ANSYS FLUENT được lập ra từ những năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr.John Swanson. Hệ thống tính toán Swanson tại Mỹ là một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý , cơ học chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau.
Hình 3. 1. Thiết lập mô hình mô phỏng
Trong thư mục Option: Chọn thiết lập Double Precision
Hình 3. 3. Các thiết lập khác
Hình 3. 4. Giao diện chính của Ansys Fluent
Hình 3. 6. Kiểm tra hình học
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán học cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn , cơ học thủy khí, cơ học đất,cơ học kết cấu, các bài toán động, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán tương tác đa trường vật lý.ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới.
ANSYS FLUENTcó những tính năng nổi bật như sau :
Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và chính xác cũng như truyền dẫn những mô hình CAD.
Thư viện phần tử lớn có thể thêm phần tử , loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng phần tử trong mô hình tính toán.
Đa dạng về tải trọng : Tập trung, phân bố, nhiệt.
Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu.
Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như : Trường ứng suất , trường nhiệt độ, ảnh hưởng của điện từ.
Tạo những mẫu kiểm tra cho môi trường có điều kiện làm việc khó khăn Hệ thống MENU có tính trực giác giúp người dùng có thể định hướng sử dụng trong suốt quá trình ANSYS FLUENT.
Các công việc cần chuẩn bị khi mô phỏng ANSYS FLUENT
Trước hết cần phải chọn được kiểu phần tử phù hợp với bài toán cần giải ANSYS FLUENT cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau.
Tiếp theo mỗi bài toán cần đưa vào mô hình vật liệu, cần xác lập rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, với mỗi vật liệu cần nhập đầy đủ các thông số vật lý.
ANSYS là phần mềm giải bằng các phương pháp số, chúng giải trên mô hình hình học thực. ANSYS cho phép xây dựng các mô hình 2D và 3D,với các kích thước thực, hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thật, vì thế nên chúng ta phải xây dựng mô hình gần như thật. Hai mô hình sẽ được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán.
ANSYS cho phép chia lưới phần tử do người dùng chọn hoặc tự động chia lưới, số lượng nút và phần tử quyết định đến sự chính xác của bài toán
Trong hệ thống tính toán của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.
Nếu đã có kết cấu có thể sử dụng ANSYS để kiểm tra xem kết cấu có đủ độ bền hay không nếu chưa đủ bền thì tìm ra nguyên nhân là ở đâu và từ đó tìm ra cách khắc phục kịp thời , hoặc nếu có sai hỏng thì cũng biết được lý do tại sao.
Nếu chưa có kết cấu thì có thể dùng ANSYS để nghiên cứu và tìm ra phương pháp tối ưu cho kết cấu tránh được những sai sót gây ra thiệt hại.
Trong xây dựng, ANSYS giải quyết rất tốt các bài toán liên quan đến cơ học đất, đàn nhớt, kết cấu xây dựng, hiện tượng nứt do sinh nhiệt trong bê tông, khảo sát các vật liệu mới trong xây dựng cũng như các loại kết cấu liên hợp mới.
Trong cơ khí, ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất biến dạng, nhiệt, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá hủy của chi tiết. Nhờ việc xác định đó có thể tìm ra được thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều loại vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, các vật liệu siêu đàn hồi,…
Trong hàng không, tàu thủy; ANSYS có khả năng tính toán được dòng chảy tác động lên vật thể từ đó chúng ta có thể dễ dàng thiết kế hình dáng cho tối ưu nhất và còn rất nhiều ứng dụng khác.
Trong lĩnh vực dầu khí, ANSYS hỗ trợ đắc lực cho chúng ta trong việc thiết kế chế tạo kết cấu giàn khoan, tính toán áp suất tác động vào thành ống dầu khí, độ xâm thực của nước biển đối với vật liệu giàn khoan.
Quá trình làm một bài toán mô phỏng CFD SOLVER bao gồm:
CAD: Đưa hình học thực vào trong bản vẽ máy tính. Sau khi CAD có hình học sẽ đưa file output của CAD vào Solver để chia lưới tính toán (MESH). MESH xuất ra sẽ được input vào CFD SOLVER để tính toán.
Các bước thực hiện:
- Xây dựng hình học (Build geometry) - Chia lưới (Meshing (coarse mesh))
- Xử lí bài toán (Post processing)
- Chia lại lưới để có lưới mịn hơn và so sánh với lưới cũ (Re-mesh (finer mesh) and comparison)
Hình 3. 7. Giao diện phần mềm Ansys Fluent
Hình 3. 8. Giao diện Design Modeler
Quy trình xác định mục tiêu của bài toán mô phỏng và lựa chọn scale (tỉ lệ) và domain (miền)
Xác định mục tiêu của bài toán
Lựa chọn một tỉ lệ (scale) (hoặc nhiều scale – multiscale) phù hợp với mục đích
Hình 3. 9. Lựa chọn Scale mesh
Ví dụ: Khi hình học được tạo trong centimet (cm) muốn tính toán về mét ta phải Scale
Phân tích lựa chọn miền (domain) (2D, 2D symmetry, 2D axis – symmetry, 3D, 3D đối xứng 1/2, 3D đối xứng 1/4 …. Hoặc domain cho dòng kiểu periodic) dựa vào tính chất của bài toán trong thực tế điều kiện máy tính để chạy mô phỏng,…
Quy trình chuẩn bị hình học gồm 4 bước chính:
Chuẩn bị hình học đầy đủ ( có thể là vẽ bằng phần mềm 2D, 3D bất kì như Solidworks, Inventer, CAD,…)
Phân tích những chỗ, vật thể,… trong hình học đầy đủ mà những phần đó ảnh hưởng rất ít hoặc không ảnh hưởng đến mục đích của bài toán mô phỏng
Đơn giản hoá hình học
Kết hợp với xử lí hình học (làm sơ bộ đối với hình học phức tạp, có thể xử lí hoàn toàn đối với hình học đơn giản): Xoá các mặt, đường thừa, trùng nhau, overlap… (Tuy nhiên các phần mềm 2D, 3D hầu như không xử lí được 100%, nên cần có bước xử lí hình học nằm bên trong các phần mềm chia lưới hoặc phần mềm chuyên xử lí cho hình học mô phỏng). Hình học cần đảm bảo dòng đi liên tục theo đúng yêu cầu thực tế.
Quy trình xử lí hình học:
Loại bỏ mặt và đường thừa, trùng nhau có thể dùng SpaceClaim để làm việc này (Modul này hoàn toàn sử dụng để làm bước chuẩn bị hình học) hoặc lựa chọn các option trong phần mềm chia lưới như ICEM, Ansys Meshing, Fluent Meshing
Quy trình chia lưới gồm 6 bước chính:
1. Xác định và đặt đúng loại Boundary condition cho từng mặt, đường… 2. Xác định và đặt đúng loại Boundary condition cho zone (fluid, solid…)
3. Xác định loại lưới sẽ sử dụng (tetrahedral, hexaherdral, polyhedral…), tính toán lớp ìnlation nếu cần, xác định chỗ nào sẽ xuất hiện gradient thay đổi lớn, xác định khu vực nào có ảnh hưởng lớn đến kết quả bài toán
4. Chia lưới: Có thể dùng bất kì phần mềm nào thuận tiện nhất. Trong các modul của ansys thì có ICEM, ansys meshing, fluent meshing. ICEM mạnh về chia lưới hexahedral, Fluent meshing mạnh về tất cả các loại. Chia lưới sao cho đảm bảo độ dày lớp inflation, chỗ nào có gradient thay đổi lớn và khu vực nào có ảnh hưởng lớn đến kết quả thì cho mật độ lưới lớn
0 ≤ 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑜𝑟𝑡ℎ𝑜𝑔𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑎𝑙𝑖𝑡𝑦 ≤ 1 (3.1) Bằng 1 là tốt nhất, tốt hơn là không nhỏ hơn 0,1
0 ≤ 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑠𝑘𝑒𝑤𝑛𝑒𝑠𝑠 ≤ 1 (3.2)
1,7 ≤ 𝑎𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 ≤ 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑦 (3.3)
Hình 3. 10. Đánh giá lưới
Hình 3. 11. Các diều kiện orthogonal quality
Hình 3.12 Hiển thị Contours cho biết lưới tốt hay xấu
6. Lặp lại các bước từ 1 đến 5 của quá trình này nếu lưới không đảm bảo các yêu cầu chính
Quy trình mô phỏng gồm 5 bước chính
1. Xây dựng (nếu cần) và thiết lập mô hình toán học, bao gồm mô hình rối, nhiệt bức xạ,… boundary condition của inlet, outlet.
Chú ý kiểm tra lại Boundary condition một lần nữa, thay đổi lại nếu cần 2. Xây dựng (nếu cần) và thiết lập phương pháp số để giải mô hình toán
học, bao gồm loại phương pháp số, phương pháp nội suy, URF,… 3. Thiết lập tham số đánh giá hội tụ
4. Chạy mô phỏng
5. Kiểm tra sự hội tụ. Kiểm tra hoặc thay đổi các bước từ 1 đến 4 nếu mô phỏng không hội tụ. Nếu đạt thì quay lại bước chuẩn bị hình học và chia lưới
Quy trình phân tích kết quả
Tính toán từ kết quả mô phỏng, hoặc lấy trực tiếp từ mô phỏng rồi so sánh với thí nghiệm, hoặc một nguồn nào đó tin cậy
Nếu kết quả không khớp với thực nghiệm thì cần xem lại bước mô phỏng
Phân tích các kết quả khác