نرم افزار ANSYS CFX یکی از نرم افزارهای مهندسی پرکاربرد و چند منظوره و مورد استفاده در مقطع کارشناسی ارشد است. که برای شبیه سازی داینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در تمامی سطوح و پیچیدگی ها می باشد. بسیاری از دانشجویان و فارغ التحصیلان رشته مهندسی مکانیک، با استفاده از نرم افزار CFX ANSYS مقاله های علمی و پژوهشی،  پایان نامه کارشناسی ارشد و پروژهای صنعتی را ارائه می دهند.

آشنایی با دانش سیالات

شناخت سیالات و آگاهی بر رفتار آن ها، تأثیر مستقیمی بر کیفیت زندگی انسان ها دارد. بسیاری از تجهیزاتی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، به صورت مستقیم یا غیر مستقیم با پدیده های سیالاتی در ارتباط‌ اند. جریان سیال خودروها، هواپیماها و کشتی ها، سیستم گردش خون، طراحی توربین ها، کمپرسورها و پمپ ها و… از جمله مواردی هستند که دانش مکانیک سیالات در آن ها نقش اساسی ایفا می کند.

در پدیده های طبیعی، معادلات و قوانین تشریح کننده رفتار سیال مانند معادلات پیوستگی، مومنتوم، بقای انرژي و… به صورت جفتی (کاپل) و بدون بهره گیری از رایانه ها، محاسبات و تحلیل آن پدیده ها، به امری بسیار سخت و گاهی غیر ممکن بدل می شود.

استفاده از روش های عددی راه حل مناسبی جهت آگاهی از رفتار پیچیده سیالات می باشد. در سالیان اخیر تکنیک داینامیک سیالات محاسباتی CFD، توانست که به بسیاری از نیازهای جوامع صنعتی و دانشگاهی در حوزه مدل سازی رفتار سیالات پاسخ دهد.

معرفی نرم افزار ANSYS CFX

در میان نرم افزارهای متنوع در حوزه CFD، نرم افزار ANSYS CFX یکی از قدیمی ترین و قدرتمندترین نرم افزارهاست. که نسخه ابتدایی آن در سال 1996 منتشر شد. جالب است بدانید که بسیاری از بخش های  هواپیمای بوئینگ 787 را با استفاده از نرم افزار انسیس شبیه سازی نمودند. پس از آن با پیشرفت تکنولوژی برنامه نویسی، این نرم‌ افزار توانست شبیه سازی هایی را نیز بر روی شبکه های بدون سازمان انجام دهد.

انسیس در واقع مجموعه ای از نرم افزار‌های کاربردی در زمینه تحلیل پدیده ها، به ویژه مسائل مرتبط با سیالات و انتقال حرارت است. که با استفاده از آن ها می توان یک پدیده مکانیکی یا شیمیایی را مدل سازی کرد. همچنین می توان معادلات دیفرانسیل حاکم بر یک پدیده را به صورت عددی حل نمود.

در حقیقت این نرم افزار ابزاری است که به مهندسان کمک می کند تا بخش های مکانیکی یا الکترومکانیکی یک سیستم را بهینه سازی کنند.

نرم افزار CFX که اکنون جزو نرم افزارهای یکپارچه انسیس (Ansys) می باشد. با استفاده از روش حجم محدود و میان یابی المان محدود، با توانمندی بالا و کاربری آسان، بسیاری از شبیه سازی های سخت را انجام دهد.

دوره آموزشی کاربردی نرم افزار CFX

اگر تا به اینجای مقاله را دنبال می کنید، پس حتماً با نرم افزار‌های ایجاد اشکال مانند کتیا (Catia) یا SOLIDWORKS کار کرده اید. با استفاده از این نرم افزار‌ها می توان اشکال هندسی سیستم های مختلف را در شرایط گوناگون ایجاد نمود. انسیس این قابلیت را دارد تا این هندسه های تولید شده را از این نرم افزار‌ها گرفته و با اعمال شرایط فیزیکی سیال بر روی آن ها (خواص فیزیکی سیال و جامد و شرایط مرزی) پدیده مذکور را مدل سازی کند.

کلیاتی در مورد نرم افزار CFX

1. نرم افزار CFX به دلیل قابلیت ذخیره سازی مقادیر در نقاط شبکه و استفاده از روش حل کاپل، نسبت به نرم افزار فلوئنت (Fluent) به حافظه موقت بالاتری، جهت انجام مدل سازی نیازمند است. البته نرم‌ افزار CFX هم گرایی مناسب تری را به دلیل استفاده از روش حل کاپل شبه گذرا، نسبت به نرم افزار فلوئنت خواهد داشت. همچنین نرم افزار CFX از مدل های آشفتة بیشتر و گسترده تری برخوردار است.
2. نرم افزارCFX همانند سایر نرم افزارهای داینامیک سیالات محاسباتی، قابلیت ماکرونویسی دارد. که با استفاده از آن میتوان شرایط مرزی و اولیه مختلفی را در نرم افزار اعمال کرد.
3. امکان استخراج خروجی های گرافیکی تر و ویدیوهای شبیه سازی با کیفیت بالاتر، یکی دیگر از امکانات برجسته نرم افزار CFX می باشد.
4. قابلیت تحلیل مسائل چندفازی، اندرکنش مدل سیال FSI، مدل های جریان آشفته، توربوماشین، انتقال حرارت، بررسی جریان های لزج و غیر لزج، تحلیل های نانو سیال و… از ویژگی های معروف این نرم افزار است.
5. سرعت ، دقت وکارآیی نرم‌ افزار CFX در شبیه سازی مسائل مربوط به تجهیزات دوار و توربوماشین ها (پمپ، کمپرسور، فن، توربین های گازی و هیرولیکی) در مقایسه با سایر نرم افزارهای مشابه مانند Fluent، بیشتر است.
6. با این حال، در مسائلی که دانش فیزیک خاصی نیاز ندارند، مانند مسائل حوزه واکنش و مرز داینامیک، نسبت به نرم‌ افزار فلوئنت از قدرت کمتری برخوردار است.
7. به علت تجاری بودن نرم افزار انسیس، CFX و Fluent غالباً توسط متخصصان صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. در برخی اخبار مرتبط، خبرهایی مبنی بر ادغام دو نرم افزار CFX و Fluent به گوش رسیده که البته تاکنون به واقعیت نپیوسته است.
8. نرم افزار CFX به سه مرحله CFX-Pre، CFX-Solver و CFD-POST تقسیم بندی می شود. که به ترتیب، به منظور فراخوانی شبکه بندی و اعمال تنظیمات و شرایط حل، انجام فرآیند حل و استخراج نتایج حل (پس پردازش) مورد استفاده قرار میگیرند.

مراحل حل مسئله با نرم افزار ANSYS CFX

گام اول: ایجاد دامنه حل

به صورت کلی، به منظور حل یک مسئله در نرم افزار انسیس در وهلة اول باید ناحیه حل را تولید و شبکه سازی کنید. سپس در مرحله بعدی این ناحیه به محیط حلگر انتقال می یابد و شرایط پدیده روی دامنه حل اعمال می شود. برای نمونه تصور کنید هدف، مدل سازی حرکت یک هواپیما در اتمسفر است. به این منظور در اولین گام باید هواپیما و ناحیه اطراف آن تولید شود.

گام دوم: شبکه بندی دامنه حل تولید شده

در گام بعدی، می بایست ناحیه طراحی شده، در یکی از نرم افزار‌های زیرمجموعه ANSYS، شبکه بندی شود. شبکه بندی یعنی تقسیم کل ناحیه‌ به تعداد بسیاری از واحد‌ها یا (Cell)، که معادلات به صورت عددی در این واحد‌ها حل می شوند. توجه داشته باشید که نحوه شبکه بندی در زمان رسیدن به پاسخ و همچنین کیفیت پاسخ نهایی بسیار تاثیرگذار است.

گام سوم: انتقال شبکه به حل‌گر و انجام شبیه‌سازی

در این مرحله، دامنه شبکه بندی شده به درون حلگر منتقل می شود و شبیه سازی روی آن انجام می شود. حلگر همان نرم افزاری است که معادلات فیزیکی را برای دامنه حل میکند. مهم ترین حلگر‌های موجود در انسیس، CFX و FLUENT هستند.

از CFX بیشتر به منظور تحلیل سیستم های مبتنی توربوماشین ها استفاده می شود. در واقع جهت بهینه سازی سیستم هایی از قبیل توربین‌، کمپرسور، موتور جت یا پمپ میتوان از این نرم افزار استفاده نمود.

در نهایت این مراحل در قالب سه نمونه ایجاد می شوند. این نمونه ها شامل تحلیل جریان غیرپایای درون مخزن، تحلیل جریان دو فازی درون یک لوله دو سر خم با شیر نیمه باز و در نهایت بر هم کنش سازه بر سیال FSI می شوند.

جمع بندی

به منظور فراگیری این نرم افزار می توانید از دوره ی آموزشی جامع و تخصصی نرم افزار ANSYS CFX به صورت آنلاین و حضوری در مرکز توسعه مهارت های مهندسی دانشکده مکانیک دانشگاه تهران، بهره مند شوید. در این آموزش در ابتدا روش تولید دامنه حل و شبکه بندی در CFX توضیح داده خواهد شد. سپس نحوه اعمال شرایط مرزی، خروجی گرفتن و بررسی آن ها نیز آموزش داده می شود.