ANSYS CFX

The enhancements in the CFD and FSI features of the new ANSYS-CFX 12 release are here described. In the first part of the article, the main guidelines followed by ANSYS during the software development are given. The guidelines are founded on the concept of integrating all the ANSYS applications in the WorkBench environment that allows the management of the whole design flow: from the generation of the parametric model to the different kinds of analysis. In the second part, the new features of ANSYS CFX 12 are described, highlighting the new physical models, the integration between existing models and new operating modes. ANSYS' efforts were targeted to industry and to applications that can cope with all analysis fields and accurately simulate the physical phenomena involved in the operation of technologically advanced products.

In questo articolo vengono descritte le caratteristiche della nuova release del software ANSYS CFX 12 per la simulazione termo-fluidodinamica e per lo studio dell’interazione fluido-struttura.
Nella prima parte l’articolo fornisce una visione d’insieme delle linee guida seguite da ANSYS per lo sviluppo dei propri software. Queste linee si basano sul concetto di integrazione di tutti i software in uno stesso ambiente WorkBench, il quale consente di definire un intero flusso di progettazione tenendo conto di tutti gli aspetti del progetto stesso: dalla creazione parametrica del modello alle varie tipologie di analisi. Nella seconda parte dell’articolo vengono presentate le principali novità di ANSYS CFX 12 in termini di nuovi modelli fisici, integrazione di modelli esistenti e nuove modalità di lavoro.
Lo sforzo di ANSYS va nella direzione di fornire all’industria una serie di software di simulazione che siano in grado di coprire tutti i campi di analisi e di modellare con accuratezza i fenomeni fisici che intervengono nel funzionamento di prodotti tecnologicamente avanzati.

Introduzione: le linee guida di
sviluppo di ANSYS
Nel primo trimestre del 2009 verrà rilasciata la nuova versione di ANSYS CFX 12. Questa nuova release fa parte di un sostanziale aggiornamento di tutti i software della famiglia ANSYS e vede la nascita di una nuova versione del software WorkBench. Proprio nella struttura di WorkBench-2 sono evidenti i punti fondamentali su sui ANSYS intende sviluppare il proprio software. WorkBench-2 integra al proprio interno tutti i software della famiglia ANSYS: DesignModeler per la definizione del modello geometrico, ANSYS-Meshing per la meshatura e tutti i software per l’analisi meccanico-strutturale e fluidodinamica.
Oltre all’integrazione, WorkBench garantisce anche l’interazione dei software. I modelli meccanico-strutturali e fluidodinamico sono infatti in grado di comunicare facilmente per l’esecuzione di analisi di interazione fluido-struttura. WorkBench inoltre consente di lavorare su modelli parametrici e di definire veri e propri flussi di analisi.
Queste due caratteristiche, integrazione ed interazione, indicano come il software ANSYS si propone come strumento di progettazione e sviluppo prodotto in grado di coprire tutti i campi di analisi. Il secondo punto fondamentale è rappresentato dall’accuratezza e dalla profondità con cui i singoli fenomeni fisici possono essere risolti. Questa è la direzione che viene seguita per lo sviluppo del singolo software. In ANSYS CFX 12 infatti, oltre a migliorare la flessibilità e la facilità d’uso, sono presenti diverse novità sui modelli fisici che vengono impiegati per lo studio di fenomeni complessi quali la combustione, i flussi multi-fase, l’interazione tra domini fluidi e solidi.

ANSYS-CFX-12
Le novità fondamentali di ANSYS CFX 12 possono essere riassunte in tre punti:

• Efficienza ed accuratezza
  
• Soluzione di grandi deformazioni e di interazione fluido-struttura
  
• Simulazione di motori a combustione interna
  

ANSYS CFX 12 vede una riduzione media del 20% dei tempi di calcolo rispetto alla precedente versione 11 e presenta un considerevole aumento di efficienza nei processi di parallelizzazione. L’utilizzo di nuovi schemi numerici per la turbolenza garantisce inoltre robustezza nella soluzione anche con schemi accurati al secondo ordine.
Diversi nuovi modelli permettono la trattazione di corpi solidi in movimento e di grandi deformazioni del dominio di calcolo.
Il modello “Immersed solid” è in grado di simulare l’interazione tra un fluido e un solido in movimento senza avere mesh di calcolo congruenti nei due domini e senza definire deformazioni di mesh. Il solutore è infatti in grado di individuare le celle fluide su cui agisce il solido e di calcolarne l’effetto sul campo di moto.

Il modello “6 degree of freedom” consente di includere un corpo rigido nel dominio di calcolo e di risolvere il suo moto sotto l’azione delle forze fluidodinamiche. Questo modello trova applicazione per esempio in campo navale per il calcolo del moto di una imbarcazione.
Per quanto riguarda lo scambio termico coniugato, in ANSYS CFX 12 è possibile definire pareti sottili (2D) in conduzione assegnando una resistenza termica ed è possibile definire domini solidi in movimento (rotazione o traslazione) e di tener conto del trasporto di calore associato al movimento. Quest’ultimo modello trova applicazione per esempio nello studio di dischi freno. Per quanto riguarda lo scambio dati tra CFX ed il solutore meccanico-strutturale, è stato implementato lo scambio dati su volumi per l’interazione mono-direzionale. Ora anche un campo 3D di sollecitazione termica può essere trasferito da un modello CFD ad un modello meccanico. Già nella versione 11 era possibile trasferire dati tra superfici ed era possibile definire simulazioni di interazione fluido-struttura bi-direzionali.

Con il fine di simulare la termo-fluidodinamica di motori a combustione interna sono stati implementati o migliorati i seguenti modelli:

• Multi-configurazione: permette di definire più simulazioni e una sequenza di analisi all’interno di CFX-Pre. Ogni analisi può impiegare mesh, modelli fisici e condizioni al contorno differenti
  
• Re-meshing: collega il solutore di ANSYS-CFX a una procedura automatica di generazione della mesh. In questo modo si possono trattare grandi deformazioni del dominio mantenendo sempre un’ottima qualità di mesh
  
• Modelli di particle break-up e interazione tra particelle e pareti: nuovi e più accurati modelli consentono di simulare fenomeni di break-up primario e secondario. Inoltre in un flusso che utilizza il modello Lagrangiano, le particelle possono aderire alle pareti, scambiare calore con esse ed evaporare.
  
• Modelli di combustione: è disponibile il nuovo modello di combustione Extended Choerent Flame Model per la simulazione della propagazione di fiamma in sistemi pre-miscelati o parzialmente pre-miscelati. Inoltre sono stati introdotti modelli per simulare l’estinzione della fiamma a parete, l’auto-ignizione e il ricircolo di prodotti di combustione.
  

Per quanto riguarda la turbolenza, sono stati introdotti modelli quali il WALE-LES e il EARSM (Explicit Algebraic Reynolds Stress Model).
Tra i modelli multi-fase euleriani-euleriani va segnalata l’introduzione del modello di ebollizione a parete “Wall Boiling” e l’estensione del calcolo multi-fase con frazioni di volume accoppiate sia per flussi omogenei che non omogenei.
Un’altra importante novità è la possibilità di includere l’effetto di un campo di forza elettro-magnetico sul fluido (forze di Lorentz e riscaldamento per effetto Joule).
Dal punto di vista della semplicità d’uso è stato migliorato il linguaggio interno CFX Expression Language e sono disponibili leggi pre-definite per il trattamento di fluidi non-newtoniani.
Infine dalla nuova versione CFX-Post cambia nome in CFD-Post in quanto diventa il software di post-processamento comune a tutti i solutori fluidodinamici di ANSYS.