Гидрогазодинамический решатель – один из ключевых факторов, определяющих скорость, надежность и достоверность результатов CFD-моделирования. В линейке программных продуктов Ansys к наиболее популярным CFD-решателям относятся Ansys CFX и Ansys Fluent. Часто перед пользователем продуктов Ansys, занимающихся расчетами гидрогазодинамики, возникает вопрос: в чем преимущество каждого из решателей? Какой из программных пакетов наиболее соответствует той или иной задаче CFD-моделирования? Какую из программ можно рассматривать в качестве универсального инструмента для широкого круга проблем?

Ключевые различия в функционалах Ansys CFX и Ansys Fluent

Решатели CFX и Fluent достаточно давно интегрированы в линейку программных продуктов Ansys, объединенных на платформе Workbench. Это позволяет рассматривать их в качестве альтернативных инструментов для CFD-моделирования. Каждый из них может использоваться как в ходе автоматизированных многовариантных исследований режимов течения и конструкций, так и в связке со сторонними решателями (напряженно-деформированного состояния, электромагнетизма и химической кинетики). Инструменты Ansys CFX и Ansys Fluent базируются на решении методом контрольных объемов уравнений Навье-Стокса, а в качестве входных геометрических (конструкционных) данных используется сеточное разбиение области течения. Ключевые различия и уникальный функционал этих решателей раскрываются в деталях. В Ansys Fluent за центр контрольного объема принимается непосредственно центр ячейки сеточного разбиения, а в Ansys CFX – узел сетки. Таким образом, по умолчанию разрешение пристеночного течения в Ansys CFX оказывается на половину ячейки «точнее», чем на той же самой сетке в Ansys Fluent. В то же время, в Ansys Fluent поддерживается полиэдрический тип элементов, призванный нивелировать это «отставание» от Ansys CFX. Для создания таких элементов в решателе Ansys Fluent предусмотрена специальная команда (на основе уже имеющейся импортированной тетра или гибридной сетки).

Изначально в Ansys Fluent поддерживалось несколько видов решателей и два основных способа интегрирования по времени – жесткий стационар и полное моделирование нестационарных процессов. Обеспечение сходимости базовых задач (например, таких как дозвуковая аэродинамика) в стационарном режиме может требовать тонкой настройки решателя на уровне алгебраических операций, а расчет в нестационарном режиме – больших затрат временных и вычислительных ресурсов. При этом представленные в Ansys Fluent варианты решателей не были универсальными и рекомендовались к использованию в зависимости от типа моделируемых задач. Такая философия предоставляла расчетчикам определенную гибкость, необходимую при решении очень специфических задач, особенно академических. В Ansys CFX по умолчанию используется один единственный решатель и квазистационарный подход, в рамках которого, при наличии адекватной сеточной модели, обеспечивается стабильная сходимость решения большинства дозвуковых и трансзвуковых задач. Благодаря этому пользователи Ansys CFX не обременены выбором и не нуждаются в проведении серии дополнительных верификационных и валидационных расчетов с целью выявления наиболее оптимального для моделирования решателя. С недавних пор этот подход по умолчанию доступен и в Ansys Fluent. Кроме того, традиционно Ansys СFX более доступен для кастомизации за счет возможности применения простых выражений типа Expression, в то время как в Ansys Fluent кастомизация выполняется с подключением и компиляцией UDF-функций, написанных на языке программирования высокого уровня. С недавних пор выражения Expression введены в основной функционал Ansys Fluent, что повышает удобство адаптации решателя под конкретные условия задачи. Таким образом, в Ansys Fluent постепенно включаются основные, наиболее удобные преимущества Ansys СFX. В то же время и Ansys CFX расширяет свой функционал новыми моделями, которые ранее были доступны только в Ansys Fluent.

Характерные задачи, решаемые в Ansys CFX и Ansys Fluent

Самая заметная специализация Ansys СFX как программного продукта связана с возможностями моделирования гидрогазодинамики турбомашин с использованием модуля Ansys СFX Turbo. Этот модуль содержит спектр инструментов, упрощающих создание вычислительного проекта по моделированию вращающихся сред на всех этапах: от построения лопаток и галтелей турбомашин, до многовариантного анализа с использованием аналога поверхности отклика – инструмента Operating Maps. Однако нельзя не отметить, что Ansys Fluent содержит гораздо более широкий набор моделей турбулентности, многофазных течений, течений с химическими реакциями, возможностей интеграции с пакетами численного моделирования обледенения Ansys FENSAP-ICE и Ansys Fluent Icing, чем Ansys CFX. Например, для моделирования многофазных задач в Ansys Fluent доступна модель VoF-to-DPM. Эта модель позволяет в ходе расчета одновременно моделировать стратифицированные и дисперсные течения. Таким образом, вторая фаза, например, вода в воздушной среде, может быть описана как в формализме Volume of Fluid в сплошном состоянии, так и с использованием Discrete Phase Method в виде точечных дискретных включений – в зависимости от размера включения. Опытные расчетчики многофазных течений могут представить, насколько этот подход быстрее и удобнее с точки зрения затрат времени и вычислительной мощности. Кроме того, в последних версиях Ansys Fluent доступен собственный прочностной решатель, благодаря чему становится возможным моделировать процессы двустороннего взаимодействия течения и конструкции (FSI) без дополнительных программных продуктов. Это лишь некоторые примеры уникальных специализированных инструментов Ansys Fluent, не содержащихся в других программных продуктах CFD-моделирования (в том числе и в Ansys CFX).

Особенности графического интерфейса

Среди пользователей Ansys СFX долгое время существовало представление о графическом интерфейсе Ansys Fluent как о чрезвычайно запутанном, неудобном и попросту некрасивом. Стоит ли говорить, что графический интерфейс – важнейшая составляющая современного программного обеспечения, которая определяет время, затрачиваемое на настройку решения, введение входных данных и на обработку результатов.

В последних версиях Ansys Fluent графический интерфейс претерпел значительные изменения, которые сделали его одновременно удобным и для опытных, и для начинающих пользователей, а также соответствующим современным эстетическим стандартам. Кроме того, стал доступным выбор поверхности мышью в окне отображения сеточной модели для назначения граничных условий или анализа результатов, возможность сортировки граничных условий по типам (wall, inlet, symmetry и др.), два различных типа изометрического отображения и 3D фоновая сетка. В то же время в Ansys Fluent по-прежнему доступен некоторый дополнительный функционал, скрытый из графического интерфейса, но доступный из командной строки, так называемый TUI.

Проблема выбора

Часто дискуссию пользователей Ansys CFX и Ansys Fluent можно сравнить с такими глобальными вопросами, как выбор между чаем и кофе, кошкой и собакой, Битлз и Роллинг Стоунз. Для решения широкого круга базовых задач аэрогидродинамики, многофазных течений и течений с химическими реакциями сейчас одинаково хорошо подходят и Ansys CFX, и Ansys Fluent.

При этом исторически Ansys CFX, как правило, привлекает «технарей», конструкторов, инженеров-практиков, ориентированных на быстрое получение результатов CFD-исследования с гарантированной надежностью. Такая репутация сложилась у Ansys CFX благодаря тому, что решатель имеет очень ограниченное количество настроек и в большинстве случаев успешно работает без вмешательства в них со стороны пользователя. Поэтому расчетчик фокусируется исключительно на прикладных аспектах задачи, таких как граничные и начальные условия, математические модели физических явлений. Ansys Fluent чаще выбирают пользователи с углубленной математической подготовкой, исследующие результаты CFD-моделирования в зависимости и от вариантов конструкции, и с учетом выбора схемы дискретизации, интерполяции и других «тонких» настроек алгебры.

Какой из этих подходов ближе – решать Вам. В любом случае, сделать рациональный выбор Вам всегда помогут специалисты компании КАДФЕМ. На нашем сайте все курсы, касающиеся вычислительной гидрогазодинамики, представлены как для Ansys CFX, так и для Ansys Fluent на выбор. Ознакомиться с доступным перечнем Вы можете по ссылке https://elearning.digitaltwin.ru/service-on-demand/online-module/ в соответствующем разделе. Или напишите нам через форму обратной связи.