نرمافزار ANSYS CFX یکی از ابزارهای تخصصی خانواده ANSYS برای انجام شبیهسازیهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است. این نرمافزار برای تحلیل رفتار جریان سیال و بررسی پدیدههایی مانند انتقال حرارت، انتقال جرم، جریانهای آرام و آشفته و بسیاری از مسائل پیچیده مهندسی مورد استفاده قرار میگیرد. ANSYS نیز CFX را بهعنوان یک نرمافزار عمومی CFD برای مدلسازی جریان سیال، انتقال حرارت و جرم و سایر پدیدههای مرتبط معرفی میکند.
در این بخش، پیش از ورود به شبیهسازی جریان تراکمناپذیر و انتقال حرارت در لوله سهراهی، ابتدا با مفهوم کلی CFX، ساختار محیط نرمافزار و روند انجام یک تحلیل آشنا میشویم. این آشنایی باعث میشود در مراحل بعدی، تنظیمات مربوط به هندسه، مش، شرایط مرزی و حلگر با دید مهندسی مناسبتری انجام شوند.
ANSYS CFX چیست؟
CFX یک حلگر تخصصی CFD است که برای تبدیل یک مسئله فیزیکی مربوط به جریان سیال به یک مدل عددی و سپس حل معادلات حاکم بر آن استفاده میشود. در یک تحلیل CFD، هدف این است که رفتار سیال بدون انجام آزمایش فیزیکی مستقیم، با استفاده از مدلسازی عددی پیشبینی شود.
در CFX میتوان طیف متنوعی از مسائل را بررسی کرد؛ از جریانهای ساده و پایا گرفته تا جریانهای گذرا، آشفته، چندفازی، انتقال حرارت، شناوری، جریانهای غیرنیوتنی، احتراق و حرکت ذرات. این قابلیتها باعث شده است CFX در تحلیل تجهیزات و سامانههایی مانند لولهها، مبدلهای حرارتی، توربوماشینها و بسیاری از تجهیزات صنعتی کاربرد داشته باشد.
جایگاه CFX در فرآیند شبیهسازی CFD
یک شبیهسازی CFD معمولاً از چند مرحله اصلی تشکیل میشود. ابتدا هندسه مسئله ایجاد یا آماده میشود و سپس حجم سیال مورد نظر برای تحلیل مشخص میگردد. در مرحله بعد، هندسه به شبکهای از المانها یا سلولهای محاسباتی تبدیل میشود.
پس از آماده شدن مش، مدل فیزیکی در CFX تعریف میشود. در این مرحله مشخص میشود که سیال چیست، جریان چه ویژگیهایی دارد، انتقال حرارت فعال است یا خیر، شرایط مرزی چگونه هستند و حلگر با چه تنظیماتی مسئله را حل کند.
در نهایت، حل عددی انجام شده و نتایج در محیط CFD-Post بررسی میشوند. این روند کلی در مستندات ANSYS نیز بهعنوان فرآیند ایجاد هندسه و مش، تعریف فیزیک، حل مسئله و مشاهده نتایج معرفی شده است.
آشنایی با اجزای اصلی ANSYS CFX
محیط CFX از چند بخش اصلی تشکیل شده است که هرکدام وظیفه مشخصی در فرآیند شبیهسازی دارند. مهمترین بخشها عبارتاند از CFX-Pre، CFX-Solver، CFX-Solver Manager و CFD-Post.
CFX-Pre
CFX-Pre محیطی است که در آن مدل فیزیکی مسئله تعریف میشود. مش وارد این محیط شده و سپس مشخصات دامنه، ماده، مدل جریان، انتقال حرارت، شرایط مرزی و سایر تنظیمات مورد نیاز تعیین میشوند.
در واقع CFX-Pre را میتوان محل آمادهسازی مسئله برای حلگر دانست. در این بخش مشخص میکنیم مسئله دقیقاً چه شرایط فیزیکی دارد و چه معادلات و مدلهایی باید برای آن مورد استفاده قرار گیرند.
CFX-Solver
پس از تعریف مسئله، اطلاعات مورد نیاز به CFX-Solver منتقل میشود. این بخش وظیفه حل عددی معادلات حاکم بر مسئله را بر عهده دارد.
یکی از ویژگیهای مهم CFX استفاده از یک حلگر کوپلشده (Coupled Solver) است که معادلات هیدرودینامیکی را بهصورت یک سیستم مرتبط حل میکند. این رویکرد به دستیابی به یک حل پایدار و کارآمد کمک میکند.
CFX-Solver Manager
CFX-Solver Manager برای مدیریت فرآیند حل مورد استفاده قرار میگیرد. از طریق آن میتوان اجرای حلگر را کنترل کرد، روند پیشرفت شبیهسازی را مشاهده کرد و در صورت نیاز تنظیمات مربوط به اجرای موازی را مدیریت نمود.
CFD-Post
بعد از پایان حل، نتایج در CFD-Post بررسی میشوند. این محیط برای تحلیل و نمایش نتایج شبیهسازی طراحی شده و امکان مشاهده کمیتهایی مانند سرعت، فشار و دما، ایجاد کانتور، خطوط جریان و نمودارهای مختلف را فراهم میکند. همچنین میتوان نتایج کمی مورد نیاز برای ارزیابی عملکرد مدل را از این محیط استخراج کرد.
مفهوم Domain در ANSYS CFX
یکی از مفاهیم مهم در CFX، Domain است. دامنه محدودهای از فضای مدل است که معادلات فیزیکی در آن حل میشوند. این دامنه میتواند شامل یک ناحیه سیال، جامد یا در برخی مسائل ناحیه متخلخل باشد.
در مسئله لوله سهراهی، دامنه اصلی معمولاً حجم داخلی سیال است. در صورتی که هدف، بررسی همزمان انتقال حرارت در سیال و جداره لوله باشد، میتوان دامنه جامد مربوط به دیواره را نیز وارد مدل کرد و یک تحلیل انتقال حرارت کوپلشده انجام داد.
تعریف شرایط مرزی و مدل فیزیکی
یکی از مهمترین مراحل شبیهسازی در CFX، تعیین شرایط مرزی است. شرایط مرزی مشخص میکنند سیال چگونه وارد دامنه میشود، چگونه از آن خارج میشود و رفتار دیوارهها چگونه خواهد بود.
برای مثال، در یک لوله سهراهی میتوان دو سطح را بهعنوان ورودی و یک سطح را بهعنوان خروجی تعریف کرد. برای ورودیها میتوان کمیتهایی مانند سرعت، دبی جرمی و دما را مشخص کرد و برای خروجی نیز شرایط مناسب فشار یا سایر پارامترهای مورد نیاز را تعیین نمود.
همچنین نوع دیواره، وضعیت انتقال حرارت و سایر ویژگیهای فیزیکی باید متناسب با مسئله واقعی انتخاب شوند. در CFX مجموعه گستردهای از شرایط مرزی برای ورودی، خروجی، بازشدگیها، انتقال حرارت و شرایط تناوبی در دسترس است.
قابلیتهای مهم ANSYS CFX
CFX تنها برای یک نوع خاص از جریان طراحی نشده است. این نرمافزار قابلیت شبیهسازی جریانهای پایا و گذرا، آرام و آشفته، زیرصوت، تراصوت و مافوق صوت را دارد و میتوان از آن برای تحلیل انتقال حرارت، تابش حرارتی، شناوری، جریانهای غیرنیوتنی، جریانهای چندفازی، احتراق و انتقال ذرات نیز استفاده کرد.
برای دوره حاضر، تمرکز اصلی روی قابلیتهایی است که برای تحلیل جریان داخلی و انتقال حرارت اهمیت بیشتری دارند. بنابراین مفاهیمی مانند تعریف دامنه سیال، شرایط مرزی، مدل انتقال حرارت، حل پایا و مشاهده میدانهای سرعت، فشار و دما اهمیت ویژهای پیدا میکنند.
ارتباط ANSYS CFX با Workbench
CFX را میتوان بهصورت مستقل اجرا کرد یا از طریق ANSYS Workbench در یک پروژه مهندسی مورد استفاده قرار داد. در حالت Workbench، اجزای مختلف فرآیند شبیهسازی در قالب یک سیستم تحلیل CFD به یکدیگر متصل میشوند.
این ساختار امکان ارتباط مناسب میان مراحل مختلف پروژه، از آمادهسازی هندسه و مش تا تعریف فیزیک، حل و بررسی نتایج را فراهم میکند. مستندات آموزشی ANSYS نیز استفاده از CFX را هم در محیط Workbench و هم بهصورت مستقل پوشش میدهند.
مسیر کلی شبیهسازی در این دوره
در ادامه آموزش، همین ساختار کلی برای مدلسازی جریان تراکمناپذیر و انتقال حرارت در لوله سهراهی دنبال خواهد شد. ابتدا هندسه و مش آماده میشوند، سپس در CFX-Pre دامنه سیال و خواص آن تعریف خواهد شد.
در مرحله بعد، مدل جریان و انتقال حرارت، شرایط ورودی و خروجی و مشخصات دیواره تعیین میشوند. پس از آن مسئله توسط CFX-Solver حل شده و در نهایت در CFD-Post، نتایج مربوط به سرعت، فشار و دما مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
به این ترتیب، کاربر علاوه بر آشنایی با محیط CFX، با چرخه کامل یک شبیهسازی CFD نیز آشنا میشود؛ موضوعی که پایه لازم برای انجام تحلیلهای پیشرفتهتر در پروژههای مهندسی را فراهم میکند. آموزشهای رسمی ANSYS نیز همین مسیر کلی، یعنی تعریف فیزیک، اجرای حلگر، پسپردازش و بررسی صحت و دقت شبیهسازی را بهعنوان بخشهای اصلی آموزش CFX دنبال میکنند.
کلیدواژه ها : آموزش ANSYS CFX-نرم افزار انسیس سی اف ایکس-آشنایی با ANSYS CFX-مقدمه ANSYS CFX-آموزش مقدماتی CFX-شبیه سازی CFD-دینامیک سیالات محاسباتی-CFX-Pre-CFX-Solver-CFX-Solver Manager-CFD-Post-محیط نرم افزار CFX-قابلیت های ANSYS CFX-آموزش CFD-شبیه سازی جریان سیال-انتقال حرارت در CFX-مدل سازی جریان در CFX-آموزش ANSYS Workbench-شبیه سازی جریان تراکم ناپذیر-لوله سه راهی در CFX-شبیه سازی لوله سه راهی-T-Junction CFD-
