کدنویسی در فلوئنت (UDF) از مقدماتی تا پیشرفته

مجموعه‌ی آموزشی فلوئنت دینامیک سیالات محاسباتی مفتخر است بازهم برای اولین بار در کشور کامل‌ترین پکیج آموزش کدنویسی در فلوئنت با عنوان ” کدنویسی در فلوئنت از مقدماتی تا پیشرفته” را اختیار عموم علاقه‌مندان این حوزه قرار دهد.

نرم افزار فلوئنت یکی از قدرتمندترین و محبوب‌ترین نرم افزارهای عددی در زمینه‌ی شبیه سازی انواع مدل‌های فیزیکی بوده و برپایه‌ی زبان برنامه نویسی C کدنویسی شده است و بنابراین از تمامی توان و قابلیت‌های این زبانِ برنامه نویسی برخوردار است.

USER DEFINED FUNCTION که به اختصار UDF نامیده می‌شود، شامل یک یا مجموعه‌ توابعی است که توسط کاربر به زبان C نوشته شده و به منظور انجام عملیات‌های مختلف با نرم افزار فلوئنت لینک می‌شود که از کاربردهای مهم آن می توان به تعریف شرایط مرزی، شرایط اولیه‌ی ثابت و متغیر، تعریف سورس ترم‌ها (ترم‌های منبع یا چشمه)، تعریف خواص فیزیکی سیال، تعریف مواد جدید با ویژگی‌های جدید و تعریف معادلات اساسی اشاره کرد.

سرفصل‌های فصل اول این دوره‌ی آموزشی به شرح زیر است:

بخش اول: مقدمه‌ای بر کد‌نویسی در فلوئنت ( UDF نویسی)

• مقدمه ای بر دینامیک سیالات محاسباتی
• مروری بر نرم افزارهای اپن فوم، فلوئنت و cfx
• معرفی کاربردهای یودی اف نویسی
• تغییر یا تعریف در شرایط مرزی مسئله
• بررسی کاربردهای UDF نویسی نظیر: تعریف شرط مرزی ورودی – توزیع شار حرارتی روی دیواره کانال و تعریف ویسکوزیته تابع دما
• آموزش سینتکس زبان برنامه نویسی C
• آموزش انواع داده های عددی در C  نظیر :   Integer – Float- Real
• ساختار کد نویسی در زبان برنامه نویسی C
• تعریف ثوابت و متغیرها و عملگرها
• دستور حلقه ها و شرطی ها و معرفی توابع ریاضیاتی در زبان برنامه نویسی C

بخش دوم : آموزش یو دی اف نویسی برای تعریف شرایط مرزی و خواص سیال

• آشنایی با ساختار داده‌ها در فلوئنت
  • ساختارهای دو بعدی و سه بعدی در فلوئنت ( Node , face , Cell , Cell Center )
  • ساختارهای مبتنی بر داده در فلوئنت ( Node , face_t, cell_t, Thread , Domain )
• معرفی اشاره گره‌ها (Pointers)  و توضیح چگونگی کارکرد آنها نظیر : اشاره گر به دومین *d، اشاره گر به رشته ها *t، اشاره گر به سلول *C، اشاره گر به صفحه *f، اشاره گر به نقاط *node
• آشنایی با ماکروهای هندسی
  • معرفی ماکروی ( C_CENTROID ( pos , c, t  به عنوان بازگردان مختصات مرکز سلول
  • آشنایی با ماکروی ( F_CENTROID ( pos , f , t  به عنوان بازگردان  مرکز سطح
  • معرفی ماکروی ( C_VOLUME (c , t به عنوان بازگردان حجم سلول

• معرفی ماکروهای حلقه در یودی‌اف نویسی نظیر: (thread_loop_c(t, d حلقه ی اجرایی روی سلول ها، (thread_loop_f(t, d حلقه روی سطوح یک دامنه محاسباتی، (begin_c_loop(c, t حلقه روی سلول‌های یک رشته سلولی و (begin_f_loop(f, t تعریف حلقه روی تمامی سطوح یک رشته سطحی

• ماکروهای بازگرداننده‌ی متغیرهای میدان نظیر: ماکروی چگالی (C_R(c,t، فشار (C_P(c,t، سرعت (C_W(c,t) , C_V(c,t) , C_U(c,t، ماکروی دما (C_T(c,t،  آنتالپی (C_H(c,t، انرژی جنبشی نوع آشفتگی ( C_K(c,t، اتلاف انرژی جنبشی (C_D(c,t و  (C_YI(c,t,i نسبت جرمی خاص

• آشنایی با ماکروهای DEFINE_PROFILE  برای تعریف شرایط مرزی ثابت یا متغیر با زمان یا مکان مانند:  دما، شارحراراتی و فشار روی مرزهای یک ناحیه محاسباتی
• تعریف یو دی اف برای شرط مرزی دمایی سینوسی روی دیوار کانال
• آشنایی با ماکروی  DEFINE_PROPERTY  و تعریف خواص مواد نظیر :  Density و Viscosity یا Thermal Conductivity  و یا Specific Heat Capacity

بخش سوم : آموزش نصب نرم افزارهای کاربردی به منظور برنامه نویسی آسان و حل یک مسئله

• حل مسئله‌ی شبیه سازی میدان جریان و دما در یک لوله در حالت شار حرارتی به دیواره
• حل مسئله سیالاتی خواص فیزیکی وابسته به دما و سرعت وابسته به رینولدز و دمای ورودی
• اجرای مراحل کدنویسی در فلوئنت اعم از طراحی مفهومی برنامه، پیاده سازی برنامه بصورت فایل متنی، کامپایل و اشکال زدایی و اجرای برنامه در فلوئنت، آنالیز نتایج و مقایسه آن با نتایج مورد نظر
• آموزش نحوه استفاده از UDF ها
• چگونگی و مقایسه اجرای کدها توسط Compile و Interpreted
• تعریف یو دی اف برای خواص آب وابسته به دما ( چگالی ، ضریب رسانش، ظرفیت گرمایی ویژه، ویسکوزیته )
• تعریف یو دی اف برای برای سرعت ورودی ضمن حل یک مسئله
• محاسبه و اعتبار سنجی عدد ناسلت با مقالات ISI
• ماکروهای برداری
• UDF تسهیل و ساده سازی اجرای عملیات ریاضی روی بردارها توسط تعریف ماکروهای برداری
• آشنایی و ارائه ی مثال از ماکروهای دو بعدی و سه بعدی NV_MAG
• معرفی ماکروهای RP_ 3D , RP_ 2D و ND_ND
• آشنایی با ماکروهای ND_SUM و ND_V طی مثال
• معرفی ماکروهای NV_V و NV_VV و ND_DOT و NV_V_VS و NV_VS_VS
• آشنایی با ماکروی DEFINE_SOURCE و آرگومان های برای تعریف کردن ترم های چشمه در معادلات مثل پیوستگی و مومنتم
• اختصاص سورس مومنتم منفی به هر سلول در دامنه محاسباتی طی حل یک مسئله
• هندسه های دو بعدی و تشریح شرایط انتخاب planar و  Axisymmetric Swirl و Axisymmetric

بخش چهارم : ماکروهای برداری، یو دی اف نویسی برای تعریف سورس ترم و شرایط اولیه

• تعریف سورس ترم ها
• خطی سازی ترم های چشمه
• حل مسئله ی اختصاص یک سورس مومنتم منفی به همه سلول‌های دامنه محاسباتی
• بررسی تاثیر سورس ترم روی میدان سرعت
• آشنایی با ماکروی تعریف شرایط اولیه
• مقدار دهی اولیه فضای محاسباتی درون و بیرون یک کره محیط به استوانه

بخش پنجم : معرفی ماکروهای عمومی DEFINE و کاربردهای آن‌ها در یو‌دی‌اف نویسی

• معرفی ماکروهای DEFINE و آرگومان های آن‌ها
  • EFINE_ADJUST
  • Message
  • PREVIOUS_TIME
  • CURRENT_TIMESTEP
  • CURRENT_TIME ، N_TIME
  • N_ITER
  • DEFINE_DELTAT
  • (FLUID_THREAD_P(t0
  • DEFINE_EXECUTE-AT-END
  • DEFINE_EXECUTE-AT-EXIT
  • C_UDMI و F_UDMI
  • DEFINE_EXECUTE-FROM_GUI
  • DEFINE_EXECUTE_ON_LOADING
  • DEFINE_ON_DEMAND
  • report _version
  • DEFINE EXECUTE AFTER CASE/DATA
  • DEFINE_EXECUTE_AFTER _CASE/DATA
  • ()Data_Valid_P
  • تعریف یو دی اف برای انتگرال‌گیری از نرخ استهلاک انرژی توربولانسی
  • تعریف یو دی اف برای تغییر گام زمانی در مسئله گذرا
  • تعریف یو دی اف برای محاسبه و پرینت ماکزیمم، مینیمم و متوسط درجه حرارت دامنه محاسباتی

در ویدئوی زیر، بخش‌هایی از جلسه‌ی اول دوره‌ی آموزش کدنویسی در فلوئنت از مقدماتی تا پیشرفته نمایش داده شده است:

در فصل دوم دوره‌ی آموزشی “کدنویسی در فلوئنت از مقدماتی تا پیشرفته” به آموزش اصول یو دی اف نویسیِ UDF جریان‌های چندفازی و جریان‌های آشفته پرداخته‌ایم. سرفصل‌های دوره‌ی آموزشی کدنویسی در فلوئنت منطق‌بر دوره‌های آموزشی شرکت انسیس بوده و برای تهیه‌ی فصل اول و دوم آن حدود ۷ ماه تحقیق و مطالعه انجام شده است.

دوره‌ی آموزشی کدنویسی در فلوئنت از مقدماتی تا پیشرفته هیچگونه مشابه داخلی ندارد و برای اولین بار توسط مجموعه‌ی آموزشی فلوئنت دینامیک سیالات محاسباتی تهیه و منتشر شده است و منطبق با آخرین نسخه‌ی منتشر شده‌ی شرکت انسیس است. 

سرفصل‌های فصل دوم این دوره‌ی آموزشی به شرح زیر است:

بخش اول: معرفی مدل‌های چند فازی در نرم افزار فلوئنت

• مفهوم فاز، جریان‌های چند فازی و رژیم‌های جریان چند فازی
• دیدگاه‌های مدلسازی جریان‌های چند فازی در نرم افزار فلوئنت
• آشنایی با مدل چندفازی VOF، معادلات ،کاربردها و محدودیت‌های این مدل
• آشنایی با روش‌های مدل‌سازی اینترفیس در مدل چند فازی VOF، فرمولاسیون صریح و ضمنی، روش‌های گسسته‌سازی معادله کسر حجمی، کشش سطحی، چسبندگی دیواره
• آشنایی با مدل چندفازی اولرین، معادلات ،کاربردها و محدودیت‌های این مدل
• بررسی نیروهای درگی و غیردرگی در مدل چند فازی اولرین
• آشنایی با مدل چندفازی مخلوط ، معادلات ،کاربردها و محدودیت‌های این مدل

بخش دوم: آموزش اصول یو دی اف نویسی جریان‌های چند فازی

• معرفی ساختارهای داده‌ای مکمل در جریان های چند فازی
• نحوه دست‌یابی به شناسه‌ها (ID) فازها و مخلوط فازها
• معرفی ماکروهای حلقه در جریان‌های چندفازی
• ارائه الگوریتم‌های ساده و مفهومی جهت آشنایی و دست‌یابی به ساختارهای داده‌ای در جریان‌های چند فازی
• حل یک مثال آموزشی برای مقداردهی اولیه‌ی کسر حجمی فازی به بخش محدودی از یک دامنه محاسباتی برای آشنایی با ساختار داده‌ای و ماکروهای جریان در جریان های چند فازی

بخش سوم: آموزش اصول یو دی‌ اف‌ نویسی فرآیندهای انتقال جرم و انرژی برای شبیه‌سازی پدیده‌های تبخیر و میعان در ترموسیفون (لوله‌های گرمایی)

• آشنایی با نحوه عملکرد، کاربرد و انواع لوله‌های گرمایی
• مطالعه انواع جوشش (جوشش جریانی و استخری) و رژیم‌های جریان
• آشنایی با پدیده های تبخیر و میعان
• معرفی مدل Lee   برای شبیه سازی پدیده های تبخیر و میعان
• ارائه ساختار چشمه های جرمی و انرژی برای شبیه سازی پدیده‌های تبخیر و میعان در نرم افزار فلوئنت
• تعریف سورس ترم های انرژی و جرمی با ماکروی DEFINE_SOURCE
• بررسی کامل ساختار یوی دی اف سورس ترم جرمی برای فاز بخار و فاز مایع و ساختار یوی دی اف سورس ترم انرژی برای شبیه‌سازی پدیده های تبخیر و میعان
• اعتبارسنجی و شبیه‌سازی ۰ تا ۱۰۰  پدیده های تبخیر و میعان برای جریان دو فازی درون ترموسیفو.

بخش چهارم : آموزش اصول یو دی اف نویسی جریان های آشفته

• آشنایی با رژیم جریان آشفته، مشخصات و کاربردهای جریان آشفته
• معرفی مفهوم عدد رینولدز و رینولدزهای بحرانی در جریان‌های داخلی و خارجی برای تشخیص آرام یا آَشفته بودن جریان.
• آبشار انرژی و انتقال انرژی از ادی‌های بزرگ به ادی های کوچک در جریان آَشفته.
• روش میانگین‌گیری رینولدز معادلات ناویر استوکس Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) و نحوه استخراج معادلات RANS  و ترم تنش رینولدز .
• مدل سازی ترم تنش رینولدز با استفاده از روش بوزینسک وضریب تناسب ویسکوزیته آشفتگی Eddy Viscosity (or Turbulent Viscosity) و روش انتقالی تنش‌های رینولدز.
• بررسی و مطالعه ویژگی ها،کاربردها و ضعف های مدل های آشفتگی 
• بررسی رفتار نزدیک دیواره در جریان‌های آشفته و تابع بی‌بعد دیواره YPlus
• مطالعه سه لایه زیرلایه لزج، لایه کاملا آشفته و لایه بافر در جریان‌های آشفته نزدیک دیوار.
• آَشنایی با روش‌های شبیه سازی الف) توابع دیواره (Wall Functions) و روش مدل کردن نزدیک دیواره (Near Wall Modeling) در نرم افزار فلوئنت
• کاربرد توابع دیواره استاندارد (Standard Wall Functions) و توابع دیوار غیرمتعادل Non-equilibrium.wall function
• مطالعه رفتار دیوار پیشرفته (Enhanced Wall Treatment) برای شبیه سازی نواحی مجاورت دیوار در جریان های آشفته.

توسعه‌ی مدل کا اپسیلون برای جریان‌های رینولدز پایین

• ارائه فرمولاسیون مدل کااپسیلون با توابع میرایی
• استفاده از User-Defined Scalars (UDS) برای حل معادلات انتقال برای متغیرهای اسکالری که توسط کاربر تعریف می شود
• حل معادلات انتقال کا و اپسیلون در نرم افزار فلوئنت با  استفاده از UDS 
• تعریف توابع میرایی در مدل کا اپسیلون توسط یو دی اف
• تعریف سورس ترم ها در معادلات انتقال کا و اپسیلون با استفاده از ماکروی DEFINE_SOURCE
• تعریف ترم‌های دیفیوژن در معادلات انتقال با استفاده از ماکروی  DEFINE_DIFFUSIVITY
• تعریف ویسکوزیته آشفتگی در یو دی اف با ماکروی DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY
• تعریف شرایط مرزی کا و اپسیلون در یو دی اف با ماکروی DEFINE_PROFILE
• بررسی عملکرد مدل توربولانسی کا اپسیلون اصلاح شده ( برای جریان­های رینولدز پایین ) در شبیه سازی جریان درون لوله

شبیه‌سازی جریان‌های چند فازی و جریان‌های آشفته از اهمیتی بسیار زیادی در علوم مختلف به ویژه در زمینه‌ی علوم مهندسی برخوردار هستند. امروزه فناوری‌های نوین و صنعتی هریک به نحوی از این جریان‌ها استفاده می‌کنند.

شبیه سازی جریان‌های چندفازی و جریان‌های آشفته، همواره از زمینه‌های پر طرفدار در حوزه‌ی دینامیک سیالات محاسباتی هستند و با توجه به اهمیت بالا و کاربردهای فراوان آن‌ها در صنعت، آموزش اصول کدنویسی در فلوئنت (یو دی اف نویسی) به منظور تعریف توابع اختیاری و گسترس دامنه‌ی کاربرد آن‌ها حائز اهمیت است.