ANSYS FLUENT ist ein Finite-Volumen-Programm zur Berechnung von Strömungsproblemen aller Art. Einige der Programmfeatures sind: 

• stationär, instationär
• inkompressibel, kompressibel
• laminar, turbulent
• Mehrphasenströmung (Fluid-Fluid, Fluid-Solid)
• newtonsche und nicht-newtonsche Fluide
• freie Oberflächen
• gekoppelte Wärmeleitung und -konvektion
• bewegte Gitter
• chem. Reaktionen, Verbrennungen
• u.v.m.

FLUENT bietet eine Oberfläche, über die alle notwenigen Informationen für

• Randbedinungen
• Solvern
• Lösungskontrolle

eingegeben werden können. Gleichzeitig kann auch die Ergebnisdarstellung und Visualisierung durchgeführt werden.

FLUENT ist zusammen mit anderen ANSYS-Produkten wie ANSYS CFX, ANSYS Mechanical in der ANSYS Workbench integriert, die eine komplette Entwicklungsumgebung für CFD- oder Strukturmodelle darstellt. Die Funktionalitäten der Präprozessoren älterer Versionen, wie GAMBIT, TGrid u.a. sind in den Workbench-Modulen DesignModeler und ANSYS-Meshing übernommen worden. Anspruchsvolleres Postprozessing von ANSYS Berechnungsergebnissen kann mit CFD-Post, dem gemeinsamen Postprozessor für ANSYS CFX und ANSYS FLUENT durchgeführt werden.

Fluent ist am SCC zentral auf dem bwUniCluster (UC2) installiert, steht aber allen Instituten auch zur lokalen Installation zur Verfügung.

Folgende Bedingungen müssen eingehalten werden:

For Program(s) which contain the terms Academic, Associate, Research, EduPack or Teaching in the Program Name (hereinafter, “Academic Program(s)”), the following terms shall apply:

1. The analysis work performed with the Academic Program(s) must be non-proprietary work.
2. Licensee and its Contract Users must be or be affiliated with an academic facility. In addition to its employees and Contract Users, Licensee may permit individuals who are students at such academic facility to access and use the Academic Program(s). Such students will be considered Contract Users of Licensee.
3. The Academic Program(s) may not be used for competitive analysis (such as benchmarking) or for any commercial activity, including consulting.
4. Notwithstanding any terms of the Agreement to the contrary, Academic Program(s) may be accessed and used by Licensee at the Designated Site or any other location within a 50 mile/80 kilometer radius of the Designated Site. Academic Program(s) with Ansys Academic Multiphysics Campus Solutions and/or Academic Extended LAN in place (as may be identified in the License Form or Quotation) may be accessed and used by Licensee at the Designated Site or any other location within the same country as the Designated Site; provided, however, that (i) such access and use is and shall remain subject to Export Laws, (ii) Licensee is expressly prohibited from accessing or using the Academic Program(s) at or within any U.S. embargoed country or area; and (iii) access and use of the Academic Program(s) shall be limited to Licensee’s employees and Contract Users (including students) who are based and/or registered to attend classes at the Designated Site. Such limitations apply to any access and/or use of the Academic Program(s), including, but not limited to, access via a VPN connection or through license borrowing.
5. TECS for the Academic Program(s) will be provided at the sole discretion of Licensor and/or its Affiliates and/or Channel Partners. In the event TECS is provided, all Customer Support requests must be initiated via the Ansys Learning Forum at www.ansys.com/forum, and Section 9 TECS of the Agreement shall apply.

Academic Program(s) which contain the term "Associate" in the Program Name may only be used for non-proprietary industry related research, degree and/or non-degree related research, student instruction, student projects, and student demonstrations.

Academic Program(s) which contain the term "Research" in the Program Name may only be used for non-proprietary degree and/or non-degree related research, student instruction, student projects, and student demonstrations.

Academic Program(s) which contain the term "Teaching" or “EduPack” in the Program Name as well as any free student downloads may only be used for student instruction, student projects, and student demonstrations.

Academic Program(s) which contain the term “Academic” or “Tools” but do not contain the terms "Associate", "Research", “EduPack” or "Teaching" in the Program Name assume the terms of use of the Academic Program(s) it is used with. When used as a standalone program, or if the Program(s) are not associated with any other Academic Program(s), the Program may only be used for degree and/or non-degree related research, student instruction, student projects, and student demonstrations.

Academic Program(s) which contain the term "Campus Solution" in the Program name contain combinations of Academic Research and Academic Teaching Products, and as such each of these component products must be used in accordance with the Academic Research & Academic Teaching terms of use described above. 

Where Licensee is using the Academic Program(s) for research projects, Licensee will, if requested by Licensor, submit a Case Study prior to the end of the License Term.  The Case Study will be in English, contain a title and an abstract, and include: (1) the purpose of the study; (2) the approach used to conduct the study; (3) the results obtained; (4) the conclusion as to the results obtained versus the objective of the study; (5) how the Academic Program(s) contributed to the study; (6) three color graphics of the model and meshes; and (7) the Academic Program(s) input files or session log file.

Inhaltsverzeichnis

Einleitung
FLUENT System
FLUENT Dateien
FLUENT-Aufruf
FLUENT-Aufruf auf den Linux-Clustern des SCC
Erstellen einer FLUENT Kommandodatei
User Defined Functions (UDF) in FLUENT
 

Einleitung

FLUENT ist ein Finite Volumen Programm zur Berechnung von Strömungsproblemen. Die Probleme, die behandelt werden können, lassen sich folgendermaßen umschreiben:

• isotherm: die Energiegleichung wird nicht gelöst
• nichtisotherm: die Energiegleichung wird gelöst
• kompressible und nichtkompressible Fluide
• laminare und turbulente Strömungen
• stationäre und instationäre Strömungen
• newtonsche und nichtnewtonsche Fluide
• Mehrphasenströmungen (Fluid-Fluid, Fluid-Solid)
• gekoppelte Wärmeleitung und -konvektion
• bewegte Gitter
• freie Oberflächen
• chemische Reaktionen, Verbrennungsprozesse

Für eine intensivere Beschreibung wird auf die FLUENT Dokumentation verwiesen.
 

FLUENT System

FLUENT kann als Standalone-Anwendung genutzt werden, aber auch als integrales Modul innerhalb der ANSYS Workbench. In dieser Kurzanleitung konzentrieren wir uns auf den ersten Aspekt. Die folgende Grafik skizziert den Workflow eines FLUENT-Projektes:

HyperMesh ist ein Modellierer und Vernetzer, der die wichtigsten Solver-Formate erzeugen bzw. importieren kann. Außerdem kann bis auf weiteres auch noch GAMBIT und TGrid benutzt werden, um FLUENT-Netze zu erzeugen. Informationen dazu fiden Sie hier. Es gibt noch weitere "Third Party"Systeme, wir beschränken uns hier aber auf die Verhältnisse am SCC.
 

FLUENT Dateien

FLUENT arbeitet mit folgenden Dateien:

FLUENT-Aufruf

Die Liste der Optionen beim FLUENT-Aufruf ist sehr lang, die meisten davon sind für uns nicht interessant oder gültig. Hier also nur diejenigen, die für und von Bedeutung sind:

mit der Bedeutung

Wenn die weder die -g noch die -gu Option gesetzt ist, öffnet sich der FLUENT Launcher, in dem wichtige Voreinstellungen vorgenommen werden können:

Klickt man auf "Start With Selected Options", erscheint die eigentliche FLUENT Grafikoberfläche.

FLUENT-Aufruf auf den Linux-Clustern des SCC

Auf dem Linux Cluster bwUniCluster wird ein Modulkonzept eingesetzt. Um ANSYS zu verwenden, müssen Sie zuerst das entsprechende Modul laden. Sie erhalten alle vorhandenen Software-Module, indem Sie

module avail
 
eintippen. Um das Modul der aktuellen Version von ANSYS zu laden, geben Sie auf dem bwUniCluster Folgendes ein:
 
module load cae/ansys
 
Sie können das Modul auch mit der gewünschten Versionsnummer laden, wie z.B.
 
module load cae/ansys/2023R2


Auf den Linux-Clustern des SCC sollte die Ausführung von FLUENT unter Kontrolle eines Job Management Systems stattfinden, welches die Rechnerressourcen für den FLUENT-Job bereitstellt. Um die Verwendung von FLUENT auf diesen Clustern zu vereinfachen, wurde das Startskript ‚fluentjob‘ bereit gestellt. Der Aufruf des Solvers für den bwUniCluster lautet demnach:

fluentjob -v version -j name -t cpu-zeit -m memory [-p procs][-n nodes][-q queue]

Die Bedeutung der Parameter ist die folgende:

Hier ein Beispiel, um eine Fluent Berechnung parallel auf zwei Knoten mit jeweils 40 Prozessoren und 90.000 MB Hauptspeicherbedarf für 120 Minuten zu starten:

fluentjob -v 3d -j test -t 120 -n 2 -p 40 -m 90000
 

Der Aufruf von FLUENT kann auch per Skript durchgeführt werden. Hier nachfolgend ein Skript "run_fluent.sh", wie man eine FLUENT Berechnung parallel auf zwei Knoten mit jeweils 40 Prozessoren auf dem bwUniCluster startet:

1. mit IntelMPI:

#!/bin/sh
#SBATCH --nodes=2
#SBATCH --ntasks-per-node=40
#SBATCH --time=2:00:00
#SBATCH --mem=90gb
#SBATCH --partition=multiple
module load cae/ansys/2023R2
source fluentinit
scontrol show hostname ${SLURM_JOB_NODELIST} > fluent.hosts
time fluent 3d -mpi=intel -pib -g -t80 -cnf=fluent.hosts -i test.inp

2. mit OpenMPI:

#!/bin/sh
#SBATCH --nodes=2
#SBATCH --ntasks-per-node=40
#SBATCH --time=2:00:00
#SBATCH --mem=90gb
#SBATCH --partition=multiple
module load cae/ansys/2023R2
source fluentinit
scontrol show hostname ${SLURM_JOB_NODELIST} > fluent.hosts
time fluent 3d -mpi=openmpi -g -t80 -cnf=fluent.hosts -i test.inp

Um das Skript an das Job Management Systems zu submittieren, führen Sie Folgendes aus
 

sbatch run_fluent.sh

Weitere Informationen zum Batchsystem der jeweiligen Clustern erhalten Sie unter diesen Links:

bwUniCluster
 

Erstellen einer FLUENT Kommandodatei

Das FLUENT-Fenster gestattet es, die FLUENT-Eingabe über mausgesteuerte Menüs durchzuführen, man kann aber auch, obwohl mühsamer, die Eingabe über die Tastatur im Kommando-Modus machen. Die Eingabe über Kommandos muß im Falle eines Batch-Laufes in einer Datei zur Verfügung gestellt werden. Dazu kann das Journal-File beitragen, das aber ebenfalls als Protokolldatei aus einer Sitzung im Kommando-Modus hervorgegangen sein muß, da sonst Informationen über die Benutzeroberfläche enthalten sind.

Die einfachste Vorgehensweise, die dann zu einer Standard-Kommandodatei führt, ist die folgende:

1. Man bereitet das Modell komplett, bis auf die Initialisierung über die Menüs Solver -> Initialize... --> Initialize und Solver --> Iterate... --> Iterate vor.
    
2. Das Einlesen der .cas Datei, die Initialisierung, den Start des Solvers und das Herausschreiben der Ergebnisse werden dann durch die Kommandodatei veranlaßt, die im fluentjob eingelesen wird.

3. Das Postprocessing wird dann wieder interaktiv durchgeführt.

Beispiel:

Das FLUENT-Modell heiße cavity.cas. Die folgenden Kommandos stehen in der Datei cavity.inp

Ein entsprechender Aufruf wäre dann z.B.

fluentjob -v 2d -j cavity.inp -n 1 -p 10 -t 10 -m 40000

Informationen über die FLUENT-Kommandos findet man im FLUENT Users Guide.
 

User Defined Functions (UDF) in FLUENT

In FLUENT besteht die Möglichkeit, während der Lösungsphase auf den Solver zuzugreifen. Dies geschieht über vom User zu erstellende C-Programme, die über Standardschnittstellen, den DEFINE Macros, unter Benutzung spezieller Datentypen direkt auf den Lösungsprozess Einfluss nehmen. UDFs stehen zur Verfügung für

• Randbedingungen: Profile für Geschwindigkeiten, Temperatur, Turbulenz, Spezies
• Quellen: Massen, Impuls, Energie, Turbulenz, Spezies
• Materialeigenschaften: Viskosität, Leitfähigkeit, Dichte etc.
• Anfangsbedingungen
• globale Funktionen
• skalare Funktionen
• modellspezifische Funktionen: Reaktionsraten, turbulente Viskosität, diskrete Phasenmodelle

Eine genaue Beschreibung und Beispiele findet man im UDF Manual.

UDFs können auf 2 Arten in ein Modelleingebunden werden, als interpreted UDF oder compiled UDF.

Unter der grafischen Obefläche werden die UDFs über die Menüfolge Define --> User-Defined --> Functions --> Compiled oder Interpreted eingebunden. In das Modell "eingeklinkt" werden sie, je nach Typ über das Define Menü und dann Boundary Conditions ..., Cell Zone Conditions ..., Materials ... usw. Es gibt auch ein spezielles Menü Define --> User-Defined --> Function Hooks ...,  über das Funktionen und Anfangsbedingungen eingebunden werden. Auch hier findet man eine genaue Beschreibung im UDF Manual.

Anschließend kann das FLUENT-Modell weiter vorbereitet und das .cas File gespeichert werden. Wenn dieses .cas File in folgenden FLUENT-Sitzungen geöffnet wird, sind die UDFs ohne weitere Aktionen einsatzbereit. Hat man bei der Vorbereitung ein Journal-File mitprotokollieren lassen, kann dieses wieder als Grundlage für ein Batch-Inputfile dienen, um den FLUENT-Job auf den Linux-Clustern des SCC unter fluentjob zu starten.

Die oben beschriebene Prozedur kann auch im Kommandozeilen-Format durchgeführt werden (s. Beispiel unten), so dass eine Eingabedatei für fluentjob erzeugt werden kann, um das Ganze im Batch auf den SCC-Clustern auszuführen.

Im Falle von Compiled UDFs kann die Übersetzung und das Laden auch außerhalb von FLUENT erfolgen. Das hat den Vorteil, dass speziell bei der Entwicklung und beim Testen des UDFs, alles auf Betriebssystemebene stattfindet, also schneller ist. Wenn die UDF fehlerfrei und in FLUENT eingebunden ist, benötigt man in der Batch-Eingabedatei keine UDF-spezifische Eingaben. Somit ist diese Variante die flexibelste.

Beispiel

Im folgenden Beispiel soll das oben Gesagte demonstriert werden. Es wird im UDF-Manual unter den Beispielen in Kap. 8.2.4 genau beschrieben. Es handelt sich um ein gebogenes Rohr, dessein eine Hälfte entlang der Achse aus einem porösen Material besteht, in dem ein Gas, welches aus einer Spezies a besteht und von links einströmt in ein Gas der Spezies b gemäß eine Reaktionsrate umgewandelt wird. Diese Reaktionsrate muss als UDF formuliert werden und soll als Compiled UDF in das Modell eingebunden weden. Das Modell ist 2-dimensional.

Das Modell liegt schon in der Datei rate.cas vor. Die UDF rate.c sieht folgendermaßen aus

/******************************************************************/
/* */
/* Custom Reaction Rate */
/* RALF 5.0 */
/* */
/* Authors: Heather Andrews and Eric Bish */
/* Date: February 1998 */
/* */
/******************************************************************/

#include "udf.h"

#define K1 2.0e-2
#define K2 5.

DEFINE_VR_RATE(user_rate, cell, thread, r, mole_weight, species_mf, rate, rr_t)
{
float s1 = species_mf[0];
float mw1 = mole_weight[0];

if (FLUID_THREAD_P(thread) && THREAD_VAR(thread).fluid.porous)
*rate = K1*s1/pow((1.+K2*s1),2.0)/mw1;
else
*rate = 0.;
}

Interaktiv über grafische Oberfläche

Nach Aufruf von FLUENT und Einlesen von rate.cas startet man Define --> User-Defined --> Compiled ...

Über den Add... Button wählt man rate.c aus und als Name für die Shared Library, die erzeugt werden soll, ist standardmäßig libudf eingetragen. Mit Build startet man den Compile/Load Vorgang und mit Load wird die soeben erzeugt shared Library libudf in das Modell geladen. Die weitere Vorgehensweise findet man im UDF Manual Kap. 6.2.33 Hooking DEFINE_VR_RATE UDFs. Über Models --> Species --> Edit sollte schon vorher folgende Einstellung vorgenommen worden und in rate.cas abgespeichert sein:

und über Define --> User-Defined --> Function Hooks ... wählt man die UDF user_rate aus, so wie der Name in rate.c festgelegt wurde.

Man beachte, dass die shared Library, in der user_rate enthalten ist, mit angezeigt wird. Es bleibt noch, im Solver Menü den Solver zu initialisieren und zu starten. Ein Ergebnis, den Anteil der Spezies a, sieht man im folgenden Konturplot:

Über Kommandozeilen

Die Leerzeilen entsprechen der Betätigung der Return-Taste. Falls der Job weitergerechnet werden soll, z.B. weitere Iterationen, oder mit anderen Anfangsbedingungen, reicht als Eingabedatei

file/rc rate.cas
solve/init
s-d
x 0.1
q
if
q
solve/iterate 50
q
file/wcd rate.cas
y
exit

Compile/Load auf Linux-Ebene

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die SCC-Cluster. Auf dem Arbeitsverzeichnis, das ist das Verzeichnis, in dem sich das Case-File rate.cas befindet, wird die folgende Verzeichnisstruktur aufgebaut und Makefiles kopiert:

mkdir libudf
cd libudf
cp /software/all/ansys_inc13/v130/fluent/fluent13.0.0/src/makefile.udf2 Makefile
mkdir src
cd src
cp /software/all/ansys_inc13/v130/fluent/fluent13.0.0/src/makefile.udf makefile
cd ..
mkdir lnamd64
cd lnamd64

Im Unterverzeichnis lnamd64 (der Name entspricht der Linux-Architektur) werden jetzt Unterverzeichnisse angelegt, je nach Dimensionalität und Genauigkeit, also eines von

2d    2ddp    3d    3ddp

und wenn parallelisiert gerechnet werden soll, auch noch

2d_host und 2d_node

oder

3d_host und 3d_node

Anschließend wird das UDF rate.c nach src kopiert und in makefile die beiden Variablen

SOURCE=rate.c
FLUENT_INC=/software/all/ansys_inc13/v130/fluent

gesetzt. Sodann geht man in das Unterverzeichnis libudf und startet

make "FLUENT_ARCH=lnamd64"

Die UDF wird compiliert und die Library libudf erzeugt. Anschließend siehrt die Verzeichnisstruktur wie folgt aus:

 Die shared Library libudf muss nur noch geladen und die Function Hooks eingerichtet werden (s.o.)

Mitglieder des KIT können die Software und das Installationshandbuch direkt von unserem ftp-Server
https://ftp.scc.kit.edu/pub/campus/ANSYS/ herunterladen.

Aus dem Campusnetz heraus können Sie auch direkt über
CIFS: \\\sccfs.scc.kit.edu\Service\SCC\sccfs-ftp\pub\campus bzw.
NFS: sccfs.scc.kit.edu:/Service/SCC/sccfs-ftp/pub/campus zugreifen.

In folgenden Verzeichnissen finden Sie die entsprechenden Installationsdateien  im ISO-, TAR- bzw. ZIP-Format:

LINX64 ................... Linux, 64 Bit
WIN64 .................... Windows, 64 Bit

Eine 32 Bit-Version steht nicht mehr zur Verfügung.

Im Verzeichnis Dokumentation finden Sie u.a. das Installationshandbuch und die Release Notes (im ZIP-Format):

Gehen Sie wie folgt vor:

1. Laden Sie die ISO, TAR- bzw. ZIP-Files aus dem entsprechenden Verzeichnis herunter.
2. Entpacken Sie jedes der Pakete in einem separaten Ordner bzw. mounten diese. Unter Windows 10 können Sie ISO-Files direkt mounten.
3. Starten Sie unter Windows anschließend die Datei setup.exe. Im sich nun öffnenden Installationsfenster installieren dann die ANSYS Produkte.
   Unter Linux geben Sie INSTALL -noroot ein. Installieren Sie keinen lokalen Lizenzmanager.
4. Nach der Installation erscheint ein Fenster, in dem Sie den Lizenzserver spezifizieren müssen. Hier geben Sie ein:
   bei SERVER       : 10550@scclic4.scc.kit.edu
   bei ANSLI_SERVERS: 2325@scclic4.scc.kit.edu
5. Sie können auch im Nachhinein im Unterverzeichnis Shared File\Licensing bzw. shared-files/licensing in der Datei ansyslmd.ini die beiden Zeilen eintragen:
   SERVER=10550@scclic4.scc.kit.edu
ANSYSLI_SERVERS=2325@scclic4.scc.kit.edu

Die Dokumentation ist Online erhältlich. Für den Zugriff (auch auf das Customer Portal) müssen Sie sich einen Account bei Ansys anlegen. Bitte erfragen Sie zuvor die Customer Number bei den Betreuern. Es kann aber auch eine lokale Installation (WINX64 / LINX64) erfolgen.

Version 2023R1:

Unter https://ftp.scc.kit.edu/pub/campus/ANSYS/ANSYS2023R1/Documentation/ finden Sie folgende Dokumentationsdateien:

• ansysproductpdfdocv231.zip Handbücher und Installationsanleitungen
• ansysreleasedoc.7z Versions-Dokumentation
• ANSYS_Inc._Installation_Guides.pdf
• Infos zu den einzelnen Installationspaketen

Version 2022R2:

Unter https://ftp.scc.kit.edu/pub/campus/ANSYS/ANSYS2022R2/Documentation/ finden Sie folgende Dokumentationsdateien:

• ansysproductpdfdocv222.zip Handbücher und Installationsanleitungen ( Liste )
• ansysreleasedoc.7z Versions-Dokumentation
• ANSYS_Inc._Installation_Guides.pdf
• Infos zu den einzelnen Installationspaketen

Aus dem Campusnetz heraus können Sie auch direkt über
CIFS: \\\sccfs.scc.kit.edu\Service\SCC\sccfs-ftp\pub\campus\ANSYS bzw.
NFS: sccfs.scc.kit.edu:/Service/SCC/sccfs-ftp/pub/campus/ANSYS zugreifen.