точное моделирование самых сложных процессов, связанных с физикой жидкости и газа. Пользователи могут решать различные задачи, учитывая вязкие и турбулентные течения, внешнее обтекание, анализ шумовых характеристик, многофазные течения, теплообмен, горение, химические реакции и многое другое.
ANSYS CFD интегрирован в расчетную платформу Ansys Workbench, служащую для проведения параметрических и междисциплинарных расчетов. Архитектура Workbench позволяет проводить как независимый анализ течения жидкостей и газа, так и расчет комплексных моделей, используя несколько решателей из различных разделов физики, например, анализ влияния потоков на напряженно-деформированное состояние конструкции (FSI).
При помощи лицензий ANSYS HPC, программные продукты, входящие в состав ANSYS СFD позволяют достигать максимальной производительности вычислительных ресурсов при выполнении распараллеленных расчетов на моделях с большим числом степеней свободы, в том числе с использованием графических ядер GPU. ANSYS HPC максимально эффективно использует архитектуру процессоров, оптимизирует баланс нагрузки и скорость передачи данных для максимально быстрого достижения результатов на самых разнообразных расчетных моделях.
ANSYS CFD, Моделирование течений жидкости и газа
ANSYS CFD предоставляет наиболее полный доступ к современным инструментам для решения задач гидродинамики и включает в себя весь функционал программных продуктов ANSYS Fluent, CFX, Forte и Polyflow.
Расчетные возможности ANSYS 2020 R2 (скачать PDF)
Точное решение сложных моделей
С помощью ANSYS CFD возможно подробное и максимально точное моделирование самых сложных процессов, связанных с физикой жидкости и газа. Пользователи могут решать различные задачи, учитывая вязкие и турбулентные течения, внешнее обтекание, анализ шумовых характеристик, многофазные течения, теплообмен, горение, химические реакции и многое другое.
Расчет рабочего цикла в цилиндре двигателя внутреннего сгорания
Рабочая среда
ANSYS CFD интегрирован в расчетную платформу ANSYS Workbench, служащую для проведения параметрических и междисциплинарных расчетов. Архитектура Workbench позволяет проводить как независимый анализ течения жидкостей и газа, так и расчет комплексных моделей, используя несколько решателей из различных разделов физики, например, анализ влияния потоков на напряженно-деформированное состояние конструкции (FSI).
Схема проекта взаимодействия потока жидкости и конструкции в ANSYS Workbench
Высокопроизводительные расчеты
При помощи лицензий ANSYS HPC, программные продукты, входящие в состав ANSYS СFD позволяют достигать максимальной производительности вычислительных ресурсов при выполнении распараллеленных расчетов на моделях с большим числом степеней свободы, в том числе с использованием графических ядер GPU. ANSYS HPC максимально эффективно использует архитектуру процессоров, оптимизирует баланс нагрузки и скорость передачи данных для максимально быстрого достижения результатов на самых разнообразных расчетных моделях.
ANSYS CFD: Серьезные задачи вычислительной гидродинамики требуют соответствующего программного обеспечения
Вычислительная гидрогазодинамика или CFD (Computational Fluid Dynamics) – это удивительно гибкий и точный инструмент широкого
Гидродинамика
Флагманский продукт Ansys в области CFD, набор мощных решателей и пре-/постпроцессоров для моделирования течений жидкостей и газов с учетом турбулентности, межфазного взаимодействия, химических реакций, горения и виброакустических эффектов.
CFD-пакет общего назначения для моделирования течения жидкостей и газов с учетом турбулентности, теплообмена, межфазных взаимодействий, химических реакций и горения.
«Золотой стандарт» моделирования сложных химических реакций в газовой фазе и на поверхности, применяемый в проектировании камер сгорания автомобильных и газотурбинных двигателей, а также оборудования химической промышленности.
Программный модуль для построения параметрических геометрических моделей насосов, компрессоров, вентиляторов, турбин и других лопаточных машин.
Препроцессор для генерации больших сеток для CFD-анализа с возможностью исправления импортированной CAD-геометрии и распараллеливания процесса построения.
Сеточный препроцессор, позволяющий в автоматическом режиме создавать гексаэдральные сетки высокой детализации для лопаточных машин любого типа.
Программный модуль для экспресс-анализа характеристик течения в проточной части турбомашины путем решения в меридиональной плоскости двумерных уравнений Эйлера, осредненных в окружном направлении.
Специальный программный пакет для моделирования технологических процессов термоформования и экструзии в производстве изделий из полимеров, резины и стекла.
Программный модуль для расчета аэродинамики и обледенения летательных аппаратов и турбореактивных двигателей и оценки эффективности противообледенительных и антиобледенительных систем.
Инструмент моделирования процессов горения в двигателях внутреннего сгорания с учетом различных свойств топлива.
Обширная библиотека кинетических моделей, описывающих химические реакции с 65 различными топливными компонентами, для моделирования двигателей внутреннего сгорания.
Новые возможности ANSYS CFD 2019R1
ANSYS Fluent
Пользовательский интерфейс
Новый вид пользовательского интерфейса
По часовой стрелке начиная слева: серый градиент, Workbench, белый, черный
Пре-процессинг
Разработчики Fluent продолжают развивать идею единого рабочего окна, в котором содержатся все основные инструменты, необходимые для успешного выполнения CFD-анализа. В частности, в релизе 19.2 был анонсирован новый пошаговый шаблон для «чистой» геометрии.
Новый подход к моделированию в Fluent
В новой версии 2019 R 1 в пошаговый шаблон разработчики Fluent добавили несколько важных возможностей, а именно:
— Дополнительные опции по заданию локальных размеров:
— Поддержка периодических граничных условий. Может быть полезно в случае расчета периодического сектора камеры сгорания;
— Поддержка сборок и моделей без общей топологии;
Обновленный пошаговый шаблон
Теперь в новой версии пошаговый шаблон включает в себя возможность распараллеливания сетки, построенной с использованием метода poly-hexcore. Распараллелить сетку возможно за счет подключения опции “Enable Parallel Meshing” на этапе создания объемной сетки (Create Volume Mesh).
Новая опция по распараллеливанию сетки « Enable Parallel Meshing »
Тесты показали, высокий прирост скорости до
2.5 млн. ячеек / мин на 16 ядрах. Обычно требуется
Как можно видеть, наблюдается существенный прирост в скорости даже при распараллеливании сеточной модели на 56 ядер, с сохранением качества сетки на высоком уровне.
В следующем примере сетка строилась для половины болида F 1 и для полной геометрической модели. Полная модель болида F 1 состояла из 220 млн. ячеек и была построена меньше чем за 2 часа на 16 ядрах и практически за час на 64 ядрах.
В версии 2019 R 1 будет доступен новый отказоустойчивый шаблон, который позволяет работать с «грязной» геометрией, имеющей большое количество отверстий, пересечений и т.д. Такой шаблон будет особенно полезен тем, кто занимается внешней аэродинамикой, расчетом подкапотного пространства и т. д.
Пошаговый шаблон в Fluent Meshing
Шаблон Fault Tolerant подходит для:
Операция Mesh Check в Fluent Meshing позволяет проводить многокритериальную проверку сетки на её пригодность к моделированию. Однако, иногда при работе с большими сетками удобнее сначала проверить отдельные части сеточной модели или проверить модель на наличие определенных сеточных ошибок, чтобы получить быстрое представление о том, какие существуют основные проблемы, которые необходимо исправить.
Проверка сетки с использованием Selective Mesh Check
С помощью новой опции Selective Mesh Check возможно осуществить проверку по выбранным критериям или ограничить проверку только для выбранных сеточных зон. Команда полной проверки сетки все еще доступна для окончательной проверки.
Улучшения рабочего процесса
В новой версии 2019 R 1 возможность создания выражений стала доступна на полнофункциональном уровне. Выражения возможно использовать для большинства граничных условий и сеточных зон, где пользователю необходимо задать профиль и произвести параметризацию.
Создание выражений во Fluent
Выражения определяются похожим образом, также как в CFX и позволяют инженерам задавать функциональную зависимость от времени, пространственных координат, а также использовать в выражениях встроенные переменные, различные физические константы или создавать свои собственные переменные на основе имеющихся.
Изменения также коснулись сеточной адаптации. Сеточная адаптация в Fluent позволяет динамически сгущать/загрублять сетку для лучшего разрешения деталей течения, позволяя уменьшить общее количество сеточных элементов.
Более удобная сеточная адаптация
В новой версии 2019R1 разработчики ANSYS серьезно переработали сеточную адаптацию, делая её более гибкой и простой в использовании.
Кроме того, в новом релизе разработчики упростили процесс задания настроек сеточной адаптации, за счет уменьшения количества диалоговых окон, которые необходимо открыть для осуществления настройки. Ранее, определение регистров ячеек и некоторые настройки адаптации задавались в разных диалоговых окнах.
Измененные входные параметры для адаптации
Теперь в новом релизе все настройки, которые относятся к определению регистров находятся в едином окне. Также разработчики решили объединить в отдельной панели задач настройки, связанные с критериями адаптации.
Также перечислим основные улучшения пользовательского интерфейса:
Общие улучшения пользовательского интерфейса
Улучшения решателя
В новом релизе 2019 R 1 появилось два существенных улучшения, касающиеся граничных условий. Во-первых, на границе типа Pressure Inlet вы можете подключить опцию, которая будет предотвращать появление возвратного течения. Fluent принудительно присваивает условия стенки на всех гранях, где происходит возвратное течение.
Новая опция Prevent Reverse Flow для ГУ Pressure Inlet
Улучшения нестационарных расчетов
ANSYS внедрил ряд усовершенствований, которые позволяют сократить время выполнения нестационарных расчетов в Fluent для различных типов задач.
В релизе 2019 R1 была анонсирована новая настройка Accelerated Time Marching для схемы NITA, позволяющая ускорить расчет при использовании модели турбулентности LES для задач, в которых на стенке не строится призматический слой. Тестовый пример показал ускорение расчета в 5 раз при использовании нового подхода, по сравнению с использованием итеративной схемы SIMPLEC. Точность расчетов при использовании разных подходов получилась сопоставимой.
Ускорение нестационарных расчетов с использованием новой настройки Accelerated Time Marching
В будущем разработчики планируют использовать данный подход для других задач.
Для задач горения появилась новая команда, которая позволяет оптимизировать порядок уравнений при расчете течений с переменной плотностью (/solve/set/equation-ordering optimized-for-volumetric-expansion). Решая уравнения с оптимизированным порядком, удается снизить число итераций для достижения сходимости на временном шаге. Тестирование на промышленных задачах показало, что удается ускорить расчеты в 2 раза по сравнению с предыдущими бенчмарками. Это позволяет конкурировать с другими расчетными пакетами, которые специализируются на расчете задач горения.
Появилось два новых метода для подбора размера временного шага в Fluent Fixed-Period и CFL Based. Метод Fixed-Period подходит для периодических течений, особенно для задач турбомашиностроения, где правильнее указывать размер временного шага относительно характерного периода вращения ротора.
Новые методы подбора временного шага
Метод CFL Based позволяет автоматически подобрать размер временного шага таким образом, чтобы он удовлетворял критерию Куранта, основываясь на пользовательских входных данных. Данный метод особенно полезен в случае использования сеточной адаптации, так как число Куранта зависит от размера ячейки сетки. Стоит заметить, что метод CFL-based совместим с нестационарными схемами 1-го и 2-го порядка.
Если вы загрузили задачу, которая была выполнена в предыдущем релизе, то для подключения переменного временного шага для схемы 2-го порядка необходимо использовать следующую команду: /solve/set/second-order-time-options yes
В случае применения метода Fixed-Periodic пользователь указывает характерную частоту или период, количество временных шагов за один период и общее число периодов необходимое для запуска расчета. Fluent рассчитывает размер временного шага и общее количество шагов. Выходные данные при этом будут отображаться на панели задач Run Calculation.
Настройки метода Fixed Periodic
Входные данные для метода CFL-based задаются похожим образом, как и для метода adaptive time-stepping за исключением, того что вместо ошибки округления (truncation error tolerance) задается число Куранта.
Настройки метода CFL Based
Обтекание обратного уступа
Изменение размера временного шага в процессе расчета
Как упоминалось ранее, метод подбора временного шага CFL Based особенно полезно использовать совместно с сеточной адаптацией, как было сделано для верхнего примера с обтеканием обратного уступа, предоставленного компанией Colella-Woodward. Оптимальный временной шаг значительно меняется по мере выполнения расчета. Одно из преимуществ метода подбора шага CFL Based при использовании его совместно с динамической адаптацией сетки заключается в том, что такой подход позволяет Fluent разрешать нестабильности, которые появляются в верхней части расчетной области и при этом не нужно использовать схемы высокого порядка.
Новом релизе Fluent теперь позволяет выполнять мониторинг решения, осуществлять экспорт данных и создавать анимации, основываясь на физическом времени течения, а не на конкретном временном шаге. Это позволяет упростить мониторинг расчета и постобработку для задач, в которых используется переменный временной шаг.
Пост-обработка основанная на физическом времени течения
Обратите внимание, что в релизе 2019R1 Fluent не будет корректировать временной шаг, гарантируя осуществление конкретной операция в точно указанное физическое время течения. Вместо этого операция будет осуществлена на следующем ближайшем шаге.
Теперь при использовании модели SBES с новой настройкой Update Interval удается значительно ускорить расчет. Как правило, 20%-30% времени расходуется на моделирование турбулентности и большая часть этого времени тратится на обновление моделей RANS.
Ускорение SBES за счет использования новой опции RANS Update Interval
Уравнения RANS могут обновляться реже без значимого влияния на результаты расчета, что особенно актуально для течений с малым числом Куранта. Тестовый расчет, выполненный с использованием модели DrivAer показал, что обновляя уравнения k-omega каждый 5-ый шаг общее время расчета снижается на
Физические явления
Моделирование распыла
Разработчики ANSYS постоянно работают над расширением возможностей моделирования систем нейтрализации выхлопных газов. В версии 2019 R1 внедрены модели отделения (реэкстракции) и кромочного отрыва для пленочной модели Лагранжа, с целью повышения точности моделирования систем избирательной каталитической нейтрализации и других систем, в которых происходит распыление аэрозолей.
Моделирование взаимодействия аэрозоля и стенки
Распространение акустических волн в средней зоне (Mid-Field)
Для моделирования распространения акустических волн в средней зоне обтекания тела, где присутствуют неоднородности потока, а также возможны отражения от поверхностей, предложены новые уравнения волнового решателя. Такой подход предлагает альтернативу для решения сжимаемых потоков, позволяющую уточнить распространения волн в средней зоне, где не подходит решатель акустического анализа FWH (Ffowcs-Williams & Hawkings).
Схема расположения средней зоны (Mid-field) в задаче внешнего обтекания
Коррозия и электрохимические реакции
Для моделирования коррозии и электрохимических реакций, разработчики добавили возможность уточнять температурозависимые параметры и использовать UDF для уравнений Батлера-Волмера. Это позволяет точнее моделировать промышленные задачи, в которых данные параметры не могут быть установлены в виде постоянных величин.
Индукционный нагрев с использованием System Coupling
Расчет индукционного нагрева важен для коммерческих и частных печей, кухонных плит, а также для определенных задач в сфере электротехники.
Точное моделирование индукционного нагрева требует двустороннего сопряжения: учет потерь в электромагнитном расчете и расчет теплового состояния в газодинамическом расчете.
На данный момент у пользователей имеется возможность производить такое двустороннее сопряжение, используя модуль System Coupling. Данный подход сопрягает решатель 3D eddy current solver модуля Maxwell и трехмерный стационарный/нестационарный решатель во Fluent.
Распределение температуры внутри катушки индуктивности
Эрозия
В 2019 R1 появилась возможность моделирования абразивной эрозии с помощью многофазной постановки совместно с моделью динамической сетки. В новой версии возможен учет эффектов экранирования. Данные эффекты снижают скорость эрозии за счет накопления гранулированной фазы на стенках.
Сравнение скорости эрозии с подключенной и отключенной моделью учета экранирования
Сопряженный теплообмен
Два важных улучшения были введены для задач сопряженного теплообмена.
Для задач оболочечной теплопроводности, информация об оболочках теперь может быть сохранена в файл расчета. При таком подходе значительно уменьшается время последующего чтения файла, так как после единоразового прочтения сетки больше нет необходимости повторного создания оболочек.
Для mapped интерфейсов между жидкостью и твердым телом теперь используется неявная связь. Такая связь позволяет значительно улучшить сходимость сложных расчетов.
Модель излучения Monte Carlo
Модель излучения Монте Карло теперь совместима с полностью перекрывающимися mapped интерфейсами, а также с моделью расчета солнечного излучения Solar Load. Ко всему прочему, в новой версии была улучшена производительность модели.
Данные улучшения позволяют широко использовать модель Монте-Карло при проведении теплового расчета ламп или других осветительных приборов.
Chemkin модель микроламинарного пламени в физическом пространстве (Physical-Space Flamelets) во Fluent
В рамках увеличения доступности ключевых технологий из Chemkin во Fluent, появилась новая опция для расчета микроламинарного пламени в физическом пространстве (Physical Space Chemkin Flamelet) непосредственно во Fluent.
Это позволяет не задавать профиль скорости скалярного рассеивания (Scalar Dissipation Rate profile), который по умолчанию необходим для метода микроламинарного пламени (Flamelet) во Fluent. Также это позволяет правильнее предсказать температурное поле и свойства пламени.
Сравнение расчетов Finite-rate Chemistry (FRC) и Premixed FGM с нулевыми отклонениями
Модель утолщенного пламени (Thickened Flame Model (TFM))
Для решения задач розжига и последовательности воспламенения используется новая формулировка модели утолщенного пламени (Thickened Flame Model). Теперь есть возможность использовать TFM, чтобы точно предсказывать последовательность воспламенения горелок.
Рассчитанная с использованием TFM последовательность воспламенения горелок, совпадает с экспериментом.
Распределение температуры на средней поверхности горелок в момент розжига
Модель турбулентности Generalized k-ω (GEKO)
− Устойчивая базовая формулировка
− Простая и надежная концепция взаимодействия вязкого подслоя
− Совместимость со всеми моделями турбулентности (например, Transition model)
− Позволяет избежать сильной чувствительности к значениям вне пограничных/сдвиговых слоев.
Турбулентные структуры на границе течения быстрого и медленного потоков
DPM/DEM экспорт сил на поверхностях
Для DPM и DEM моделирования силы на стенках, которые возникают при столкновении с частицами, теперь могут быть доступны как переменные поля во Fluent. Их можно будет использовать для экспорта/мониторинга или для построения контурных графиков.
Распределение компонент силы на поверхностях поворотного канала
Оптимизация
Adjoint Solver
Для Adjoint solver теперь доступен метод градиентов по наименьшим квадратам (Least Squares Cell Based), т.е. теперь Аdjoint-чувствительность параметров рассчитывается более точно, за счет использования одинакового метода вычисления градиентов и во Fluent, и в Аdjoint solver.
Другим заметным изменением является устаревание схем стабилизации Modal и Spatial в пользу более новых схем: Dissipation и Residual Minimization, которые, как было установлено, работают лучше.
Схемы modal и spatial все еще доступны через текстовую консоль, но больше не отображаются в GUI.
Изменение списка схем стабилизации в новой версии
В новом релизе было повышено удобство использования панели Design Tool, благодаря чему упрощается процесс настройки параметров, которые отвечают за изменение формы модели.
Был пересмотрен процесс создания областей деформации цилиндрической формы, для большего сходства с методом декартовых областей. Координаты для цилиндрической области теперь могут быть автоматически определены для задач с периодичностью или для зон с вращающиеся системой координат (MRF zones).
Кнопка Get Center позволяет автоматически определить центр выбранных поверхностей для условий «масштабирование» и «вращение», экономя усилия пользователя по определению и заданию центральной точки.
Наконец, доступна комплексная возможность визуализации наложенных проектных ограничений с помощью цветовых схем и аннотаций, что позволяет намного проще визуализировать полное определение задачи и избежать ошибок.
Кроме того, вычисленные деформации сетки можно предварительно посмотреть до ее изменения, просто нажав кнопку «Preview». При этом произойдет наложение деформированных поверхностей на недеформированные. Это позволяет соотнести ожидаемую и фактическую деформацию сетки.
Предварительный просмотр деформации сетки
CFX и турбо-инструменты
Инструменты для турбомашин
Разработчики продолжают создавать инструменты для подготовки расчета турбомашин c более сложной геометрией. Благодаря поддержке импорта из CAD, который был введен в предыдущих обновлениях (вместо простого импорта кривых), передача осуществляется с учетом особенностей геометрии рабочего колеса.
Теперь возможно учесть наличие галтелей между лопаткой и втулкой. В обновлении 19.2 добавлена поддержка галтелей постоянного размера, а в версии 2019 R1 эта функция расширена до поддержки переменных галтелей.
Изображение лопаток с переменными галтелями
В версии 2019 R1 добавлена поддержка файлов NDF для режима осевых элементов, который был выпущен ранее в 2018 году.
Дополнительные усовершенствования включают улучшенную форму поверхности для лопаток, полученных фрезерованием цилиндрической (конической) фрезой (flank milled blades) и новую опцию “From Reference Blade”, которая позволяет строить сплиттерную лопатку того же типа конструкции, что и основная лопатка.
Совместное моделирование с помощью технологии Functional Mockup Interface (FMI) 2.0
Шаблонный функциональный интерфейс (Function Mockup Interface, FMI) это открытый стандарт, который позволяет осуществлять совместное моделирование и производить обмен моделями между независимыми инструментами.
Начиная с версии 2019 R1, CFX поддерживает FMI для выполнения совместного моделирования, в случае если CFX является управляющим модулем. Это означает, что CFX может использоваться для совместных задач с любыми приложениями, которые поддерживают FMU (Functional Mock-up Unit) 2.0 Export для совместного моделирования. Список поддерживаемых приложений доступен на сайте FMI fmi-standard.org/tools.
FMI сопряжение в CFX достигается за счет использования языка CFX Expression Language, который делает сопряжение очень универсальным. Когда FMU импортирован в CFX, он ведет себя так же, как импорт профилей из csv файлов, в котором в CFX создается функция, используемая для ссылки на импортируемые величины. Эта функция может быть применена в любом месте CFX – вы можете настроить значения граничных условий, создать точки монитора, источники и т.д. Любой параметр в CFX, который можно задать через выражение может быть сопряжен используя FMU.
Function Mockup Interface, FMI
Рабочие карты
В версии 2019 R1 разработчики продолжили расширять возможности, выпущенные в версии 19.2, которые позволяют рассчитывать несколько рабочих точек одновременно. Улучшен мониторинг расчета и выполнение постобработки. Также добавлена функция сохранения в файл результатов данных только невязок и мониторов, что позволяет сэкономить место на жестком диске.
Модель пленочного охлаждения лопаток
Модель пленочного охлаждения лопаток была введена в версии 19.2 и обеспечивает эффективный и практичный способ моделирования массива охлаждающих отверстий и пленочного течения охлаждающего потока на поверхностях турбинных лопаток. Для версии 2019 R1 разработчики добавили опцию цилиндрического отверстия, для которого задается направление сверления. Неперпендикулярное направление приводит к эллиптичности отверстий на поверхности лопатки. Локальные углы направления потока также могут быть уточнены через свойства впрыскиваемого потока.
Схема сверления отверстий для охлаждения под углом к нормали
Дополнительную информацию о новых возможностях ANSYS 2019R1 вы можете получить в разделе документации ANSYS, Inc. Release Notes
