مقدمه
تحلیل جریان سیالات (Computational Fluid Dynamics یا به‌اختصار CFD) یکی از ضروری‌ترین مراحل در طراحی و بهینه سازی قطعات و سیستم‌های صنعتی است . نرم افزار ANSYS CFX به‌عنوان یکی از برترین نرم‌افزارهای CFD در جهان شناخته می‌شود که با قابلیت‌های پیشرفته و الگوریتم‌های بهینه ، امکان شبیه‌سازی دقیق جریان سیالات را فراهم می‌سازد . در این مقاله به بررسی ویژگی‌های کلیدی ANSYS CFX، چگونگی استفاده از ابررایانه (High-Performance Computing یا HPC) برای افزایش کارایی و دقت شبیه سازی ها و مزایای کسب شده خواهیم پرداخت.
فهرست مطالب
- تحلیل جریان سیالات چیست؟
- معرفی ANSYS CFX
- ویژگی های کلیدی ANSYS CFX
- چرا به ابر رایانه نیاز داریم؟
- پیکربندی محاسبات موازی در ANSYS CFX
- مطالعه موردی: شبیه‌سازی توربین گازی
- نکات بهینه‌سازی مش و تنظیمات عددی
- نتیجه‌گیری
تحلیل جریان سیالات چیست ؟
تحلیل جریان سیالات ( CFD) به‌منظور حل معادلات ناویر – استوکس و معادلات انتقال حرارت و جرم در محیط های سیال انجام می‌شود. CFD ابزاری کلیدی برای :
- پیش‌بینی رفتار جریان در اطراف اجسام (مانند بال هواپیما )
- طراحی سامانه‌ها ی تهویه و خنک کاری
- تحلیل انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی
- شبیه‌سازی احتراق در موتورهای احتراقی.
با استفاده از CFD ، مهندسان می‌توانند بدون نیاز به نمونه‌ها ی فیزیکی گران‌قیمت، جریان و انتقال حرارت را به‌دقت تحلیل و اصلاح کنند.
معرفی ANSYS CFX
ANSYS CFX یک نرم‌افزار پیشرفته CFD است که از سال‌ها تحقیق و همچنین توسعه در زمینه شبیه سازی سیالات بهره‌مند شده است . از ویژگی‌های برجسته آن میتوان به موارد زیر اشاره کرد :
- حلگر توربو ماشین: مناسب برای شبیه‌سازی توربین ها، کمپرسورها و پمپ ها
- مدل‌های چند فازی: بررسی جریان‌های گسسته- سیال مانند حباب‌های گاز در مایعات
- اکوسیستم چندفیزیکی: قابلیت ادغام با فیزیک ساختار، الکترومغناطیس و انتقال حرارت تابشی
- واسط کاربری گرافیکی (CFX-Pre / CFX-Post): طراحی مدل و پس پردازش نتایج به‌صورت شهودی.
ویژگی‌های کلیدی نرم افزار ANSYS CFX
- دقت عددی بالا
- استفاده از روش‌ها ی upwind مرتبه بالا
- مدل‌های آشفتگی پیشرفته ( k-ε, k-ω SST)
- پایداری و همگرا شدن سریع
- الگوریتم حلگر مقیاس -زمان (SIMPLE, PISO)
- تکنیک‌های کاهش اصطکاک عددی.
- ادغام با ANSYS Workbench
- امکان طراحی مبتنی بر پارامتر ( Parameterization )
- خودکار سازی پروسه با استفاده از Workbench Scripting
- گزارش‌دهی خودکار
- تولید گزارش جامع شامل جداول، نمودارها و تصاویر
- خروجی قابل سفارشی‌سازی برای ارائه به ذینفعان.
چرا به ابر رایانه نیاز داریم؟
شبیه‌سازی‌های پیچیده ، به‌ویژه توربوماشین‌ها یا جریان‌های چندفازی حجیم، نیازمند بیش از چند صد میلیون سلول مش و صدها ساعت محاسبه است. در اینجا استفاده از HPC (محاسبات با کارایی بالا) یا ابررایانه اهمیت می‌یابد :
- سرعت بخشیدن زمان حل: کاهش زمان محاسبه از روزها یا هفته‌ها به ساعات یا دقیقه‌ها
- پشتیبانی از موازی سازی بسیار بالا: بهره‌گیری از هزاران هسته پردازشی هم‌زمان
- حافظه زیاد: امکان بارگذاری مجموعه‌داده‌های بزرگ و شبیه‌سازی‌های با دقت بالا
پیکربندی محاسبات موازی در ANSYS CFX
برای استفاده از ابررایانه در ANSYS CFX، مراحل زیر را دنبال کنید:
- تقسیم مش ( Partitioning)
- با ابزار CFX-Mesh یا hexahedral mesh partitioner، مش را بر اساس تعداد هسته ها تقسیم کنید.
- تنظیمات کنسول حلگر (Solver Manager)
- در بخش Parallel Options، تعداد هسته (MPI Ranks) و روش ارتباط (Interconnect) را مشخص نمایید
- استفاده از فایل‌های پیکربندی
- از فایل‌های
.cffو.defبرای خودکارسازی اجرای چندمرحله‌ای و مدیریت لاگ‌ها استفاده کنید.
- از فایل‌های
- نظارت بر کارایی (Performance Monitoring )
- با ابزار CFX-Performance، میزان کارایی موازی ، درصد Idle و ارتباط بین هسته‌ها را رصد نمایید
مطالعه موردی : شبیه سازی توربین گازی
زمینه پروژه: طراحی و بهینه‌سازی پره‌های توربین گازی صنعتی
- تعریف دامنه محاسباتی: شامل محفظه احتراق و ناحیه ورودی/خروجی
- ایجاد مش با ثبات: بیش از ۲۰۰ میلیون سلول هگزا hedral
- اجرای موازی بر روی ۲۵۶ هسته :
- کاهش زمان حل از ۷۲ ساعت (سریال) به ۵ ساعت (موازی)
- نتایج کلیدی:
- توزیع فشار و دما در طول پره‌ها
- نقاط بحرانی برای خنک‌کاری بهینه
- پیشنهادات طراحی برای بهبود دوام پره
نکات بهینه‌سازی مش و تنظیمات عددی
- کیفیت مش: ضریب اسکولر (Skewness) کمتر از ۰٫۸، نسبت یکنواختی سلول ( Aspect Ratio) مناسب
- اهرم‌بندی مش: استفاده از refinement در نواحی لبه‌ای و جابه‌جایی لایه‌ای (Boundary Layer)
- تنظیمات آشفتگی: انتخاب مدل k-ω SST برای جریان‌های جداشده
- کنترل عددی: تنظیم Relaxation Factor برای حلگر پایدار.
نتیجه‌گیری
استفاده از ANSYS CFX در کنار قدرت ابررایانه‌ها تحول چشمگیری در حوزه CFD ایجاد کرده است . با بهره‌گیری از قابلیت‌های محاسبات موازی و مش‌های بسیار دقیق، می‌توانید زمان توسعه محصول را کاهش داده و به نتایج دقیق‌تر و قابل اتکا دست یابید. برای بهره‌برداری کامل از این فناوری:
- بر روی کیفیت مش و پارامترهای حلگر تمرکز کنید
- از خودکارسازی فرآیندها در Workbench نهایت استفاده را ببرید
- نظارت مستمر بر کارایی و مقیاس‌پذیری شبیه‌سازی‌ها داشته باشید
کلمات مرتبط:
ANSYS CFX، CFD با کارایی بالا، ابررایانه در شبیه‌سازی جریان سیالات، محاسبات موازی، شبیه‌سازی توربوماشین، مش بندی پیشرفته، تحلیل جریان سیالات، CFD، ابررایانه، شبیه‌سازی با کارایی بالا، HPC، محاسبات موازی، بهینه‌سازی مش، ابررایانه انسیس cfx ، ابررایانه ansys cfx ، محاسبات موازی cfx
مقاله مادر:
