Решение для реализации производственных задач с учетом турбулентности, теплообмена, горения, химических реакций, виброакустики, межфазного взаимодействия
Решаете ли Вы стандартную задачу течения и теплообмена или работаете над сложной проблемой нестационарного течения реагирующих потоков – программное обеспечение Ansys Fluent станет неотъемлемой частью процесса разработки и модификации Вашего изделия.
Ansys Fluent — многофункциональный программный продукт для моделирования ламинарного и турбулентного течения ньютоновских и неньютоновских сред, как однофазных, так и многофазных потоков, как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых режимах.
Программное решение содержит весь набор инструментов для разработки и оптимизации нового оборудования и устранения неполадок в существующих устройствах. Разнообразные технологии позволяют вникнуть в суть сложного физического процесса еще до создания опытного образца. Модели и алгоритмы Ansys Fluent разработаны ведущими мировыми экспертами в области численного моделирования и опробованы инженерами ведущих корпораций России.
Программный комплекс Ansys Fluent, как и большинство приложений Ansys, полностью интегрирован в единую расчетную среду для инженерного моделирования Ansys Workbench. Такая интеграция позволяет Ansys Fluent осуществлять обмен данными c другими программными продуктами Ansys (Mechanical, Maxwell и др.), а также с внешними CAD-системами.
Ansys Fluent обладает интуитивно понятным пользовательским интерфейсом, который легко настраивается и адаптируется под конкретные задачи пользователя. Вместе с Ansys Вы легко можете реализовать свою собственную физическую модель или создать сценарий решения типовой задачи и автоматизировать дальнейшую работу.
Ansys Meshing является препроцессором Ansys Fluent для генерации расчетной сетки. Meshing позволяет извлечь геометрию расчетной области для CFD анализа из твердотельной CAD-сборки и автоматически построить тетраэдральную или гексаэдральную сетку с призматическими слоями на стенках. Широкие возможности по редактированию геометрии позволяют импортировать и подготовить геометрию к последующему построению вручную блочной сетки во всей расчетной области или ее частях. Ansys Meshing обеспечивает высокое качество сетки в соответствии с требованиями Вашей задачи, повышая тем самым точность результатов расчета.
В Ansys Fluent представлено большое число моделей турбулентности. Это и различные версии известных k-ε, k-ω моделей, и модель Рейнольдсовых напряжений (RSM) для описания анизотропной турбулентности. Кроме того, представлен ряд вихреразрешающих моделей: метод крупных вихрей (LES), метод отсоединенных вихрей (DES), модель адаптивного масштаба (SAS). Модели ламинарно-турбулентного перехода позволяют аккуратно предсказывать смену режимов в пограничном слое.
Программный комплекс Ansys Fluent включает различные возможности по моделированию течений с химическими реакциями. Вы можете моделировать химическое реагирование в газах как детально, так и с использованием ряда специальных моделей, позволяющих уменьшить число реакций. Встроенные модели переноса примесей позволяют легко и точно предсказывать распространение NO, SO и сажи. Модели течений с химическими реакциями могут использоваться совместно с моделями турбулентности.
Широкий спектр возможностей по моделированию многофазных течений позволяет получить необходимую информацию и описать процессы, которые не всегда возможно предсказать с помощью эксперимента. Вы можете моделировать поведение и взаимодействие произвольного числа фаз, в том числе любые комбинации жидких, твердых и газообразных, а также «гранулярных» фаз с использованием таких моделей, как Mixture или модель Эйлера. С помощью модели Volume of Fluid (VOF) вы можете отслеживать форму свободной поверхности между неперемешивающимися средами. Движение частиц, распад и испарение капель можно предсказать, используя модель дискретных фаз (DFM). Кроме того, программное обеспечение Ansys Fluent позволяет моделировать межфазный переход.
Ansys Fluent позволяет проводить исследования распространения акустического шума, решать задачи сопряженного теплообмена, моделировать течения в подвижных областях с помощью специальных алгоритмов динамических и перестраиваемых сеток и многое другое.
Для повышения эффективности вычислений Ansys Fluent позволяет автоматизировать процесс проведения многовариантных расчетов для различных параметров проекта без использования пользовательского программирования. Интегрированные решения Ansys для оптимизации обеспечивает возможность простого анализа тысячи расчетных точек в рамках единой пользовательской среды.
Широкий набор программных продуктов Ansys для высокоточного моделирования дает возможность предсказывать реальные процессы в промышленных установках.
Используя инструменты Ansys для междисциплинарного моделирования, можно легко отследить такие явления, как вибрация или деформация материала под воздействием сил со стороны жидкости или газа. Ansys предоставляет комплексные технологии для всех дисциплин физики — механики твердого тела, теплообмена, гидрогазодинамики, электромагнетизма. Совместное использование этих приложений позволит Вам решать сложные промышленные задачи и оптимизировать конструкцию изделия целиком.
Интегрированные решения Ansys предусматривают автоматизацию процесса междисциплинарных расчетов. Для обмена данными между различными программными продуктами не нужно тратить время на преобразование вручную выходных данных из одного приложения для передачи в последующее.
Преимущества Ansys Fluent:
В рамках среды Ansys Workbench обеспечивается доступ к таким сторонним программам как CAD-комплексы. Эта возможность также распространяется и на расчетные приложения.
Мощный постпроцессор для газодинамических комплексов Ansys CFD-Post предоставляет широкий набор инструментов для анализа и высококачественной визуализации результатов, включая построение графиков, создание изображений и анимации. Огромное количество результатов, накопленных в ходе инженерных расчетов, можно хранить в удобном для поиска виде.
Решатель Adjoint Solver позволяет определить оптимальную геометрию изделия на основании различных критериев, например минимизация потерь давления или уменьшение силы сопротивления. Adjoint Solver является частью интерфейса Fluent, что позволяет проводить оптимизацию максимально быстро и удобно.
Ansys Fluent | Часть 1 | Приложение для моделирования течений жидкостей и газов
Результаты моделирования течений жидкостей и газов можно использовать как часть процесса разработки, для описания функционирования изделия или протекания процесса, выявления неполадок, оптимизации производительности.
Область потока жидкости в трубе разбита на конечное множество контрольных объемов.
Несмотря на популярность численных методов решения задач гидрогазодинамики в России и США, использование подобных программных продуктов не заменяет испытаний и экспериментов, а оптимизирует методики их проведения и уменьшает количество испытаний, что приводит к снижения общих усилий и затрат, необходимых для экспериментов и сбора данных.
Рассмотрим основные возможности и свойства ANSYS FLUENT
Проверенная технология решателя и точные вычисления
ANSYS FLUENT надежно и эффективно выполняет расчеты для всех физических моделей и типов, включая стационарное или переходное течение, несжимаемый или сжимаемых течений (от малых дозвуковых до гиперзвуковых), ламинарный или турбулентный потоки, ньютоновских или неньютоновских жидкостей, идеального или реального газа.
В основе ANSYS CFD лежат современные устойчивые решатели, такие как pressure-based coupled, fully-segregated pressure-based и два density-based решателя, позволяющие получать устойчивое и точное решение для практически неограниченного спектра режимов течения.
Модели турбулентности
В технике в основном преобладает турбулентное течение жидкости, поэтому программное обеспечение ANSYS FLUENT всегда уделяло особое внимание для описания моделей турбулентности, для их эффективного и точного расчета. Для расчета доступны следующие модели турбулентности:
Теплопередача и радиация
Оптимизация тепловых потоков может играть решающее значение во многих типах промышленного оборудования, например, лопатки турбин, блоки цилиндров и камеры сгорания, а также в конструкции зданий и сооружений. В таких случаях точный расчет конвективного теплообмена имеет важное значение. Во многих из этих случаев распространение тепла в твердом теле и/или передача тепла излучением также играет важную роль. ANSYS FLUENT предлагает современные технологии для совместного решения задач течения жидкости и сопряженного теплообмена. Дополнительные функции включают в себя возможность проводить расчеты теплопроводности через тонкие перегородки, термические сопротивления при контакте, в областях между твердыми телами и через покрытия, на твердых поверхностях. ANSYS FLUENT включает в себя богатство моделей, позволяющих рассчитывать все виды радиационного теплообмена между жидкостью и твердым телом. ANSYS FLUENT дает пользователю возможность выбрать различные спектральные моделей для учета зависимости длины волны при проведении расчета.
Мощный инструмент для оптимизации процесса проектно-конструкторской и технологической подготовки в области вычислительной динамики жидкостей и газов.
Программный модуль ANSYS FLUENT имеет широкий спектр возможностей моделирования течений жидкостей и газов для промышленных задач с учетом турбулентности, теплообмена, химических реакций. Во FLUENT моделируют такие задачи как, горение в печах, течение внутри барботажной колонны, внешнее обтекание нефтедобывающих платформ, течение в кровеносной системе, конвективное охлаждение сборки полупроводника, вентиляция в помещениях, моделирование промышленных стоков. Специализированные модели горения, аэроакустики, вращающихся/неподвижных расчетных областей, многофазных течений серьезно расширяют области применения базового продукта.
ANSYS FLUENT и платформа ANSYS Workbench
Моделирование многофазного течения в биохимическом реакторе.
Удобный графический интерфейс
ANSYS Fluent организует общую расчетную среду, где в одном рабочем окне вы можете построить качественную сетку, настроить расчет, получить и обработать нужные результаты.
Разработчики от версии к версии улучшают графический интерфейс в аспектах эргономики и удобства работы. За счет чего достигается высокая скорость подготовки задачи и низкий «порог вхождения» начинающими специалистами.
Графический интерфейс ANSYS Fluent.
Методы численного решения и распараллеливания
ANSYS FLUENT включает в себя сложные числовые отказоустойчивые решатели, в том числе сопряженный решатель с алгоритмом на основе давления, расщепленный решатель с алгоритмом на основе давления и два решателя с алгоритмами на основе плотности, что позволяет получать точные результаты практически для любого течения. Улучшенные возможности параллельной обработки позволяют эффективно использовать несколько процессоров, а также многоядерные процессоры на одной или на нескольких машинах, объединенных сетью.
Увеличение масштабируемости при расчете камеры сгорания ДВС.
Динамическая балансировка нагрузки автоматически определяет и анализирует эффективность параллельной обработки и настраивает распределение расчетных ячеек по процессорам. ANSYS FLUENT доступен для платформ Windows, Linux и UNIX.
Турбулентность
Среди производителей коммерческого программного обеспечения ANSYS постоянно устанавливает и предъявляет новые требования к моделированию турбулентности, предлагая инженерному сообществу широкий набор моделей. В ANSYS FLUENT доступны несколько распространенных k-ε и k-ω моделей, модель турбулентных напряжений Рейнольдса для сильных вихревых или анизотропных потоков.
Обтекание цилиндра с использованием RANS-модели турбулентности.
Высокая расчетная мощность при невысокой стоимости делает модели турбулентности для расчета больших вихрей (LES-модели) и модели изолированных вихрей (DES) подходящими для промышленных задач. Также доступны инновационные модели для прогнозирования перехода от ламинарного течения к турбулентному и новая модель адаптируемого масштаба Scale-Adaptive SimulationTM (SAS), предназначенная для течений, в которых недостаточно использования статических моделей турбулентности.
Обтекание цилиндра с использованием LES-модели турбулентности.
Улучшенные пристеночные функции позволяют повысить точность результатов в пограничных слоях. Широкий набор настроек турбулентности и возможность добавления пользовательских настроек обеспечивают корректное моделирование турбулентности для любых видов течений.
Разработана и внедрена новая универсальная модель турбулентности GEKO, которая предназначена для расчета большой группы задач аэродинамики за счет использования свободных коэффициентов. Вместо того, чтобы использовать большую группу моделей турбулентности, теперь вы сможете использовать единственную модель с разными настройками для большого ряда задач.
Акустика
Во многих промышленных задачах требуется уделить особое внимание аэроакустике. При помощи ANSYS FLUENT шум, возникающий в результате нестабильных изменений давления, можно рассчитать несколькими способами. Прогноз переходных процессов больших вихрей для поверхностного давления можно преобразовать в частотный спектр при помощи встроенного инструмента преобразования Фурье (FTT).
Турбулизированный поток воздуха за автомобилем, который создает акустический шум
Акустическая аналогия Фоукса Вильямса-Хоукинса (Ffowcs Williams – Hawkings) может быть использована для моделирования распространения акустических излучений для различных объектов от открытых необтекаемых тел до вращающихся лопастей. Модели источников широкополосного шума позволяют оценивать акустические излучения на основе результатов статических расчетов, что делает эти модели практичным инструментом для оценки изменений в конструкции.
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).
Динамическая и движущаяся сетка
Динамическая сетка позволяет моделировать произвольное сложное перемещение частей системы, например, в двигателе внутреннего сгорания, клапанах, при движении корабля по волнам, запуске ракет. Динамическое создание сетки также совместимо с большим количеством других моделей, в том числе с моделями распыла частиц и горения, многофазных потоков, потоков со свободной поверхностью и сжимаемых потоков.
Перестроение сетки (слева) и поле скорости внутри топливной форсунки.
Скользящая сетка и сеточные модели являются лучшим инструментом для описания периодического движения внутри смесительных баков, насосов и в турбомашинах. Модели с движущейся сеткой полностью совместимы со сложными моделями химических реакций и многофазных потоков.
Метод перекрывающихся сеток (Overset Mesh)
Начиная с ANSYS 17.0 модуль FLUENT дает возможность строить расчетную область из перекрывающихся сеток, т.е. применять химерную или перекрывающуюся методологию. Это дает новый подход в создании расчетных сеток, в виде дополнения к использованию конформно-соединенных сеточных зон, неконформных интерфейсов и структурированных сеточных интерфейсов. Нововведение позволяет создавать сеточные модели для сложных задач с минимальными затратами по времени и усилиям инженеров- расчетчиков.
Отделение ступеней ракеты
Вращение колеса
В то время как неконформные интерфейсы соединяют сеточные ячейки вдоль соответствующих поверхностных зон, перекрывающиеся интерфейсы соединяют сеточные ячейки путем интерполяции данных в ячейках на перекрывающие регионы. Для успешного построения сетки в области перекрытия, зоны ячеек должны в достаточной степени (полностью) перекрываться. Преимущество таких сеток в том, что их отдельные части могут быть созданы независимо и с меньшим количеством ограничений, в отличие от традиционных сеток, соединяемых с помощью поверхностных интерфейсов. Гораздо проще сеточную зону перемещать, чем перестраивать ее или всю сеточную модель.
ANSYS FLUENT предлагает инженерам полный набор инструментов для моделирования конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Доступны модели для анализа излучений в оптически толстой (участвующей) среде, а также модель «поверхность-поверхность» (основанная на коэффициентах излучения) для прозрачной (неучаствующей) среды. Модель дискретных ординат подходит для любой среды, в том числе для стекла. Модель тепловой нагрузки от солнечного излучения позволяет решать задачи управления микроклиматом в помещениях.
Распределение температуры на днище автомобиля.
Другие возможности, тесно связанные с теплообменом, включают в себя модели кавитации, модели сжимаемых жидкостей, теплообменников, оболочечной проводимости, реальных газов, влажного пара, плавления и кристализации. Испарение капель или влажных частиц, выход летучих компонентов из угля можно моделировать при помощи модели дискретных фаз (DPM-модель). Прямое добавление источников тепла и полного набора тепловых граничных условий расширяют возможности, делая ANSYS FLUENT надежным инструментом для решения любых задач теплообмена.
Течения с химическими реакциями
Комплексное моделирование химических реакций, особенно в условиях турбулентности, с самого начала являлось отличительной чертой ANSYS FLUENT. Принцип рассеяния вихря, перенос функций распределения вероятности (PDF), модели химических реакций с конечной скоростью в совокупности с основополагающими компонентами технологии ANSYS FLUENT, такими как модели фракций равновесных смесей, диффузного пламени, горения заранее смешанных компонентов, являются необходимыми при выполнении расчетов горения газообразного, жидкого топлива, угля.
ANSYS Fluent используется для предсказания поля температуры и распределения NOx при различной загрузке топлива, его состава и степени турбулизации пламени.
Модели реакций между газами и твердыми поверхностями, прогнозирование образования NOx, SOx и других загрязнителей также широко используются и являются настраиваемыми. В ANSYS FLUENT модели реакций могут быть использованы совместно с моделями турбулентности больших вихрей (LES-модель) и изолированных вихрей (DES-модель). При объединении этих нестационарных моделей турбулентности с моделями химических реакций появляется возможность прогнозировать стабилизацию пламени и гашение.
Линии тока в двигателе внутреннего сгорания.
Многофазные потоки
Технология моделирования многофазных потоков ANSYS FLUENT дает возможность заглянуть внутрь исследуемого объекта (работающей машины, аппарата, узла). Модель многофазных течений Эйлера использует отдельные системы уравнений для каждой взаимно проникающей фазы. Для случая, когда одна из сред гранулированная, может применяться специальная физическая модель. Во многих случаях для гранулированных и негранулированных смесей можно использовать более экономичную модель смеси. Возможно моделирование неограниченного числа фаз для любого сочетания жидкостей, газов, твердых тел. Также становится возможным моделирование реактора с орошаемым слоем и реактора типа барботажных колонн, можно рассчитать теплоперенос и массоперенос между фазами, что необходимо для моделирования гомогенных и гетерогенных реакций. Возможно отслеживание распределения размеров пузырей с использованием интегрированных моделей баланса заполнения. Для потоков со свободной поверхностью, например, для волн океана, где важно спрогнозировать поверхность раздела фаз, доступна модель объема жидкости (Volume of Fluid).
Моделирование циклона с использованием модели DPM.
Модель дискретных фаз (DPM-модель), модель Лагранжа являются применимыми к некоторым задачам многофазных потоков, таким как моделирование распылительной сушилки, угольной топки, непрерывного вытягивания волокна, распыления жидкого топлива. При впрыске частиц, пузырей, капель может учитываться теплоперенос, массоперенос, перенос импульса с основной фазой.
Подходы моделирования многофазных течений в ANSYS FLUENT.
Функции пользователя
Определяемые пользователем функции (UDF) позволяют индивидуально настраивать ANSYS FLUENT. Для решения узкоспециализированных задач, например, для задач оксидных твердотопливных ячеек, магнитогидродинамики доступны дополнительные модули.
Оптимизация c использованием встроенного модуля Adjoint Solver
Модуль Adjoint Solver это инструмент, который позволяет оптимизировать геометрическую модель для CFD задачи. Модуль Adjoint Solver включает в себя технологию морфинга сетки (Mesh Morphing), которая позволяет не только изменять сетку для улучшения геометрии, но и использовать оптимизацию в указанных областях деформации путем назначения функции (objective function) в контрольных точках.
Цикл оптимизации с использованием модуля Adjoint Solver.
Этапы работы с Adjoint Solver включают в себя:
Пост-обработка
В рамках ANSYS FLUENT можно использовать полный набор инструментов качественного и количественного постпроцессинга для проверки хода расчета, создания специализированных графических объектов, анимации, отчетов для предоставления результатов расчета в простом и понятном виде. Встроенная возможность постпроцессинга работает в параллельном режиме и может обрабатывать огромные массивы данных. Результат расчета также можно экспортировать в ANSYS CFD-Post, сторонние графические пакеты или в CAE-пакеты для тщательного изучения. Результат расчета в виде распределений ключевых переменных также можно передать в ANSYS Mechanical APDL или другие МКЭ-решатели для моделирования взаимодействия текущей среды и конструкции.
Примеры пост-обработки различных моделей.
ANSYS CFD-Post предоставляет расширенные возможности, в том числе мощный язык описания для получения количественных значений из полученных результатов, файлов сессий, для написания сценариев автоматизации. Также присутствуют шаблоны для автоматического создания отчетов, объединяющих графики, таблицы, двумерные и трехмерные изображения. Результаты нескольких расчетов можно сравнить, расположив их рядом или посчитав разницу.
ANSYS FLUENT позволяет быстро получать точные решения в области вычислительной гидрогазодинамики. Доступны встроенные физические модели для прямого моделирования множества сложных процессов. Дополнительные модули и инструменты настройки позволяют использовать это программное обеспечение для узкоспециализированных задач.
Ansys Meshing является препроцессором Ansys Fluent для генерации расчетной сетки. Meshing позволяет извлечь геометрию расчетной области для CFD анализа из твердотельной CAD-сборки и автоматически построить тетраэдральную или гексаэдральную сетку с призматическими слоями на стенках. Широкие возможности по редактированию геометрии позволяют импортировать и подготовить геометрию к последующему построению вручную блочной сетки во всей расчетной области или ее частях. Ansys Meshing обеспечивает высокое качество сетки в соответствии с требованиями Вашей задачи, повышая тем самым точность результатов расчета.
Для повышения эффективности вычислений Ansys Fluent позволяет автоматизировать процесс проведения многовариантных расчетов для различных параметров проекта без использования пользовательского программирования. Интегрированные решения Ansys для оптимизации обеспечивает возможность простого анализа тысячи расчетных точек в рамках единой пользовательской среды.
Преимущества Ansys Fluent:
Преимущества Ansys Fluent:
