ANSYS zaproponował użytkownikom kolejną wersję z licznymi nowościami w praktycznie każdym oferowanym produkcie. Powoli zbliżając się do kolejnej wersji przedstawimy subiektywny wybór drobnych nowości które mogły umknąć Państwa uwadze, a które mogą być bardzo przydatne przy codziennej pracy.
W niniejszym artykule na celownik wzięliśmy oprogramowanie ANSYS Fluent. Po wybrane nowości zapraszamy również do naszych podcastów na kanale Symkom na Youtube:
- analizy przepływowe
- analizy mechaniczne
- analizy elektromagnetyczne – niskie częstotliwości
- analizy elektromagnetyczne – wysokie częstotliwości
Automatyczne raporty z symulacji
Istotnym etapem każdej symulacji, który często jest dla nas mniej interesujący niż sam proces budowania modelu, jest przygotowanie raportu z przeprowadzonej symulacji. Mimo wszystko nie trzeba nikogo przekonywać, że ta część pracy jest najważniejsza z punktu widzenia pokazania efektów naszych analiz. Mówimy tu zarówno o syntetycznym zestawieniu wyników liczbowych do celów podjęcia dalszych decyzji projektowych jak i klasycznej kolorowej “CFD” do celów marketingowych. W przypadku oprogramowania Ansys mamy do dyspozycji kilka narzędzi, pozwólcie Państwo że scharakteryzujemy je używając po jednym przymiotniku:
- przyjazny CFD-Post,
- potężny Ensight,
- szybki Fluent.
Przy ostatnim chwilę się zawahaliśmy czy obecnie lepszym przymiotnikiem nie byłby ewoluujący. Rzeczywiście, śledząc zmiany w możliwościach post processingu, jakie zaszły w ostatnich wersjach Fluenta, to ostatnie określenie wydaje się bardziej trafione. W wersji 2021 R1 możemy między innymi szybciej tworzyć zestawy izopowierzchni wykorzystując nowy interfejs (Rys. 1).
Mamy możliwość wzbogacania naszych wizualizacji poprzez zagnieżdżanie okien pokazujących różne elementy. Przykładowo, do pokazania konturów prędkości możemy dodać wykres obrazujący profil prędkości na wybranym przekroju (Rys. 2). Osoby pracujące na co dzień w programie Ensight zauważą, że dużo nowych opcji jest inspirowanych właśnie jego rozwiązaniami.
Rys.: 1 Nowy interfejs do tworzenia zestawów izopowierzchni. Przykład ilustrujący tworzenie pięciu izopowierzchni temperatury odległych o 5 K, rozpoczynając od wartości 320 K.
Rys. 2: Okno ilustrujące profil prędkości wzdłuż średnicy zagnieżdżone w wizualizacji profilu prędkości na wylocie
Rys. 3: Generacja raportu z wykonanej symulacji
Warto zwrócić uwagę w najnowszej odsłonie na rozwinięte możliwości tworzenia automatycznych raportów. Ono również czerpie z technologii opracowanej przez zespół rozwijający Ensight. Obecnie możemy tworzyć automatycznie generowane rozbudowane raporty, mając pełną kontrolę które elementy mają się w nim znaleźć (Rys. 3). Raporty mogą być potem eksportowane w formacie pdf lub html. Jedną z ciekawszych opcji jest możliwość tworzenia interaktywnych trójwymiarowych scen oraz interaktywnych wykresów – z możliwością np. Przybliżenia jego fragmentu. Do wyświetlenia takiej interaktywnej wizualizacji z pliku html nie jest potrzebne posiadanie zainstalowanego oprogramowania ANSYS. Przykładowy raport w formie interaktywnej mogą Państwo zobaczyć tutaj.
Wyrażenia (expressions)
Wyrażenia są narzędziem, które ma wiele zastosowań: mogą nam ułatwić definicję modelu, zastąpić potrzebę pisania funkcji użytkownika (User Defined Functions, UDF), jak również znaleźć zastosowanie w post-processingu jako zamiennik Custom Field Function Calculator. Wyrażenia były intensywnie rozwijane w ostatnich wersjach oprogramowania, a wersja 2021 R1 wprowadza szereg dalszych usprawnień.
Wczytane z plików tekstowych profile opisujące rozkład zmiennych, np. rozkład prędkości na wlocie czy rozkład temperatury na ściance, mogą być później modyfikowane w panelu wyrażeń. Daje to szereg możliwości, takich jak skalowanie profili czy zmiana ich orientacji w przestrzeni (Rys. 4).
Nowa wersja oprogramowania wprowadza wsparcie dla wielkości wektorowych w ramach wyrażeń. Przykładowo, wyrażenie Force([‘obiekt1’,’obiekt2’]) zwraca wektor siły działający na wskazane obiekty. Istnieje również możliwość uzyskania informacji o oporach kształtu i tarcia osobno, z zastosowaniem wyrażeń PressureForce i ViscousForce. Modyfikatory takie jak .mag czy .x pozwalają wyznaczyć moduł czy wyodrębnić składowe wektora. Przykładowo, wyrażenie PressureForce[‘obiekt1’].y zwraca wartość oporu kształtu w kierunku Y.
Rys. 4: 10-krotne skalowanie wczytanego profilu prędkości
Dostępny jest również szereg podstawowych operacji rachunku wektorowego, takich jak iloczyn skalarny, wektorowy, obliczenie wersora czy gradientu. Kompletna lista dostępnych zmiennych i operacji znajduje się we Fluent User Guide, rozdział 5: Fluent Expressions Language.
Zdefiniowane w przyjaznym interfejsie pole, czy to skalarne, czy wektorowe, można potem wyświetlić w postaci map konturowych czy wektorowych. Na Rys. 5. przedstawiono własne pole skalarne – moduł gradientu temperatury.
Rys. 5: Rozkład temperatury i moduł jej gradientu
Jednym z przykładów zastosowań może być łączenie definicji własnych pól skalarnych/wektorowych z operatorami warunkowymi, np. w celu wskazania obszaru spełniającego zestaw określonych warunków. Na Rys. 6 przedstawiono przykładową definicję, która przyjmuje wartość 1, jeśli gradient temperatury przekracza wartość 100 K/m oraz moduł prędkości przekracza wartość 2.75 m/s.
Rys. 6 Połączenie definicji pól skalarnych z operatorami warunkowymi
Oprócz przedstawionych w artykule nowości dotyczących wyrażeń, czyli możliwości manipulacji profilami, obsługi pól wektorowych i zastosowań w post-processingu, należy pamiętać o już istniejących możliwościach. Jest to m. in. stosowanie wyrażeń do definiowania parametrów wejściowych w kilku miejscach naszego modelu jednocześnie, opis parametrów materiałowych, czy definiowanie członów źródłowych.
Użytkowników, którzy nie mieli do tej pory okazji zapoznać się z wyrażeniami, gorąco zachęcamy do przetestowania tego narzędzia, które w znaczny sposób usprawnia pracę z modelem.
Natywne modelowanie analiz sprzężonych przepływowo-mechanicznych
Modelowanie zagadnień sprzężonych zawsze cieszyło się dużym zainteresowaniem zarówno w środowisku akademickim, jak i w firmach reprezentujących branżę przemysłową. Na szczególną uwagę zasługuje dwukierunkowe sprzężenie przepływowo-mechaniczne, które wiąże się z szeregiem wyzwań technicznych: połączeniem zjawisk o różnych skalach czasowych, różnych wymaganiach związanych z siatką obliczeniową oraz koniecznością modyfikacji siatki. Dodatkowo najczęściej wymaga zastosowania dwóch programów do obliczeń i skoordynowania wymiany informacji między nimi.
Sam temat nie jest nowy, tego typu symulacje w oprogramowaniu Ansys były możliwe już kilkanaście lat temu, przy czym wymagały dodatkowych kodów pozwalających na wymianę informacji między solwerami. Swego czasu popularnym rozwiązaniem było środowisko MpCCI, rozwijane do dziś przez Instytut Fraunhofera. W momencie pojawienia się wersji 12 oprogramowania Ansys wprowadzono środowisko Workbench, którego jednym z głównych zadań było właśnie umożliwienie współpracy różnych programów również w zakresie analiz sprzężonych.
Rozwijane przez kolejne wersje możliwości, obecnie pozwalają na wykonywanie symulacji sprzężonych w ramach jednego środowiska dając inżynierom potężne narzędzie jednocześnie możliwie proste w konfiguracji. Inherentne ograniczenia metody wynikające z konieczności połączenia dwóch różnych solwerów jednak pozostały.
Nowy solwer mechaniczny
W tym kontekście dość ciekawą opcją wydaje się stosunkowo nowy solwer mechaniczny wbudowany w program Fluent – z którego istnienia nie wszyscy użytkownicy Ansys Fluent zdają sobie sprawę. Pojawił się on już w wersji 2019 jako opcja beta i pozwalał na wykonywania dwukierunkowych analiz sprzężonych płyn – ciało stałe. Solwer był oczywiście mocno ograniczony, zwłaszcza porównując do możliwości oprogramowania Ansys Mechanical tym niemniej mógł być z powodzeniem wykorzystany przy rozwiązywaniu pewnych klas problemów. Obecnie pozwala na wykonywanie analiz jedno i dwukierunkowych dla zarówno liniowych jak i nieliniowych materiałów. Na Rys. 7 pokazano porównanie wyników symulacji wykonanej w nowym module Fluenta dla różnych gęstości siatek a symulacji wykonanej z wykorzystaniem bloczka System Coupling sprzęgającego program Ansys Fluent z Ansys Mechanical, dla symulacji drgającego kantilewerka opływanego ściśliwym powietrzem. Zainteresowanych większą ilością szczegółów zachęcamy do publikacji opisującej odtwarzany eksperyment: Ashok Kumar Pandey and Rudra Pratap “Effect of flexural modes on squeeze film damping in MEMS cantilever resonators” JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING; 17 (2007) 2475–2484; doi:10.1088/0960-1317/17/12/013 oraz do kontaktu z nami. W najnowszej wersji solwer jest dalej rozwijany. Nową opcją jest między innymi możliwość modelowania efektu rozszerzalności cieplnej. Pozwala to na zamodelowanie np. płytki termobimetalowej.
Rys. 7: Porównanie wyników analiz przepływowo-mechanicznych: przemieszczenie płytki w funkcji czasu dla symulacji w solwerze Fluenta o różnych gęstościach siatki w odniesieniu do wyników z połączenia ANSYS Fluent - Mechanical (seria SC)
Słowo końcowe
A: Myślę że na koniec możemy dodać krótki komentarz czemu wybraliśmy akurat te opcje…
M: Tak, nie są to największe zmiany w wersji 2021 R1, ale mogą one mieć bardzo duży wpływ na szybkość i komfort pracy.
A: Zdecydowanie, sam jestem pod ciągłym wrażeniem możliwości wykorzystania wyrażeń – rozwiązania z jednej strony bardzo prostego, a jednocześnie w połączeniu z innymi funkcjami Fluenta pozwalającego na realizację bardzo różnorodnych zadań. Czy dobrze pamiętam, że model adsorpcji udało ci się zaimplementować w zasadzie używając samych wyrażeń i równań transportu skalaru użytkownika ?
M: Jak najbardziej. Uniknąłem dzięki temu wielokrotnej kompilacji kodu czy rozważań na temat zrównoleglania poszczególnych operacji. Na pewno przyspieszyło to nie tylko opracowanie modelu, ale również jego kalibrację. Zresztą to nie pierwszy raz kiedy udało nam się zastąpić funkcje użytkownika wyrażeniami, prawda?
A: Tak, inny ciekawy przypadek to modelowanie cieczy magnetoreologicznej. Ciekawi mnie czy sprawdzałeś już co nowego w nadchodzącej wersji 2021 R2 jeśli chodzi o wyrażenia ?
M: Odnośnie wyrażeń nie zauważyłem dalszych usprawnień, natomiast zwróciłem uwagę na nowe opcje dotyczące siatek dynamicznych czy adaptacyjnego zagęszczania siatki.
A: To może nie zdradzajmy dzisiaj za dużo i zaprośmy wszystkich na zbliżające się wydanie nowej wersji ANSYS’a, tak jak poprzednio przygotujemy dla Państwa krótkie podcasty w których podzielimy się naszymi wrażeniami z najnowszej wersji.
Autorzy artykułu
dr inż. Adam Piechna – szef działu technicznego Symkom, adiunkt w Instytucie Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej
dr inż. Maciej Szudarek – specjalista od analiz przepływowych w Symkom, adiunkt w Instytucie Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej