Новые возможности ANSYS Fluent 2021 R1

Уважаемые коллеги! В статье предлагается обзор нововведений в ANSYS Fluent 2021 R1.

 

Разработчики продолжают упрощать настройку моделируемых физических явлений и одновременно с этим работают над вопросами удобства рабочего процесса: оптимизируется внешний вид, упрощается интерфейс, повышается удобство постобработки средствами Fluent.

 

Пользовательский интерфейс

Наиболее важное нововведение с коммерческой точки зрения – это упрощённый функционал и интерфейс программы (Рисунок 1) для новой лицензии CFD-Pro. Поскольку данная лицензия значительно дешевле, чем CFD Premium или Enterprise, то разработчики решили значительно сократить количество доступных настроек и моделей.

Рисунок 1 – Интерфейс Ansys Fluent 2021 R1 для лицензии CFD-Pro

 

Возможности лицензии CFD-Pro:

• Создание сетки через Fluent Watertight Meshing Workflow
• Стационарная постановка
• Однофазные потоки
• Пористые среды
• Ньютоновские и неньютоновские жидкости
• Базовые модели турбулентности (inviscid, laminar, k-epsilon, k-omega (Standard и SST) и Spalart-Allmaras)
• Rotating reference frames, multiple reference frames и модель 2D fan
• Смеси компонентов без химического реагирования
• Запуск в режиме Standalone
• Сопряжённый теплообмен (CHT) без излучения
• Настройки плотности: Incompressible, Ideal-gas, Bousinessque
• Сопряжённый решатель по давлению
• Высокопроизводительные вычисления HPC
• Параметры и Expressions
• Отсутствие UDF и ввода в TUI
• Функционал Batch/Journal недоступен

 

Новая лицензия придётся по нраву инженерам, которым не нужен полный функционал программы, а также начинающим пользователем Fluent.

Для удобства пользователя была оптимизирована панель инструментов и добавлены новые функции (обведены на рисунке 2 слева). Также была введена возможность использования тёмного интерфейса (Рисунок 2 справа).

Рисунок 2 – Обновлённая панель инструментов (слева) и тёмный интерфейс Ansys Fluent 2021 R1

 

Появился ряд новых удобных решений в пост-обработке. Теперь через графический интерфейс возможно создать несколько эквидистантных плоскостей (Рисунок 3 слева) и изо-поверхностей с фиксированным шагом определённой величины (Рисунок 3 справа) без необходимости использования Scheme-программирования.

Рисунок 3 – Эквидистантные плоскости (слева) и совокупность изо-поверхностей (справа)

 

Появилась возможность накладывать подокна с графиками и другими объектами пост-обработки на основное окно (Рисунок 4). Функция доступна как для одиночных снимков, так и для анимации. Также есть нововведения в настройках разрешения изображения. Стали доступны новые более качественные форматы изображения (4K, 2K QHD, WUXGA и 1080p FHD), и теперь не нужно вручную настраивать параметры изображения для получения качественного снимка. Изменения коснулись также и видео энкодера. Был введён новый энкодер, который поддерживает современные форматы (.mp4, .avi, .flv, .mov, .mpeg), а также в нём решены некоторые проблемы со старым энкодером (плохое качество, случайные ошибки на некоторых разрешениях и т.д.).

Рисунок 4 – Сочетание объекта Scene в основном окне и графика изменения давления от времени в подокне

 

Последним наиболее значимым улучшением пользовательского интерфейса стали изменения в Expressions. Теперь они стали доступны для визуализации (Рисунок 5) подобно Custom Field Functions и пользовательским ячейкам памяти UDMI. Также Expressions получили доступ к пространственным и зависимым от времени профилям величин, новые функции для вычисления геометрических центров тяжести объектов, сил и импульсов. Помимо этого, для Expressions появились векторные операции.

Рисунок 5 – Пример визуализации величины, определённой через Expression

 

Для удобства пользователя для Expressions были введены:

• Подсветка синтаксиса (Рисунок 6 а)
  • Улучшение читаемости expressions за счёт различных цветов и шрифтов для функций, операндов, строк и т.д.
• Expression Manager (Рисунок 6 б)
  • Диалоговое окно со всеми Named Expressions и описанием, включающим в себя размерности, тип, связь с параметрами и другими Expressions и т.д.
• Быстрый доступ к Named Expressions (Рисунок 6 в)
  • Для настроек Boundary/Cell zone появился выпадающий список Named Expressions с нужными размерностями

Рисунок 6 – Улучшения интерфейса Expressions

 

 

Fluent Meshing

Во Fluent Meshing появилась возможность объёмных преобразований сетки для режимов (Watertight Geometry и Fault Tolerant). Теперь можно копировать сетку и преобразовывать её из непериодической в периодическую (рисунок 7 слева), а также стало возможно выдавливать все типы ячеек с поверхности (включая полиэдры) после создания объёмной сетки (рисунок 7 справа).

 

Рисунок 7 – Объёмные преобразования во Fluent Meshing

 

Из режима Fault Tolerant в Watertight Geometry был добавлен инструмент Create Local Refinement Regions (рисунок 8). Он применяется для сгущения сетки на смещаемых поверхностях внутри объема.

 

Рисунок 8 – Пример использования Create Local Refinement Regions

 

Среди прочих нововведений Fluent Meshing следует выделить:

1. Изменение ориентации секущей плоскости. Теперь она работает подобно инструменту Plane в решателе.
2. Добавлена полоса со степенью готовности сетки при запуске создания объемной сетки.
3. Добавлена поддержка сеточных файлов формата CFF.
4. Параллельное создание полиэдрической сетки в режимах Fault Tolerant в Watertight Geometry.
5. Оптимизация создания поверхностной сетки благодаря Re-faceting и Modify Surface mesh at invalid normal.
6. Дополнительные настройки для регулирования Stair Stepping при создании призматического слоя.
7. Упрощение работы с Overset Mesh и проблемными зонами Leakage в рамках Fault Tolerant Workflow.

 

 

Горение

В решателе Fluent появилось новое граничное условие Perforated Wall Model, которое способно моделировать прохождение потока через мелкие отверстия в стенках без прорисовки этих отверстий. На рисунке 9 схематически показана данная модель. Необходимо задать координаты осей отверстий, диаметры и коэффициенты сопротивления, а также направление потока. Далее программа сама рассчитывает необходимые источники для учёта явлений в перфорированной стенке.

Рисунок 9 – Схематическое представление модели Perforated Wall Model

 

Верификация модели Perforated Wall Model показана на рисунке 10. На примере расчёта камеры сгорания газовой турбины показано, что Perforated Wall Model даёт результаты по температурам, перепадам давления и массовым долям топлива сопоставимые со случаем, где отверстия полностью прорисовываются.

 

Рисунок 10 – Верификация модели Perforated Wall Model

 

Появилась возможность редактирования библиотек микроламинарных пламен и таблицы плотности вероятности для FGM модели (рисунок 11). Также стало доступным редактирование Flamelet и PDF сеток, а во вкладке Materials в разделе droplet-particle появились керосин (jet-a1-fuel) и дизель (diesel-1-fuel) с настройками теплофизических свойств для широких диапазонов давлений и температур.

 

Рисунок 11 – Новые возможности редактирования во вкладках Flamelet и Table

 

 

 

Многофазные течения

Изменения в области многофазных потоков коснулись по большей части моделей VOF и DPM, а также их взаимодействия.

Самым значимым изменением в VOF является усовершенствование явной (Explicit) постановки, а в частности схемы Geo-Reconstruct. Были улучшена точность, стало доступно использование более крупных временных шагов, что ускоряет расчеты, особенно в задачах с движущимися сетками.

Теперь в версии 2021 R1 временной шаг для аналогичных задач можно увеличить в 10 раз без потери стабильности, как показано на примере (Рисунок 12), где струя несжимающейся жидкости протекает через домен с динамической сеткой. Видно, что при числе куранта 0,33 в старой версии уже появляются численные ошибки и распад струи, чего быть не должно. В новой версии при числе Куранта = 1 решение не теряет точности и стабильности.

Рисунок 12 – Задача прохода струи несжимающейся жидкости через вращающийся домен

 

Другие улучшения VOF включают в себя:

1. Дополнительные алгоритмы для адаптивности временного шага.
2. Добавление гибридного алгоритма NITA в GUI.
3. Улучшение установок по умолчанию / настроек для предварительной адаптации.
4. Автоматическая инициализация физичных значений турбулентности (Localized Turbulence Initialization).
5. Временное явное интегрирование по времени с учётом относительной скорости на уровне подвременных масштабов (Важно для задач с высокими скоростями вращения).
6. Схема дискретизации давления Modified Body Force Weighted.
7. Ввод дополнительных более детальных инструментов контроля стабильности в GUI.

 

В рамках модели дискретной фазы (DPM и DDPM) появились следующие нововведения:

1. Повышено удобство и гибкость задания впрысков частиц: более реалистичные настройки по умолчанию – диаметр капли 100 мкм вместо 1 мкм.
2. Появилась возможность задавать отрицательные углы через GUI.
3. Условия впрыска выстраиваются быстрее.
4. Улучшилось распараллеливание для крупномасштабных задач (от 500 ядер).
5. Введена эрозионная модель DNV: часто используется для оценки разрушения нефте- и газопроводов.
6. Алгоритм High-Resolution Tracking теперь доступен для модели DDPM и Overset Mesh: двустороннее сопряжение частиц и потока стало доступным для задач с Overset Mesh при включённом High-Resolution Tracking.
7. В дополнение к модели VOF-to-DPM (Рисунок 13 слева) стал доступен обратный переход DPM-to-VOF (Рисунок 13 справа) и связь с моделью лагранжевой плёнки LWF (Рисунок 14). Также доступна связка моделей эйлеровой плёнки EWF, VOF и DPM.

Рисунок 13 – Реализация во Fluent перехода VOF-to-DPM (слева) и DPM-to-VOF (справа)

 

Отдельного внимания заслуживает связка моделей DPM, VOF и LWF. Отличным примером такой комбинации служит задача по моделированию работы дворников автомобиля во время дождя (Рисунок 14). Капли дождя моделируются, как частицы DPM, стекающие плёнки воды учитываются, как лагранжевы плёнки LWF, а крупные скопления воды – разрешаются как реальный объем воды с поверхностью раздела через модель VOF. В задаче задействована сетка из 457230 тетраэдрических элементов и MAPDL (System Coupling) для задания движения дворников.

 

Рисунок 14 – Моделирование работы дворников на автомобильном стекле в дождь с помощью связки моделей DPM, VOF и LWF

 

Изменения в эйлеровой постановке в основном касаются повышения удобства и стабильности уже существующих моделей GENTOP и Population Balance, а также вводом новых подмоделей Population Balance, которые раньше могли быть задействованы только с помощью UDF.

Среди дополнительных подмоделей Population Balance:

1. Модель Liao разрушающихся пузырей / модель слияния Liao: используется в более сложных задачах с пузырями (Liao et al., 2015).
2. Модель Wall Lubrication Force по Lubchenko: для адиабатических и неадиабатических постановок в задачах пристеночного кипения.
3. Коррекция боковой силы (Lift Force) Shaver и Podowski: затухание боковой силы около стенок.
4. Модель расчёта коэффициента боковой силы (Lift Force) Hessenkemper-et-al / Tomiyama.

 

 

Теплообмен

По части задач теплообмена были проработаны вопросы ускорения нестационарного сопряжённого теплообмена, сеточных интерфейсов и лучистого теплообмена.

В частности, для сопряжённого теплообмена жидкость-твёрдое тело появились два новых подхода:

1. Ускорение временного шага для твердого домена с осредненным по времени явным сопряжением (Explicit Thermal Coupling).
2. Слабо сопряженная многодоменная постановка (Loosely Coupled CHT)

 

Explicit Thermal Coupling

Loosely Coupled CHT

Жидкость и твердое прогрессируют в одном интервале Δtsolid > Δtfluid Твердое прогрессирует быстрее чем жидкость На интервалах сопряжения выполняется  tsolid > tfluid Результат усредняется по времени между жидкостным и твердым доменами Актуально для задач с маленьким временным шагом для жидкости, при необходимости перехода к квазистационарному состоянию для твердого тела Полностью реализуется с конформными сетками (Beta-опция для неконформных сеток)

Твердое и жидкое разделены и прогрессируют в различных интервалах Уравнение энергии решается в твердых телах с большим временным шагом меньшее количество раз Δtsolid > Δtfluid На интервалах сопряжения должно выполняться tsolid = tfluid Актуально для задач в которых жидкость нагревается быстрее, но требуется единый временной шаг для твердого и для жидкого Ускорение пропорционально соотношению ячеек твёрдотельных и жидкостных доменов

 

Расположение настроек Explicit Thermal Coupling и Loosely Coupled CHT показано на рисунке 15.

Рисунок 15 – Активация двух способов ускорения нестационарного сопряжённого теплообмена

 

Также для сопряжённого теплообмена была введена новая команда TUI для повышения устойчивости решения (Mesh quality-based gradient limiting). Данная команда ограничивает вторичные градиенты, при этом не отключая их полностью, что позволяет сохранить точность решения. Пример показан на рисунке 16. При стандартном решении имеется некоторый небаланс тепловой энергии, при отключении вторичных градиентов небаланс исчезает, но тепловой поток претерпевает ощутимое изменение. С новым подходом удаётся соблюсти баланс между снижением небаланса и изменением теплового потока.

Команда доступна для уравнения энергии и пользовательских скаляров:

/solve/set/advanced/secondary-gradient-limiting/energy?

/solve/set/advanced/secondary-gradient-limiting/uds?

 

Рисунок 16 – Активация двух способов ускорения нестационарного сопряжённого теплообмена

 

Сеточные интерфейсы стали удобнее для пользователя благодаря упрощению графического и текстового интерфейсов, а также ускоренному созданию интерфейсов. Так, теперь метод создания интерфейсов one-to-one используется по умолчанию в одиночной сессии Fluent без необходимости изменения сетки (при запуске Fluent через Workbench используется старый метод создания интерфейсов many-to-many). Список Mesh Interfaces теперь помимо интерфейсов содержит исходные стенки интерфейсов, а сами интерфейсы можно группировать по материалу, типу зоны и смежности (Рисунок 17). Также стало возможным просматривать пересечённые зоны, образованные при создании сеточных интерфейсов.

 

Рисунок 17 – Обновление группы Mesh Interfaces

 

Пример ускорения создания сеточных интерфейсов показан на рисунке 18. На примере сетки для электродвигателя возможен десятикратный прирост скорости создания интерфейсов. Также для неконформных сеточных интерфейсов в модель излучения Surface to surface (S2S) была добавлена настройка Cluster to Cluster. Теперь при большом количестве интерфейсов коэффициенты View Factors рассчитываются примерно в 3 раза быстрее, а также повышается скорость расчёта лучистого теплообмена.

Рисунок 18 – Ускорение создания сеточных интерфейсов

 

Также появились новые текстовые команды по улучшению устойчивости работы сеточных интерфейсов.

Избегание проблем left-handed face для улучшения точности:

/define/mesh-interface/remove-left-handed-interface-faces?

Детальный расчет градиентов во внутренних интерфейсах (включая интерфейсы fluid:fluid):

/define/mesh-interface/enhance-gradients-at-interior-interfaces?

 

Теперь модели излучения Discrete Ordinates и Monte Carlo работают в эйлеровой постановке. Это принесёт большую пользу при моделировании испарения плёнок и движения нагретых сыпучих материалов.

 

 

 

Акустика и турбулентность

В области акустики появилось весьма удобное нововведение – интеграция Fluent и VRXperience. Появилось диалоговое окно VRXperience Sound Analysis (рисунок 19), в котором можно загружать FRF и FFT файлы, сигналы по давлению, проводить акустический анализ, а также записывать звуковой файл WAV по расчётным данным, выходной сигнал по давлению и акустические индикаторы.

Рисунок 19 – Интеграция Fluent и VRXperience

 

Также было добавлено новое спектральное свойство: PSD of dp/dt для задаваемых пользователем диапазонов частот (Рисунок 20). Таким образом можно найти источник звука, отобразив данную величину на поверхности. Пример определения источника звука показан на рисунке 20. Прикреплённый к стенке цилиндр поперечно омывается турбулентным потоком, и в точке срыва генерируется шум.

Рисунок 20 – Использование новой величины PSD of dp/dt для нахождения источника звука

 

Модели турбулентности Spalart-Allmaras и всё семейство моделей k-ω (в том числе в сочетании с SAS, DES и SBES) получили возможность настраивать точность моделирования разделения потока в углах (например, в каналах со сложным поперечным сечением или в местах соединения крыла и корпуса) с помощью опции Corner Flow Correction (Рисунок 21). Коэффициент CCORNER можно задавать постоянным или через пользовательскую функцию UDF.

 

Рисунок 21 – Функция Corner Flow Correction и коэффициент CCORNER

 

 

Прочностной анализ

Во встроенном модуле Structural для прочностного анализа появилась возможность моделировать термические линейные и нелинейные деформации с односторонним и двусторонним сопряжением. На рисунке 22 показан пример двустороннего анализа биметаллической пластины, омываемой горячим потоком в тройнике. Также была введена UDF для задания объёмных сил в твёрдых телах DEFINE_SOURCE_FE (например, силы тяжести, для прогиба конструкций от собственного веса). Также была улучшена пост-обработка и стабильность работы решателя.

 

Рисунок 22 – Расчёт термической деформации пластины во встроенном модуле Structural

 

 

Overset Mesh

Для модели Overset Mesh стал доступен расщеплённый решатель по давлению. Он решает одну итерацию быстрее, чем сопряжённый, и поэтому может ускорить расчёты некоторых задач. Также было оптимизировано обновление интерфейсов Overset. В целом, благодаря улучшениям моделей VOF и Overset Mesh удаётся добиться трёхкратного ускорения решения задач с редукторами.

Ещё в модели Overset Mesh появилась возможность использовать динамическую адаптацию сетки по алгоритму PUMA. Это особенно важно для задач со свободной поверхностью. Пример показан на рисунке 23, где в канале с перегородками по воде плывёт надувной круг.

Рисунок 23 – Динамическая сетка для моделей VOF и Overset Mesh в разные моменты времени

 

 

Расчётная система

Теперь компенсация низкого качества ячеек стала ещё эффективнее. Раздел Poor Mesh Numerics пополнился двумя новыми критериями:

 

1. Combined residual and mesh quality

Сочетание ортогонального качества и mass imbalance residual по умолчанию

/solve/set/poor-mesh-numerics/solution-and-quality-based?

 

2. Gradient quality

Анализ точности градиента в узлах

/solve/set/poor-mesh-numerics/gradient-quality-based?

 

Сравнение новых алгоритмов со старым на примере расчёта тела Ахмеда показано на рисунке 24. Видно, что два новых алгоритма справляются со стабилизацией расчёта намного лучше. По умолчанию Poor Mesh Numerics активна и работает для ячеек с качеством по ортогональности равным нулю. Данную функцию можно отключать или задавать другой порог качества с помощью TUI.

Рисунок 24 – Сравнение алгоритмов работы Poor Mesh Numerics

 

Теперь Correction Form Numerics, впервые представленный в версии 2020 R2, работает по умолчанию и управляется с помощью команды TUI (/solve/set/advanced/correction-form?). Таким образом стало доступно больше задач в режиме Single Precision, причём для старых задач данный режим стал на 1-2% быстрее, а Double Precision теперь решает быстрее на 5% для сопряжённого (coupled) решателя.

Для твёрдотельных ячеечных зон в окне Cell Zone появилась вкладка Solid Motion (Рисунок 25). Это позволяет гораздо проще и точнее решать задачи, где два тела контактируют и одно движется относительно другого по сравнению с MRF. Например, тормозная колодка и вращающийся тормозной диск. Также наличие данной вкладки позволяет объединять модели MRF и Solid Motion для более сложного случая, когда, к примеру, тормозная колодка и вращающийся тормозной диск поворачиваются относительно рулевой оси.

Рисунок 25 – Вкладка Solid Motion и тормозная колодка с диском

 

Доступен новый метод анизотропной адаптации через команду TUI (mesh/adapt/set/anisotropic-adaption?). Основанный на методе PUMA, он превосходит предыдущие методы в следующих аспектах:

• Может измельчать любые виды ячеек, при этом анизотропно измельчаются только ячейки призматического слоя, тогда как остальные измельчаются изотропно.
• Измельчённые данным методом ячейки можно укрупнять.
• Новый метод не создаёт большие перепады размеров ячеек после нескольких измельчений сетки.
• Измельчение также доступно для ячеек с несколькими направлениями разбиения.

Пример применения нескольких измельчений призматического слоя для задач внешней аэродинамики показан на рисунке 26.

 

Рисунок 26 – Значения Y+ при измельчении сетки по новому алгоритму анизотропной адаптации

 

В Adjoint Solver доступен новый метод трансформации сетки Radial Basis Function, который обеспечивает баланс между качеством сетки и эффективностью работы решателя для задач оптимизации. Также данный метод требует меньше вводных данных для настройки от пользователя.

На рисунке 27 (а) показано сравнение работы Radial Basis Function, Polynomial Method и Direct Interpolation Method:

 

• Radial Basis Function быстрее и точнее, чем Polynomial Method.
• Radial Basis Function лучше сохраняет качество сетки, чем Direct Interpolation Method.

При трансформации сетки с использованием Biharmonic Function для заданного движения Radial Basis Function обеспечивает наилучшее качество сетки и поддерживает значительные деформации (Рисунок 27 б)

Рисунок 27 – Демонстрация работы нового метода Radial Basis Function
а – сравнение со старыми методами, б – пример оптимизации отношения коэффициента теплопередачи и перепада давления

 

В Adjoint Solver были добавлены настройки для задания переменных свойств материалов, что особенно важно для задач высокоскоростной аэродинамики:

• Piecewise-linear/Piecewise-polynomial/Polynomial
• Expression (только от температуры)
• Nasa-9-piecewise-polynomial (для теплоёмкости)
• Power-law (для вязкости)
• Sutherland (для вязкости)

С помощью новых команд текстового интерфейса TUI теперь можно получить доступ к невязкам Adjoint Solver до остановки решения из-за ошибки для диагностики:

• adjoint → expert → diagnosis → print-residuals-by-zone
• adjoint → expert → diagnosis → retain-cell-residuals
• adjoint → expert → diagnosis → print-residuals-by-distribution.

Работа решателя Algebraic Multigrid (AMG) была ускорена для нестационарных расчётов (~0.8%) и особенно при включении настройки Laplace Coarsening во вкладке Multigrid окна Advanced Solution Controls (~5%).

 

Оптимизированы различные аспекты операции File Read/Write

Пример на рисунке 28: case-файл Icepak с 10 тысячами зон:

• 2X при чтении case-файла формата Common Fluids Format (CFF)
• 2.7X при записи case-файла формата CFF
• 1.6X при чтении case-файла старой версии (legacy)

Исправлено долгое чтение сжатых CFF файлов, по сравнению со старым форматом файлов .gz

• CFF-файлы читаются в 5 раз быстрее, по сравнению с версией 2020 R2
• среднем на 30% быстрее, чем чтение старого формата файлов *.gz

Теперь все операции с CFF проходят быстрее, чем с файлами старого формата

 

Рисунок 28 – Сравнение чтения и записи case-файла Icepak с 10 тысячами зон для старого и нового форматов

 

Программирование

В конце хотелось бы отметить изменения в области пользовательских функций UDF:

1. Для Battery Model произведена стандартизация компиляции UDF. Теперь UDF для Battery Model обладают стандартными архитектурой Fluent UDF и процессом компиляции.
2. Теперь при отсутствии установленных в системе компиляторов используется встроенный компилятор Clang 10.0.0, который поддерживает языки C/C++. Если же в системе присутствуют старые неподдерживаемые версии Microsoft Visual Studio или Clang, то нужно при компиляции поставить галочку Use Built-In Compiler.
3. Теперь поддерживаются UDF, написанные на версии C99 языка программирования Си.