شبیه سازی توربوماشین ها در ANSYS CFX

نرم افزار ANSYS CFX یکی از اعضای مجموعه نرم افزارهای شرکت ANSYS  است که حل هایی سریع و با دقت برای طیف وسیعی از کاربردهای مولتی فیزیک (چندگانه) سیالاتی ارائه می دهد. در واقع CFX یکی از نرم افزارهای دینامیک سیالات عددی (CFD) است که با دقت، سرعت و قدرت خارق العاده در تحلیل توربوماشین ها مانند پمپ ها، فن ها، کمپرسورها، توربین ها و ..... شناخته شده است. از آنجا که انواع توربوماشین ها از تجهیزات مهم در صنایع مختلف هستند، شبیه سازی و تحلیل آن ها از مسائل مهم و همچنین جذاب شاخه های مختلف مهندسی است.  

توربوماشین چیست؟

توربوماشین ها گروهی از ماشین های صنعتی هستند که انرژی را بین یک روتور و یک سیال منتقل می کنند. از مهمترین توربوماشین ‌ها می ‌توان به پمپ ها (برای آشنایی بیشتر کلیک کنید) ، توربین ها، کمپرسورها، فن اشاره کرد. این تجهیزات چه از نوع محوری باشند چه شعاعی، کاربرد بسیار متنوع  و وسیعی که در همه صنایع دارند، به همین دلیل همیشه مسائل مربوط به آن ها، چه از دیدگاه طراحی و ساخت، چه تحلیل و شبیه سازی و بهینه سازی جز زمینه های جذاب و مورد علاقه پژوهشگران هم در محیط های آکادمیک و هم در محیط های صنعتی بوده است. برای ساخت یک توربوماشین تحلیل پارامترهای عملکردی طراحی شده مانند فشار ، دبی، نسبت های دمایی، نسبت های فشاری و ..... الزامی است و در همین زمینه هر ساله پروژه های متعددی تعریف می شود و مقالات فراوانی منتشر می شود.

معرفی ANSYS CFX

یکی از اعضای معروف خانواده انسیس ، نرم افزار CFX است که در دهه 1990 توسط شرکت AEA Technology PLC به بازار عرضه شد و در سال 2003 توسط شرکت انسیس خریداری شد. البته در ابتدا این نرم افزار به عنوان ابزار جامعی برای همه حوزه های CFD (نرم افزارهای CFD ) ایجاد شد اما ویژگی هایی مثل سرعت همگرایی بالا، استیبل بودن، رابط کاربری مناسب باعث شد به طور خاص بر شبیه سازی و تحلیل توربوماشین ها تمرکز داشته باشد به همین دلیل مهندسینی که به مطالعه پمپ، کمپرسور، توربین و سایر توربوماشین ها علاقه دارند، اصلی ترین کاربران CFX هستند. به ادعای سایت انسیس، CFX در حل مسائل زیر از دقت و سرعت غیرقابل مقایسه ای برخوردار است:

• طراحی و بهینه سازی پره (بلید)
• مسائل آیرودینامیک
• مدل های توربولانس
• مسائل هسته ای
• مدلسازی مواد پیچیده

اگرچه اغلب اوقات شرکت انسیس مدل ها و قابلیت های جدید را در بستر نرم افزار فلوئنت (ANSYS FLUENT) پیاده سازی و ارائه می کند و در واقع برای اهداف توسعه ای سرمایه گذاری ها رو فلوئنت انجام می شود و بعد از اطمینان از مناسب بودن آن قابلیت را به سایر نرم افزارها وارد می کنند، اما از منظر ویژگی هایی مانند همگرایی، استیبل بودن، رابط کاربری عالی، یکپارچگی و ..... CFX برتری محسوسی نسبت به Fluent دارد.

چند ویژگی از نرم افزار ANSYS CFX

همانطورکه می دانیم قدرت یک نرم افزار در همگرایی به الگورتیم حل معادلات ارتباط دارد، بدیهی است که برای حل عددی دستگاه معادلات از یکی از روش های مرسوم مانند نیوتون-رافسون، گوس- سایدل، ژاکوبین و ILU ..... استفاده می شود که هر کدام بر اساس ویژگی هایی که دارند دقت و سرعت متفاوتی را در حل فراهم می کنند. الگوریتم حل معادلاتی که CFX از آن بهره می گیرد، روش ILU (incomplete LU factorization) می باشد. استفاده از همین روش باعث همگرایی بسیار قوی تر از فلوئنت شده است.

ویژگی دیگر در تحلیل های مهندسی دقت و باقی مانده است که به حلگر هر نرم افزار ارتباط دارد. میزان پیش فرض باقی مانده در نرم افزار فلوئنت 0.001 (^3-10) در نظر گرفته شده است. در CFX چون توسعه دهندگان آن اطمینان داشتند که قابلیت دارد به راحتی به مقادیر کمتری از باقی مانده برسد. محدوده پیش فرض را (^4-10) در نظر گرفته اند و حتی در خیلی از مسائل میتوان به دقت (^6-10)  رسید.

Fluent  یا CFX ؟!

خوشبختانه یا متاسفانه در ایران نرم افزار فلوئنت رایج تر و معروف تر است، اما این به دلیل ضعف در قابلیت های CFX نیست، اتفاقا اگر با مهندسینی که با هر دو نرم افزار کار کردند، بپرسید، بیان می کنند که کار در محیط CFX نسبت Fluent راحتر و با پیچیدگی کمتری همراه است.

یکی از دلایل رواج بیشتر فلوئنت کاربران قدیمی تر این عضو از خانواده انسیس هستند. گاهی وجود اساتیدی که سال ها شبیه های  CFD را در فلوئنت انجام داده اند و در اکثر اوقاب تمایلی به تغییر در این روند ندارند دانشجویان را به انتخاب مشابه مجبور می کند. همچنین سالها کار در  Fluent توسط کاربران باعث شده است بانک داده خوبی از مثال های حل شده، چالش ها یا ارورهای برطرف شده و مشاوران در این زمینه در دسترس باشد که غیرمستقیم محققان ابتدای راه را به سمت فلوئنت سوق می دهد.

یکی دیگر از علل شهرت بیشتر Fluent موارد مربوط به نوآوری و توسعه شرکت ANSYS است. همانطور که بالاتر اشاره شد معمولا ویژگی های جدید حوزه CFD مانند تحلیل احتراق، چندفاز، یخ زدگی و ..... ابتدا در فلوئنت ایجاد می شوند و همین موضوع گاهی محققان را به برای تست امکانات جدید به این نرم افزار جذب می کند. اما الزاما تعداد ویژگی های بیشتر به معنای بهتر بودن نیست. مثلا مدل های توربولانسی که در فلوئنت وجود دارد، بسیار متنوع و در حدود 12، 13 نوع هستند، حتی برخی از مدل هایی که دیگر استفاده نمی شوند هم هنوز قابل دسترس هستند، در CFX تعداد مدل های محدودتری (حدودا 6،5 نوع) وجود دارد ولی این مدل ها در نتایج قابل اطمینان تر هستند.

مثال هایی از مقایسه عملکرد 2 نرم افزار:

• در پروژه استخراج مپ عملکردی توربوشارژر موتور دیزل، در فلوئنت نتایج حتی در حد ترند کلی مشابه مپ عملکردی نبود، اما در CFX در بازه زمانی  2، 3 ساعت روند منطقی از یک مپ توربوشارژر را نتیجه داد.
• استخراج داده از پمپ گریز از مرکز در شرایط کاویتاسیون که هم با fluent  و هم با CFX انجام شد و  بعد از ساخت و تست نتایج فلوئنت 2 الی 2.5 برابر خطای بیشتری داشت.

آموزش نرم افزار ANSYS CFX

کار با نرم افزارهای تخصصی هر رشته نیازمند آموزش هایی که امروزه از راه های مختلفی در دسترس هستند. اما شاید یک دوره آموزشی تدوین شده و منظم سریعترین راه برای آموزش حرفه ای این موضوع باشد. خلاصه ای از روندی که در دوره آموزشی ANSYS CFX که در گروه آموزشی پارس پژوهان طی می شود به شرح زیر است:

مانند همه شبیه سازی های مهندسی اولین گام ایجاد هندسه است. برای تولید هندسه میتوان از space claim یا Design Modeler استفاده کرد. در مرحله بعد برای تولید شبکه از ANSYS Meshing که ابزار تخصصی مش بندی های بدون سازمان است استفاده می شود. برای مش بندی های سازمان یافته نرم افزار ICEM CFD قابلیت بیشتری دارد که دوره آموزشی خاص خود را  دارد. مراحل بعد شبیه سازی  با اختصاص  شرایط مرزی ادامه پیدا می کند، در آخر نیز با نرم افزار CFD POST به استخراج نتایج پرداخته می شود. از مثال هایی که در این دوره بررسی می شود می توان به جریان حول کره، توربین 1 استیج، جریان حول ایرفویل، انتقال حرارت خارجی، توربوماشین 1.5 استیجی و .... اشاره کرد.

جمع بندی 

همانطور که اشاره شد تحلیل توربورماشین ها از اهمیت بسزایی در مباحث آکادمیک و صنعتی برخوردار است. نرم افزارهای زیادی در این حوزه توسعه داده شده اند و در دسترس مهندسین هستند. نرم افزار ANSYS CFX یکی از قدرتمند ترین نرم افزارها برای شبیه سازی های با دقت بالا در زمینه توربوماشین هاست.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا گروه آموزشی پارس پژوهان