ANSYS وCFD مقدمه به1.

• مبانی دینامیک سیالات محاسباتی)(CFD

oتعریف و مفهوم CFD

oدینامیک سیالات محاسباتی چیست؟ oنقش CFDدر علوم مهندسی و طراحی

oمزایا و محدودیتهای استفاده از CFD

oکاربردهای CFD oتعریف چگالی، ویسکوزیته، فشار و دما

oتفاوت سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی oقانون پایستگی جرم (معادله پیوستگی)

oقانون دوم نیوتن (معادلات ناویر-استوکس) oقانون اول ترمودینامیک (معادله انرژی)

oطبقهبندی جریانها oجریان لایهای و آشفته

oجریانهای تراکمپذیر و تراکمناپذیر یا oجریان پایا و ناپا

oاصول ریاضیاتی CFD

oمعادلات دیفرانسیل حاکم

oمعادلات دیفرانسیل جزئی ))PDEsدر دینامیک سیالات

oخطی و غیرخطی بودن معادلات سیالات

(Initial Conditions) ) شرایط اولیهBoundary Conditions) شرایط مرزیo

oگسستهسازی معادلات oتبدیل معادلات دیفرانسیل به معادلات جبری

oروشهای عددی: تفاضل محدود ) ،(FDMحجم محدود () ،(FVMاجزاء محدود ((FEM

3.3 oشاخصهای کلیدی در تحلیل عددی

(Convergence) همگراییo

(Stability( پایداریo

(Accuracy( دقتo

oروشهای عددی در CFD

(Finite Difference Method - FDM( روش تفاضل محدودo

oاصول و کاربردهای FDM

oاستفاده از شبکههای یکنواخت

(Finite Volume Method - FVM( روش حجم محدودo

oاصول حجم کنترل و حفظ پایستگی

oکاربرد گسترده در CFDمدرن

Finite Element Method - FEM)( روش اجزاء محدودo

oتحلیل سیالات در هندسههای پیچیده oکاربرد FEMدر مسائل چندفیزیکی

oحلگرهای CFD oروشهای حل معادلات خطی و غیرخطی

(Implicit( ( و ضمنیExplicit) روشهای صریحo

oحلگرهای مستقیم و تکراری

oالگوریتمهای حلگر

Coupled وPISO ،SIMPLE الگوریتمo

• معرفی نرمافزارANSYS

, Chemkin, Turbomachinery ANSYS AIM , Forte , Polyflow Fluent, Icepak آشنایی باo

Tools, Steady-State Simulation, Transient Thermal Analysis Through-Flow Analysis, DiscoveryوCFX ،Turbo Setup,

oتفاوتها و کاربردهای هر ماژول

(Pre-Processing)پیشپردازش2.

2.1ایجاد هندسه

• اهمیت هندسه در شبیهسازیهای مهندسی

• تأثیر کیفیت و دقت هندسه بر نتایج تحلیل

• ارتباط بین هندسه، مشبندی و شرایط مرزی

ANSYS DesignModeler • معرفی

ANSYS SpaceClaim • معرفی

• تفاوتها و کاربردهای هر محیط

• مدلسازی

• وارد کردن و ادغام مدلهایCAD

(Geometry Simplification( • سادهسازی هندسه

• حذف جزئیات غیرضروری مانند سوراخها و لبههای ریز

• استفاده از ابزارهای Defeaturing

• یجاد قسمتهای کوچکتر برای بهبود مش

• تعریف سطحها و لبههای خاص برای شرایط مرزی

• بررسی خطاهای هندسه ((Geometry Check

• تصحیح سطوح و احجام معیوب

• ایجاد سطوح Freeform

• استفاده از ابزارهای Surface Modeling

• مدلسازی پیشرفته برای مسائل پیچیده (توربین، تجهیزات حرارتی و غیره)

Meshing)( شبکهبندی2.2

مقدمه به شبکهبندی)(Meshing

2.2.1تعریف شبکهبندی)(Meshing اهمیت و نقش شبکهبندی در شبیهسازیهای عددی

انواع تحلیلهایی که به مشبندی دقیق نیاز دارند ،FEA ، CFDتحلیلهای چندفیزیکی

2.2.2تأثیر کیفیت مش بر شبیهسازی ارتباط بین دقت، پایداری و اندازه مش تأثیر مش ضعیف بر همگرایی و زمان حل 2.2.3مقایسه روشهای شبکهبندی دستی و خودکار مزایا و معایب هر روش کاربردها بر اساس پیچیدگی مسائل

2.2.4ابزارها و ماژولهای شبکهبندی درANSYS

ANSYS Meshing ICEM CFD Fluent Meshing Workbench Meshing

مفاهیم پایهای شبکهبندی

2.2.5انواع عناصر مش

عناصر یکبعدی :) (1Dمناسب برای تیرها و قابها

عناصر دوبعدی :) (2Dمثلثی و مربعی

عناصر سهبعدی ) (3Dتتراهدرال، هگزا ،hedralمنشوری

2.2.6پارامترهای مهم کیفیت مش Skewnessشاخص انحراف از شکل ایدهآل

::Aspect Ratioنسبت ابعاد عناصر

:Orthogonalityزاویه بین سطوح عناصر

2.2.7ساختار مش

:Structured Meshمناسب برای هندسههای منظم

:Unstructured Meshمناسب برای هندسههای پیچیده

Unstructured وStructured ترکیبی ازHybrid Mesh:

روشهای شبکهبندی

(Global Meshing) شبکهبندی کلی2.2.8

تعریف تنظیمات مش در کل دامنه مزایا و محدودیتها (Local Meshing) شبکهبندی موضعی2.2.9 مشبندی دقیق در نواحی حساس کاربرد در نواحی مرزی و مناطق با تغییرات شدید

Sweep Meshing2.2.10 تعریف و کاربرد

تنظیمات برای ایجاد مش هگزا hedralدر دامنههای قابلSweep

Multi-Zone Meshing2.2.11

مشبندی ترکیبی برای هندسههای پیچیده کاربرد در مسائل چندفیزیکی

مشبندی دوبعدی)(2D Mesh

2.2.12اصول و کاربردها مناسب برای مسائل صفحهای و هندسههای ساده 2.2.13انواع الگوهای مش دوبعدی

(Triangular)مش مثلثی

(Quadrilateral)مش مربعی

2.2.14نکات و تنظیمات خاص کنترل اندازه مش برای حفظ دقت اصلاح کیفیت مش در گوشهها و لبهها

مشبندی سهبعدی)(3D Mesh

2.2.15اصول و کاربردها مناسب برای تحلیلهای حجمی و سهبعدی 2.2.16انواع الگوهای مش سهبعدی

مش تتراهدرال)(Tetrahedral

hedral (Hexahedral)مش هگزا

(Prismatic)مش منشوری

2.2.17استراتژیهای شبکهبندی سهبعدی

استفاده از Refinementبرای دقت بالا

ترکیب انواع مش برای کاهش زمان محاسبات

(Boundary Layer Meshing)شبکهبندی لایه مرزی

2.2.18تعریف و اهمیت لایه مرزی درCFD

نقش لایه مرزی در مسائل جریان سیال تأثیر بر دقت نتایج در مسائل آشفته 2.2.19ایجاد و تنظیم لایه مرزی تعریف تعداد لایهها و ضخامت آنها تنظیم نرخ رشد لایه مرزی ()Growth Rate

(Adaptive Meshing)شبکهبندی تطبیقی

2.2.20تعریف و مفهوم شبکهبندی تطبیقی تنظیم مش بر اساس نتایج اولیه شبیهسازی کاربرد در مسائل غیرخطی

Adaptive Mesh Refinement (AMR) استفاده از2.2.21

فعالسازی AMRدرANSYS تنظیمات برای بهبود خودکار کیفیت مش

مشبندی برای کاربردهای خاص

مشبندی در مسائلCFD

شبکهبندی در نواحی با تغییرات فشار و سرعت استفاده از مش ریز در مناطق گردابهای مشبندی ضخامتها و نواحی بحرانی

استفاده از عناصر SolidوShell

مشبندی برای انتقال حرارت شبکهبندی لایههای حرارتی تمرکز بر مرزهای تماس حرارتی

بررسی کیفیت مش

2.2.22ابزارهای بررسی کیفیت مش درANSYS

ابزارهای گرافیکی و عددی برای تحلیل کیفیت مش

Aspect Ratio وSkewness ارزیابی معیارهای

2.2.23رفع مشکلات مش اصلاح عناصر با کیفیت پایین بهبود مش در نواحی بحرانی

مشبندی باICEM CFD

• آشنایی با محیطICEM CFD

oرابط کاربری و ابزارها oنحوه وارد کردن و استفاده از هندسهها

oشبکهبندی oتنظیمات پیشرفته بلوکبندی

oتکنیکهای ساخت مش هگزاhedral

oبهینهسازی مش

oشبکهبندیHybrid

(Multi-Layer Mesh) ایجاد مش چندلایهo

Named Selections o

و سایر معیارهاAspect Ratio ،Skewness تحلیلo

oاستفاده از گرافها و نقشههای کیفیت مش oشناسایی و اصلاح عناصر ضعیف

oمدیریت شکست در فرآیند مشبندی

oتنظیم نرخ رشد و اندازه مش برای بهبود سرعت

oاستفاده از Coarseningدر نواحی کماهمیت

oتکنیکهای کاهش حجم داده و بهبود کارایی

• انواع شبکهها

Prism) ،Hexahedral ، (Tetrahedral مشسازی چندوجهیo

( و تولید آنStructured Hexa Mesh) وجهی6 شبکهo

.3تنظیمات حلگر و فیزیک شبیهسازی

معرفی حلگرها درANSYS

CFX وFluent معرفی

کاربرد هر حلگر در مسائل مختلف CFD

3.1تعریف فیزیک مسئله

• تنظیمات مواد:

oخواص سیالات تراکمپذیر و تراکمناپذیر oرفتار غیرنیوتنی

oرفتار نیوتنی

oانتخاب نوع تحلیل ) (Steady-Stateیا ) (Transientبسته به ماهیت مسئله.

• تنظیم مرزها:

(Inlet Conditions( شرایط مرزی ورودیo

Velocity Inlet: oتعریف سرعت ورودی ثابت یا متغیر.

Mass Flow Inlet: oتنظیم نرخ جریان جرمی ورودی.

Pressure Inlet: oتعریف فشار ورودی برای جریان.

. در شبیهسازیهای تراکمپذیرStatic Pressure وTotal Pressure o

Outlet Conditions)( شرایط مرزی خروجیo

Pressure Outlet oتنظیم فشار خروجی برای جریان.

Outflow oشرایط خروجی برای مسائل بدون اطلاعات فشار.

Mass Flow Outlet oتعریف نرخ جرمی خروجی

oشرایط مرزی دیواره ((Wall Conditions

Wall oبدون لغزش ) (No-Slipو با لغزش (.(Slip

oتعریف شرایط حرارتی دیواره:

oدمای ثابت.

oشار حرارتی (.(Heat Flux

Adiabatic Wall).( دیواره عایقo

oمدلسازی زبری دیواره ( Wall Roughnessبرای جریانهای نزدیک دیوار.

Symmetry Conditions)( شرایط مرزی تقارنیo

Periodic Conditions)( شرایط مرزی تناوبیo

Open Boundary Conditions)( شرایط مرزی بازo

Far-Field: oشبیهسازی جریانهای آزاد مانند آیرودینامیک.

Pressure Far-Field: oبرای شبیهسازی جریانهای تراکمپذیر.

Specialized Boundary Conditions)( شرایط مرزی خاصo

Interface: oاتصال دو دامنه مختلف.

Fan: oمدلسازی فن در جریان.

Porous Jump: oشبیهسازی جریان در محیطهای متخلخل.

Inlet/Outlet Vent: oبرای تحلیل سیستمهای تهویه.

Radiator: oمدلسازی سیستمهای خنککننده.

oنحوه تنظیم شرایط مرزی وابسته به زمان برای مسائل گذرا ().Transient

oانتخاب مناسب شرایط مرزی برای جلوگیری از خطاهای همگرایی.

oترکیب شرایط مرزی مختلف در یک شبیهسازی.

oتاثیر شرایط مرزی بر دقت و صحت نتایج.

• انتخاب مدلهای جریان:

Laminar Flow Models) ( مدلهای جریان آرامo

Turbulent Flow Models)( مدلهای جریان آشفتهo

Spalart-Allmaras Model o

k-ε Models o

k-ω o

LES o

DES o

Transition k-kl-omega o

Transition SST o

Reynolds Stress o

Scale-Adaptive Simulation (SAS) o

Detached Eddy Simulation o

Large Eddy Simulation o

RANS Model o

Subgrid-Scale Model o

• شبیهسازی انتقال حرارت: oهدایت، همرفت و تابش

Conjugate Heat Transfer - CHT)( شبیهسازی مسائل ترکیبیo

oمدلسازی مبدلهای حرارتی

Eulerian Wall Film Dialog Box o Potential/Electrochemistry Dialog Box o Battery model o

• جریانهای واکنشی:

oتعریف جریانهای واکنشی.

oنقش واکنشهای شیمیایی در مسائل مهندسی:

oاحتراق، راکتورها، فرآیندهای شیمیایی و زیستمحیطی.

oدستهبندی واکنشهای شیمیایی:

Heterogeneous).( و ناهمگنHomogeneous) ( واکنشهای همگنo

oمعادلات حاکم بر جریانهای واکنشی:

Species Transport Equation).( معادله بقای جرم و گونههاo

oمعادله انرژی و نقش آن در مسائل حرارتی.

oمعادله بقای جرم شیمیایی و نرخ تولید یا مصرف گونهها.

oشرایط مرزی خاص جریانهای واکنشی.

Species Transport Model):( مدل انتقال گونههاo

oشبیهسازی انتشار و همرفت گونهها.

oتعریف واکنشهای شیمیایی در فاز گاز.

oنرخ واکنش و معادلات سینتیک شیمیایی

Combustion Models):( مدل احتراقo

Premixed Combustion).( احتراق پیشآمیختهo

Non-Premixed Combustion).( احتراق غیرپیشآمیختهo

Partially Premixed Combustion)( احتراق ترکیبیo

Eddy Dissipation Models):( مدل اختلاط-واکنشo

. برای احتراق توربولنتEDC (Eddy Dissipation Concept) مدلo

oترکیب سینتیک شیمیایی و اختلاط توربولنت.

Heterogeneous Reactions):( مدلهای واکنش ناهمگنo

oواکنشهای سطحی ( )Surface Reactionsو حجمی.

oکاربرد در کاتالیزورها و واکنشهای دیوارهای.

Chemical Melting/Solidification):( • مدل انجماد/ذوب شیمیایی

oمدلهای چندفازی با واکنش شیمیایی:

oواکنشهای فازی با مدلهای چندفازی (DPM). ،Eulerian ،VOF

oتعریف واکنشهای شیمیایی:

oمعرفی مکانیزمهای واکنش شیمیایی.

oتعریف واکنشهای سینتیکی:

oواکنشهای مرتبه اول، دوم و چندگانه.

oافزودن دادههای واکنش به :Fluent

oاستفاده از فایلهای .Chemkin

oوارد کردن نرخ واکنشهای سفارشی.

oتعریف و کنترل محصولات و مواد اولیه.

• تنظیمات پیشپردازش برای جریانهای واکنشی

oواکنشهای وابسته به زمان و پایا:

oشبیهسازی مسائل پایا ( )Steady-Stateو وابسته به زمان ().Transient

oتنظیمات حلگر:

Explicit oو Implicitبرای واکنشهای سریع یا آهسته.

oتحلیل پایداری و همگرایی.

oانتقال حرارت و جریانهای واکنشی:

oتحلیل اثرات حرارتی واکنشهای شیمیایی.

oنقش تابش در واکنشهای دما بالا:

oمدلهای تابشی (S2S). ،P1 ،DO

oمثالها و پروژههای عملی

oشبیهسازی کوره احتراقی: تحلیل دما، گونههای گاز و احتراق در یک کوره.

oاحتراق در مشعل صنعتی: شبیهسازی شعله و محصولات احتراق.

oواکنش کاتالیزوری در راکتور:تحلیل واکنش ناهمگن روی سطح کاتالیزور.

oاحتراق در موتور داخلی: بررسی ترکیب پیشآمیخته و غیرپیشآمیخته.

oواکنش در سیستم چندفازی: تحلیل احتراق در حضور ذرات جامد یا مایع.

(Solver Setup)تنظیمات حلگر3.2

• تعریف پارامترهای همگرایی)(Convergence Criteria

• شتابدهی محاسبات با GPUیاHPC

• موازی سازی محاسبات توسط چند سیستم

(Solution)حل مسئله3.3

Initialization):( تنظیمات اولیه	•
Hybrid Initialization).( هیبریدیInitialization Standard Initialization).( استانداردInitialization	oo
Solution Method Solution Controls	•• • •
تعریف مشکلات راooo	گام زمانی ( )Time Stepدر مسائل گذرا:یج در مرحله حل عدم همگرایی زمان طولانی حل رفتار نوسانی متغیرها

(Fluid-Structure Interaction - FSI)تعامل سیال و سازه4.

4.1مقدمه به FSI

•	مفهوم :FSI
• •	تعریف پیشبینی	تعامل سیال و سازه.رفتار دینامیکی سیستمها.
•	دستهبندی مسائل :FSI
One-Way Coupling).( یکطرفهTwo-Way Coupling).( دوطرفه	oo

.4.2مفاهیم پایه FSI

•	تحلیل سیooتحلیل ooارتباط بیo	الاتی: مدلسازی جریان و شرایط مرزی. انتخاب مدلهای فیزیکی مناسب (مانند تراکمناپذیری یا تراکمپذیری).سازهای: تعریف خواص مواد (الاستیک، پلاستیک، ویسکوالاستیک). اعمال بارگذاری سیال بر سازه.ن سیال و سازه: انتقال نیروها و جابهجاییها.
•
•

oنقش مش و تغییر شکل در تعامل.

.4.3انواع تحلیلهای FSI

One-Way Coupling):( یکطرفه	•
oo	انتقال نیرو از سیال به سازه. مناسب برای مسائل استاتیکی یا تغییر شکل کوچک.
Two-Way Coupling):( دوطرفه	•
ooوابسته به زمان o	تبادل داده بین حلگر سیال و سازه. مناسب برای مسائل دینامیکی با تغییر شکل بزرگ.():Transient FSI تحلیل وابسته به زمان و بررسی پاسخ دینامیکی سیستم.	•
Steady-State FSI):( پایا	•
o	شبیهسازی شرایط پایا برای تعامل سیال و سازه.

.4.4ابزارهای FSIدر ANSYS

ANSYS Fluent:	•
oo	حل مسائل سیالاتی. تعریف شرایط مرزی و تعامل.
ANSYS Mechanical:	•
oo	تحلیل سازهای و مکانیکی. مدلسازی تغییر شکل و تنش.
System Coupling:	•

.4.5پیشپردازش در FSI

• •	مدلسازی هندسمشبندی ooتعریف oo	یمشبندی مستقل سیال و سازه. استفاده از مش متحرک ( )Dynamic Meshیا مش تطبیقی.شرایط مرزی: تعریف مرزهای مشترک بین سیال و سازه. اعمال شرایط ورودی و خروجی سیال.
•

.4.6تنظیمات حل FSI

•	انتخاب حلگر مناسب:Fluent. در	o
Mechanical. در	o

• •	تعریف پارامترهای تعامل:

oانتقال نیروها از سیال به سازه.

oانتقال جابهجاییها از سازه به سیال.

تنظیمات گام زمانی:

oانتخاب گام زمانی مناسب برای همگرایی بهتر.

oتنظیمات وابسته به پایداری حل.

.4.7تحلیل و شبیهسازی

• • •

FSIیکoooo

طرفه: سازی بارگذاری سیال و تأثیر آن بر سازه. ی تنش و تغییر شکل در سازه.دوطرفه: شبیهسازی تغییر شکل سازه و تأثیر آن بر جریان سیال. بررسی تغییرات متقابل بین سیال و سازه.مسائل وابسته به زمان: شبیهسازی رفتار دینامیکی سیستم. تحلیل اثرات نوسانات و ارتعاشات.

oشبیهoبررسFSI.4.8پسپردازش در FSI

• • ای

تحل

یل نتایج

oتوزیع نیروها و فشار بر سطح سازه.

oبررسی جابهجاییها، تنشها، و کرنشها.

oبررسی پایداری

oتحلیل پایداری سازه در برابر جریان سیال.

oشناسایی ناپایداریهای دینامیکی.

جاد انیمیشن

(Post-Processing)پسپردازش5.

• نمایش و تجزیه و تحلیل نتایج:

oکانتورهای سرعت، فشار و دما

oخطوط جریان ) (Streamlinesو گردابهها

• تحلیل دادهها:

oبررسی نیروها و گشتاورها روی سازه

oاستخراج دادههای خاص از نقاط و سطوح

• تهیه گزارش:

oایجاد نمودارها، انیمیشنها و تصاویر گرافیکی

.6پروژههای عملی

.6.1تحلیلFSI

• شبیهسازی تعامل سیال با یک پل منعطف • تحلیل رفتار پرههای توربین تحت اثر نیروی سیال

.6.2مسائل چندفازی

• شبیهسازی جریان نفت و گاز در جداکننده

• تحلیل انتقال قطرات در اسپریها • تحلیل جریان مذاب در کانال

6.3انتقال حرارت

• شبیهسازی خنککاری در یک مبدل حرارتی+نانو سیال • تحلیل خنککاری تجهیزات الکترونیکی

.7آموزش ابزارهای پیشرفته

DesignXplorer وAdjoint Solver • بهینهسازی طراحی با

• استفاده از ) UDF (User-Defined Functionsبرای مدلسازی پیشرفته