Letnia aktualizacja oprogramowania ANSYS wprowadza szereg usprawnień związanych z wygodniejszym użytkowaniem oprogramowania i oczywiście wiele nowych funkcjonalności. Do najważniejszych należą model wielofazowy Generalized Two Phase Flow (GENTOP) czy adaptacyjne zagęszczanie siatki dostosowane do metody overset mesh. Zapraszamy do zapoznania się z wybranymi nowościami dotyczącymi ANSYS Fluent.
Predefiniowane szablony pracy we Fluent Meshing
Szereg zmian dotyczy predefiniowanych szablonów pracy. Do szablonów Watertight Geometry i Fault-tolerant Meshing dodano obsługę wieloznaczników (wildcards), które dotychczas były cennym narzędziem dostępnym w klasycznym trybie pracy. Stosowanie wieloznaczników przy wskazywaniu powierzchni pozwala przygotować uniwersalne projekty, które można wykorzystać ponownie dla podobnych geometrii (Rys. 1).
Wspierane wieloznaczniki:
- globalny * : wyrażenie in* wybierze wszystkie nazwy rozpoczynające się od “in”, np. “inlet-gas”, “inlet-water”. Wyrażenie *in* wybierze wszystkie nazwy zawierające ciąg znaków “in”
- lokalny ? : znak zapytania zastępuje pojedynczy nieznany znak, np. nazwy “gray” i “grey” mogą zostać wybrane przy zastosowaniu wyrażenia “gr?y”
- zakres znaków [ ] : wyrażenie “[ot]” wybierze wszystkie nazwy rozpoczynające się od litery “o” lub litery “t”. Wyrażenie [a-z] wybierze wszystkie nazwy rozpoczynające się literą z zakresu od a do z.
W przypadku szablonu Watertight Geometry dodatkowym udogodnieniem jest możliwość rozpoczęcia pracy od wczytania istniejącej siatki powierzchniowej lub objętościowej, w formacie *.msh lub *.cas. Wczytana siatka powierzchniowa może być wygenerowana na nowo na wybranych powierzchniach lub w całości, bądź zostać pozostawiona bez żadnych zmian. Na etapie generacji siatki objętościowej możliwe jest zróżnicowanie maksymalnego rozmiaru elementu i współczynnika wzrostu dla poszczególnych objętości (Rys. 2).
Rys. 1. Zastosowanie wieloznaczników przy definicji pola zagęszczeń w predefiniowanych szablonach pracy
Rys. 2. Zróżnicowanie ustawień siatki objętościowej dla poszczególnych objętości w szablonie Watertight Geometry
Klasyczny tryb pracy we Fluent Meshing
W przypadku klasycznego trybu pracy wprowadzono narzędzie Rapid Octree. Jest ono przystosowane do generacji siatek na klastrach z zastosowaniem tysięcy rdzeni. Służy do bardzo wydajnej generacji izotropowych siatek o dużej liczbie elementów. Przykładowa aplikacja to coraz powszechniejsze w zastosowaniach przemysłowych symulacje z użyciem hybrydowych modeli turbulencji, które wymagają gęstych i jednorodnych siatek.
Rozwinięcie możliwości wyrażeń (expressions) w Ansys Fluent
Oprogramowanie ANSYS Fluent pozwala użytkownikowi wprowadzić dodatkowe funkcjonalności z zastosowaniem funkcji użytkownika (User Defined Function, UDF). Funkcje te mogą być złożone i opisywać cały model fizyczny, ale mogą być też prostsze i ograniczyć się do definicji ruchu, parametru materiałowego czy warunku brzegowego. Ponieważ stosowanie UDF-ów wymaga od użytkownika znajomości podstaw języka C i zapoznania się z predefiniowanymi klasami i funkcjami, to do prostszych zastosowań zamiast UDF atrakcyjniejsze mogą być wyrażenia (expressions), wprowadzone w wersji 2019 R1. Szczególnie, że możliwości wyrażeń są wciąż rozwijane. W najnowszej wersji oprogramowania przy pomocy wyrażeń możemy na przykład wprowadzić definicje parametrów materiałowych w funkcji lokalnych wartości zmiennych (Rys. 3).
1 - gęstość może być funkcją ciśnienia absolutnego lub temperatury, ale nie obu tych parametrów naraz 2 - funkcje typu Average(), Sum(), itp. nie są wspierane w definicjach wyrażeń dla parametrów materiałowych
Rys. 3. Parametry materiałowe, które można zdefiniować przy zastosowaniu wyrażeń (expressions).
Wprowadzone wyrażenia można zweryfikować przy pomocy wykresu. Podgląd wpisanych zależności obejmuje nie tylko wyrażenia (expressions), ale również definicje parametrów materiałowych typu polynomial, piecewise-linear, czy piecewise-polynomial (Rys. 4). To rozwiązanie pozwala na uniknięcie przypadkowych pomyłek, zwłaszcza przy korzystaniu z bardziej rozbudowanych zależności.
Rys. 4. Weryfikacja wprowadzonych zależności. Po lewej - warunek brzegowy opisany wyrażeniem w funkcji dwóch zmiennych, po prawej - ciepło właściwe zdefiniowane w funkcji temperatury z zastosowaniem opcji piecewise-polynomial.
Kontynuując wątek parametrów materiałowych, dla posiadaczy licencji Granta Materials Data for Simulation wewnątrz Fluenta dostępna jest dodatkowa baza ANSYS Granta. Znajdują się w niej parametry materiałowe dla ponad 700 rodzajów ciał stałych, w tym metali, ceramiki, kompozytów, pianek, szkieł, materiałów magnetycznych, polimerów czy drewna.
Przepływy wielofazowe i 4-krotna redukcja czasu obliczeniowego VOF
Przechodząc do kolejnego zagadnienia, w najnowszej wersji wiele uwagi poświęcono przepływom wielofazowym. Model Generalized Two Phase Flow (GENTOP), który dotychczas był dostępny jako funkcja beta, jest już w pełni wspierany. Znajduje on zastosowanie w sytuacjach, gdzie jednocześnie występują rozproszone i ciągłe struktury przepływu. Przykłady to obszary przejściowe między przepływami korkowymi, pierścieniowymi i pianą dynamiczną. Model GENTOP wypełnia tym samym lukę między Euler-Euler, który jest zalecany jeśli rozmiar interfejsu jest mniejszy niż komórka siatki, a Volume of Fluid (VOF), pozwalającym na efektywne śledzenie interfejsu między fazami. Należy dodać, że warunkiem jest tu jego większy rozmiar względem siatki. W modelu GENTOP oprócz fazy ciągłej i rozproszonej wprowadzana jest dodatkowa faza, która w zależności od udziału objętościowego i średnicy krytycznej zachowuje się jako faza ciągła lub rozproszona (Rys. 5).
Rys. 5. Wizualizacja zasady działania modelu GENTOP. na przykładzie struktury pęcherzowej (lewa strona) i piany dynamicznej (prawa strona).
W przypadku modelu Volume of Fluid w połączeniu ze schematem Non-iterative Time Advancement (NITA) mamy do dyspozycji dodatkowe funkcje, które poprawiają stabilność rozwiązania. Dodany Velocity-based Instability Detector (rys. 6) automatycznie wykrywa pliki prędkości i na tej podstawie dokonuje korekty ustawień numerycznych. Funkcja ta współpracuje z istniejącym już ogranicznikiem prędkości (velocity-limiter), który na sztywno określa maksymalną dopuszczalną prędkość. W połączeniu ze schematem Body Force Weighted, schemat NITA pozwala w wielu przypadkach osiągnąć blisko 4-krotną redukcję czasu obliczeniowego względem standardowego solvera iteracyjnego.
Rys. 6. Uruchomienie funkcji konsolowych poprawiających stabilność rozwiązania w przypadku stosowania schematu NITA
Usprawnienia w metodzie nakładających się siatek (overset mesh)
Usprawnienia dotyczą również nakładających się siatek chimera (overset mesh). Od najnowszej wersji, zamiast wykonywania operacji na całym zestawie siatek naraz, możliwe jest skalowanie, przesuwanie i obracanie pojedynczych objętości cell zones. Wprowadzono również adaptację siatki dedykowaną metodzie overset mesh, która ma na celu eliminację komórek typu orphan poprzez lokalne zagęszczenie siatki.
Samo śledzenie występowania komórek typu orphan w przypadku obliczeń dynamicznych jest znacząco ułatwione, gdyż od wersji 2020 R2 wszystkie ostrzeżenia i błędy są dostępne w osobnym panelu. Znika wobec tego konieczność przeszukiwania transkryptu z konsoli pod kątem potencjalnych nieprawidłowości które mogły wystąpić w czasie symulacji (Rys. 7).
Rys. 7. Panel zawierający informacje o ostrzeżeniach i błędach. Kolorem niebieskim w konsoli zaznaczono komendę uruchamiającą adaptacyjne zagęszczanie siatki dedykowane metodzie overset mesh.
Autor artykułu
mgr inż. Maciej Szudarek zajmuje się numeryczną mechaniką płynów i metrologią przepływów. Jest również pracownikiem Laboratorium Przepływów Instytutu Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej, gdzie prowadzi badania dla przemysłu i doradztwo w aspektach metrologicznych przy opracowywaniu prototypów przepływomierzy.
