نرم افزار OpenFOAM چیست؟

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یکی از حوزه‌های کلیدی در دنیای مهندسی است که با بهره‌گیری از روش‌های عددی، امکان تحلیل و شبیه‌سازی رفتار سیالات را فراهم می‌آورد. در همین راستا نیز، نرم‌افزار OpenFOAM یکی از قدرتمندترین و پرکاربردترین ابزارهای CFD است که امکان شبیه‌سازی مسائل پیچیده‌ای مانند جریان سیالات، انتقال حرارت، واکنش های شیمیایی و جریان‌های چندفازی را فراهم می‌کند.

OpenFOAM بر پایه زبان C++ است و در سال ۲۰۰۴ توسط شرکت OpenCFD معرفی گردیده است و تحت لیسانس GNU GPL ارائه می‌شود. این نرم‌افزار مجموعه‌ای از حلگرهای متنوع را برای شبیه‌سازی جریان‌های پیچیده فراهم می‌کند و امکان توسعه و تغییر کدهای آن نیز وجود دارد. OpenFOAM متن باز و رایگان است و امکان سفارشی سازی بر اساس نیازهای شخصی محققان و مهندسان را دارا می‌باشد.

قابلیت های مهم نرم افزار OpenFOAM کدامند؟

OpenFOAM دارای مجموعه‌ گسترده ای از ابزارها و کتابخانه‌های عددی است که امکان شبیه‌سازی مسائل مختلف را فراهم می‌کند. برخی از قابلیت‌های کلیدی این نرم‌افزار عبارتند از:

• مدل‌سازی جریان‌های سیال: شامل جریان‌های آرام و آشفته، تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر.
• انتقال حرارت: تحلیل هدایت، جابجایی و تابش حرارتی در محیط‌های مختلف.
• جریان‌های چندفازی: امکان شبیه‌سازی جریان‌های شامل دو یا چند فاز (مایع-گاز، مایع-مایع و …).
• مدل‌سازی واکنش‌های شیمیایی: شامل احتراق، پلیمریزاسیون و واکنش‌های پیچیده در صنایع مختلف.
• آیرودینامیک: تحلیل نیروی آیرودینامیکی روی وسایل نقلیه، هواپیماها و پره‌های توربین.
• محاسبات مبتنی بر مش: پشتیبانی از انواع مختلف مش‌بندی و قابلیت تطبیق با مش‌های دلخواه.
• امکان پردازش موازی: اجرای شبیه‌سازی‌های بزرگ بر روی سرورهای محاسباتی.

کاربردهای مهم نرم افزار OpenFOAM کدامند؟

به دلیل گستردگی قابلیت های نرم افزار OpenFOAM، از آن در صنایع و حوزه‌های مختلفی استفاده می‌شود. در ادامه با برخی از مهم‌ترین کاربردهای OpenFOAM در صنایع مختلف آشنا خواهیم شد:

1. خودروسازی و آیرودینامیک:

در صنعت خودروسازی، از OpenFOAM برای تحلیل جریان هوا در اطراف وسایل نقلیه، کاهش نیروی درگ، بهینه‌سازی سیستم‌های تهویه و شبیه‌سازی احتراق موتورهای درون‌سوز استفاده می‌شود.

۲. مهندسی هوافضا:

در حوزه هوافضا، این نرم‌افزار برای تحلیل جریان هوا در اطراف بال‌ها، بررسی پایداری پرواز، طراحی بدنه هواپیما و بهینه‌سازی عملکرد توربین‌های گازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۳. انرژی‌های تجدیدپذیر:

نرم افزار اپن فوم در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر، شبیه‌سازی عملکرد توربین‌های بادی و سیستم‌های خورشیدی با تحلیل جریان هوا و الگوهای باد کاربردهای فراوانی دارد.

۴. صنایع نفت، گاز و پتروشیمی:

OpenFOAM در صنایع نفت و گاز برای شبیه‌سازی جریان‌های چندفازی در خطوط لوله، مدل‌سازی احتراق در پالایشگاه‌ها، بررسی انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی و تحلیل جریان در محیط‌های متخلخل کاربرد دارد.

۵. مهندسی دریایی:

در صنعت دریایی، از OpenFOAM برای شبیه‌سازی جریان آب اطراف کشتی‌ها، تحلیل نیروهای هیدرودینامیکی و طراحی سازه‌های دریایی استفاده می‌شود.

۶. علوم پزشکی و بیومکانیک:

در حوزه بیومکانیک، OpenFOAM برای شبیه‌سازی جریان خون در رگ‌ها، تحلیل عملکرد دریچه‌های قلبی و بررسی توزیع دارو در بدن کاربرد دارد.

ویژگی‌های کلیدی نرم افزار OpenFOAM کدامند؟

برای آنکه معرفی نرم‌افزار OpenFOAM در دینامیک سیالات محاسباتی به صورت کامل انجام شود، نگارش اطلاعات زیر نیز لازم بود. این نرم‌افزار به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، قابلیت توسعه و پشتیبانی از مدل‌های متنوع بسیار محبوب است. در ادامه با مزایای نرم افزار OpenFOAM بیشتر آشنا خواهیم شد:

۱. متن‌باز و رایگان

OpenFOAM تحت لایسنس GNU General Public License (GPL) منتشر شده است، به این معنی که کاملاً رایگان بوده و کاربران می‌توانند کدهای آن را تغییر و توسعه دهند.

۲. پشتیبانی از حلگرهای متنوع

• حلگرهای جریان تراکم‌ناپذیر (مانند icoFoam برای جریان آرام و simpleFoam برای جریان پایا)
• حلگرهای جریان تراکم‌پذیر (rhoSimpleFoam و rhoPimpleFoam)
• جریان‌های چندفازی (interFoam و multiphaseEulerFoam)
• انتقال حرارت و احتراق (buoyantSimpleFoam و reactingFoam)
• مدل‌های توربولانسی (k-ε, LES, RANS)

۳. امکان مش‌بندی پیشرفته

• blockMesh → برای تولید مش‌های ساختاری و منظم
• snappyHexMesh → برای تولید مش‌های تطبیقی و غیرفشرده از هندسه‌های پیچیده
• دریافت ورودی از نرم‌افزارهای دیگر مانند ANSYS ICEM، Gmsh و Salome

۴. پشتیبانی از پردازش موازی

• امکان تقسیم دامنه حل با decomposePar
• اجرای حلگر در حالت موازی با mpirun -np <N> solverName

۵. مدل‌سازی جریان‌های چندفازی

• interFoam برای جریان‌های دوفازی با روش VOF (Volume of Fluid)
• EulerFoam برای مدل‌سازی جریان‌های چندفازی Eulerian-Eulerian
• bubbleFoam برای مدل‌سازی جریان‌های حبابی

۶. شبیه‌سازی توربولانس

• مدل‌های RANS (k-ε, k-ω, SST, …)
• مدل‌های LES (Smagorinsky, WALE, DynamicKEqn)
• مدل‌های هیبریدی RANS-LES (DES, DDES)

۷. امکان شبیه‌سازی انتقال حرارت و احتراق

• buoyantSimpleFoam برای شبیه‌سازی جابجایی حرارتی
• reactingFoam برای احتراق و واکنش‌های شیمیایی
• chtMultiRegionFoam برای شبیه‌سازی انتقال حرارت در جامد و سیال

۸. امکان تعامل با سایر نرم‌افزارها

• خروجی به ParaView برای پس‌پردازش و نمایش گرافیکی
• اتصال به ANSYS Fluent، COMSOL، Abaqus
• پشتیبانی از فرمت‌های VTK، STL، OBJ، Ensight

۹. امکان سفارشی‌سازی و توسعه کد

• دارای یک ساختار برنامه‌نویسی شیءگرا در C++
• امکان ایجاد مدل‌های سفارشی با استفاده از کتابخانه‌های عددی پیشرفته

آشنایی با معایب نرم افزار OpenFOAM

پیچیدگی یادگیری: کار با OpenFOAM نیازمند آشنایی با محیط لینوکس و برنامه‌نویسی در زبان C++ است.
عدم وجود رابط گرافیکی پیشرفته: رابط کاربری ساده ای ندارد و بیشتر مبتنی بر دستورات خط فرمان است.
نیاز به پردازش بالا: شبیه‌سازی‌های پیچیده با نرم افزار OpenFOAM نیازمند سخت‌افزارهای قدرتمند است.

اجرای قوی تر و سریع تر OpenFOAM در ابر فردوسی

در بخش قبل خواندیم که یکی از مشکلات استفاده از نرم افزار OpenFOAM این است که اجرای روان و کارآمد آن وابسته به وجود زیرساخت قدرتمندی است. از آنجایی که هزینه های خرید و نگهداری از این زیرساخت ها سرسام آور است، بهترین راه حل موجود استفاده از سرور محاسبات سنگین ابری (HPC Cloud) ابر فردوسی می‌باشد. کاربران این فناوری می‌توانند بدون نگرانی از زمان‌های پردازش طولانی و محدودیت در منابع محاسباتی خود به اجرای شبیه‌سازی‌های CFD بپردازند. همین حالا به قدرت HPC متصل شوید و OpenFOAM را با نهایت کارایی اجرا نمایید:

جمع بندی

نرم‌افزار OpenFOAM یکی از قدرتمندترین ابزارهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است که برای شبیه‌سازی مسائل پیچیده ای مانند جریان سیالات، انتقال حرارت، واکنش های شیمیایی و جریان‌های چندفازی استفاده می شود. این نرم‌افزار متن‌باز و رایگان است و امکان توسعه و سفارشی‌سازی را برای کاربران فراهم می‌کند. از مهم‌ترین قابلیت‌های OpenFOAM می‌توان به مدل‌سازی جریان‌های سیال، شبیه‌سازی آیرودینامیک، محاسبات توربولانسی، پردازش موازی، مش‌بندی پیشرفته و امکان تعامل با نرم‌افزارهای دیگر اشاره کرد. از این نرم افزار می توان با استفاده از فناوری HPC ابری نهایت بهره برداری را داشت.

سوالات متداول

چنانچه سوال یا ابهامی در مورد نرم افزار OpenFOAM در ذهن شما باقی مانده است و یا پیشنهادی جهت تکمیل این مقاله دارید، خوشحال خواهیم شد که در بخش نظرات پاسخگوی شما باشیم. با این حال در ادامه به چند سوال کاربران پاسخ داده‌ شده است:

پیوست ها

فایل PDF مقاله نرم افزار OpenFOAM چیست:

فایل صوتی مقاله نرم افزار OpenFOAM چیست:

منابع مقاله نرم افزار OpenFOAM چیست: