نرم افزار اپن فوم OpenFoam چیست؟ چه کاربردی دارد؟

دنیای شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) با ظهور ابزارهای متن‌باز، تحولی بزرگ را تجربه می‌کند. نرم افزار OpenFOAM چیست و چه جایگاهی دارد؟ این سؤال محوری متخصصان R&D و پژوهشگران تحصیلات تکمیلی محسوب می‌شود.

با مطالعه این مقاله، شما یک راهنمای راه کامل برای درک معماری، قابلیت‌ها و چالش‌های این نرم‌افزار به دست می‌آورید. همچنین درمی‌یابید که تسلط بر آن، چه مزیت رقابتی قدرتمندی در بازار کار برای شما ایجاد می‌کند.

نرم افزار OpenFOAM یک جعبه‌ابزار C++ متن‌باز و رایگان برای شبیه‌سازی CFD است. این ابزار انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای را در اختیار توسعه‌دهندگان قرار می‌دهد، اما در مقابل، تسلط بر آن نیازمند دانش عمیق برنامه‌نویسی و اصول عددی است. این ویژگی آن را به انتخابی ایده‌آل برای پژوهش‌های پیشرفته دانشگاهی و صنعتی تبدیل می‌کند.

خلاصه محتوای این مقاله را می‌توانید از طریق فایل صوتی زیر بشنوید:

معرفی نرم‌افزار OpenFOAM

OpenFOAM یکی از پیشگامان در حوزه دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در سطح جهان تلقی می‌شود. این نرم‌افزار توسط جامعه بزرگی از محققین، صنایع، و سازمان‌های دولتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، تعریف OpenFOAM فراتر از یک نرم‌افزار اجرایی ساده قرار می‌گیرد.

OpenFOAM در هسته خود، یک کتابخانه کلاس‌های C++ عظیم را شامل می‌شود. این کتابخانه به طور ویژه برای ساخت برنامه‌های اجرایی با هدف خاص طراحی شده است. این برنامه‌ها در دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: حل‌گرها (Solvers) که وظیفه حل یک مسئله خاص در مکانیک پیوسته را دارند و ابزارهای کمکی (Utilities) که وظایف مدیریت و دستکاری داده‌ها را انجام می‌دهند.

فلسفه اصلی طراحی OpenFOAM، کاربر را نه یک مصرف‌کننده صرف، بلکه یک توسعه‌دهنده بالقوه می‌بیند. کاربران با برخورداری از دانش کافی در زمینه روش‌های عددی، فیزیک مسئله، و برنامه‌نویسی، قادر به ایجاد حل‌گرها و ابزارهای کاملاً جدید و سفارشی خواهند بود. OpenFOAM تحت مجوز عمومی گنو (GPL) توزیع می‌شود و یک نرم‌افزار کاملاً رایگان و متن‌باز به شمار می‌آید. این چارچوب حقوقی تضمین می‌کند که هرگونه پیشرفت الگوریتمی در اکوسیستم آن، به صورت عمومی در دسترس جامعه باقی می‌ماند.

تاریخچه و ویژگی‌های منحصر به فرد OpenFOAM

پایه‌های OpenFOAM در محیط‌های آکادمیک بریتانیا گذاشته شد و در سال ۲۰۰۴ به صورت رسمی متن‌ باز اعلام شد. ریشه‌های علمی و فلسفه متن‌باز بودن، ویژگی‌های منحصر به فردی را برای آن به ارمغان می‌آورد. این نرم‌افزار در حقیقت یک مجموعه کد بالغ و توسعه‌یافته در طول بیش از سی سال تلقی می‌شود.

OpenFOAM شامل حدود ۱.۵ میلیون خط کد C++ است که انعطاف‌پذیری بی‌نظیری را برای توسعه و سفارشی‌سازی فراهم می‌کند. این ابزار برای شبیه‌سازی‌های CFD سه ویژگی کلیدی و حیاتی دارد:

• قابلیت پردازش موازی (Parallel Processing): از روش تجزیه دامنه (Domain Decomposition) برای تقسیم مش و میدان‌های داده در میان پردازنده‌های توزیع‌شده استفاده می‌کند. این قابلیت به شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی اجازه می‌دهد تا شبیه‌سازی‌های خود را روی خوشه‌های محاسباتی (HPC) با صدها هسته و بدون نگرانی از هزینه‌های لایسنس اضافی اجرا کنند.
• انعطاف‌پذیری نامحدود برای توسعه حلگرها: به دلیل دسترسی کامل به کد منبع، مهندسان و محققان توانایی توسعه یا اصلاح هر مدل فیزیکی، الگوریتم عددی، یا حل‌گر جدید را دارا خواهند بود. کدهای تجاری این سطح از سفارشی‌سازی را ندارند.
• پوشش جامع حل‌گرها: OpenFOAM شامل مجموعه‌ای غنی از حل‌گرهای از پیش توسعه‌ یافته (مانند simpleFoam و pimpleFoam) می‌شود. بسیاری از کاربران حرفه‌ای اذعان می‌کنند که در آینده به محدودیت‌های نرم‌افزاری بر نخواهد خورد، زیرا قابلیت مورد نیاز یا از قبل پیاده‌سازی شده، یا جامعه کاربری بزرگ آن قادر به کمک برای پیاده‌سازی آن خواهد بود.

کاربرد OpenFOAM در مسائل پیچیده مهندسی

OpenFOAM به دلیل قابلیت‌های مدل‌سازی فیزیکی گسترده، در چالش‌ برانگیزترین حوزه‌های پژوهشی و صنعتی کاربرد دارد. این جعبه‌ابزار می‌تواند سیستم‌های جریان سیال پیچیده را در صنایع هوافضا، خودروسازی، انرژی، و صنایع شیمیایی شبیه‌سازی کند.

برخی از کاربردهای پیشرفته OpenFOAM در زیر فهرست شده‌اند:

• شبیه‌سازی جریان‌های آشفته (Turbulent Flows): این نرم‌افزار مدل‌های آشفتگی جامعی را پوشش می‌دهد. این مدل‌ها شامل روش‌های استاندارد مهندسی مانند شبیه‌سازی میانگین‌گیری شده رینولدز (RAS/RANS)، تا روش‌های تحقیقاتی پیشرفته مانند شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ (LES) و انواع روش‌های ترکیبی (DES) می‌شود.
• آیرودینامیک خودرو و هواپیما: OpenFOAM برای فرآیندهای صنعتی که نیاز به استفاده مداوم از مقادیر زیاد منابع محاسباتی دارند، انتخابی ایده‌آل است. برای مثال، در طرح‌های تکراری و بهینه‌سازی آیرودینامیک خارجی، هزاران سناریو قابل اجرا می‌شود.
• شبیه‌سازی احتراق و شیمی: حل‌گرهای تخصصی OpenFOAM برای رسیدگی به سیستم‌های فشرده، چند گونه‌ای، و چندفازی با در نظر گرفتن اثرات احتراق و سینتیک واکنش طراحی شده‌اند. از حل‌گرهایی مانند fireFoam و reactingFoam برای کاربردهای انرژی و ایمنی بهره می‌برند.
• جریان‌های چندفازی (Multiphase Flow) و انتقال حرارت: این ابزار پشتیبانی گسترده‌ای برای مدل‌سازی جریان‌های چندفازی ارائه می‌دهد. این مدل‌ها شامل مدل‌سازی سطوح آزاد، ردیابی ذرات لاگرانژی (Lagrangian particle tracking)، انتقال حرارت مزدوج (CHT)، و جریان در محیط‌های متخلخل می‌شود.
• مدیریت شبکه‌های دینامیک: قابلیت‌های OpenFOAM در زمینه شبکه‌های دینامیک فوق‌العاده است. این شامل مدل‌سازی شبکه‌های گردان، متحرک، و تغییر شکل‌دهنده می‌شود. این امکانات برای شبیه‌سازی پیشرفته موتورهای احتراق داخلی با حرکت پیستون و سوپاپ، ضروری به نظر می‌رسد.

چرا باید به عنوان یک مهندس حرفه‌ای OpenFOAM را یاد بگیریم؟

یادگیری OpenFOAM در دنیای مهندسی محاسباتی یک مزیت رقابتی بسیار قوی ایجاد می‌کند. این جعبه‌ ابزار مجموعه‌ای از فرصت‌ها را فراهم می‌آورد که نرم‌افزارهای تجاری قادر به ارائه آن‌ها نیستند.

دلایل کلیدی برای یادگیری این نرم‌افزار در زیر آمده‌اند:

• عدم محدودیت لایسنس و هزینه: OpenFOAM هیچ هزینه‌ای برای لایسنس سالانه یا لایسنس به ازای هر هسته پردازشی ندارد. این مزیت، هزینه‌های عملیاتی را به شدت کاهش داده و امکان اجرای شبیه‌سازی‌ها بر روی خوشه‌های محاسباتی بسیار بزرگ را فراهم می‌آورد.
• قابلیت شخصی‌سازی کامل برای مسائل پژوهشی جدید: این نرم‌افزار ابزاری بی‌بدیل برای محققین و مهندسانی تلقی می‌شود که نیاز به فراتر رفتن از مدل‌های استاندارد دارند. ایجاد و توسعه مدل‌های فیزیکی سفارشی در کدهای بسته تجاری امکان‌پذیر نیست.
• کسب درک عمیق از فیزیک مسئله: کار با OpenFOAM کاربران را مجبور می‌کند تا درک عمیقی از اصول CFD و نحوه عملکرد حل‌گرها داشته باشند. مهندسی که با خط فرمان و زیربنای عددی کار می‌کند، نسبت به کاربری که صرفاً به محیط گرافیکی (GUI) عادت دارد، دانش جامع‌تری پیدا می‌کند.
• ایجاد یک مزیت رقابتی در رزومه برای موقعیت‌های R&D: تسلط بر OpenFOAM یک مهارت تخصصی (Specialized Skill) در بازار کار تلقی می‌شود. کارفرمایان در مراکز تحقیقاتی و دپارتمان‌های R&D به دنبال افرادی می‌گردند که مهارت‌های ترکیبی قوی در مهندسی پیشرفته، تحلیل عددی، و برنامه‌نویسی C++ داشته باشند.

سخت‌افزار و سیستم‌عامل مورد نیاز برای کار با OpenFOAM

محیط عملیاتی OpenFOAM به صورت بنیادین ریشه در محیط یونیکس/لینوکس دارد. اگرچه توزیع‌هایی برای اجرا روی macOS و ویندوز (از طریق Docker یا WSL) وجود دارد، کاربری بومی و عمیق این نرم‌افزار به شدت وابسته به فلسفه رابط خط فرمان (CLI) لینوکس است.

نیازهای سخت‌افزاری برای شبیه‌سازی‌های بزرگ

شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی ذاتاً نیازمند منابع بالایی است. نیازهای سخت‌افزاری اساسی برای اجرای OpenFOAM در مقیاس صنعتی شامل موارد زیر می‌شود:

1. پردازنده‌های چندهسته‌ای (Multi-core CPUs): برای استفاده بهینه از قابلیت پردازش موازی، پردازنده‌های دارای تعداد هسته بالا (مانند Intel Xeon یا AMD EPYC) ضروری به نظر می‌رسد.
2. حافظه رم بالا (High RAM): شبیه‌سازی‌های با تعداد سلول‌های مش بالا (چند میلیون سلول) به مقادیر زیادی حافظه رم نیاز دارند.
3. سیستم‌عامل‌های مبتنی بر لینوکس: OpenFOAM به صورت بومی برای لینوکس (مانند Ubuntu و CentOS) توسعه پیدا کرده است. نصب از منبع، نیاز به وابستگی‌های متعددی مانند کامپایلرهایی چون gcc (نسخه‌های ۷.۵.۰ به بالا) و کتابخانه‌هایی چون OpenMPI برای موازی‌سازی دارد.
4. شتاب‌دهنده‌های GPU (اختیاری): OpenFOAM در بهینه‌سازی برای استفاده از شتاب‌دهنده‌های GPU در مقایسه با نرم‌افزارهای تجاری عقب‌ماندگی دارد. با این حال، تلاش‌هایی برای پر کردن این شکاف ادامه دارد.

پیش‌نیاز برای یادگیری OpenFOAM

منحنی یادگیری OpenFOAM در مقایسه با نرم‌افزارهای تجاری که رابط کاربری گرافیکی قدرتمند دارند، مسیری بسیار تندتر را پیش روی کاربر قرار می‌دهد. برای استفاده از تمام پتانسیل این جعبه‌ابزار، پیش‌نیازهایی فراتر از دانش عمومی مهندسی لازم به نظر می‌رسد.

مهارت‌های تخصصی مورد نیاز برای تسلط بر OpenFOAM

یک مهندس یا محقق که به دنبال به‌کارگیری OpenFOAM در بالاترین سطح است، باید بر حوزه‌های زیر تسلط پیدا کند:

• تسلط بر مفاهیم CFD و دینامیک سیالات: تسلط بالا بر اصول دینامیک سیالات محاسباتی، تحلیل عددی، و روش حجم محدود (FVM) یک نیاز اساسی است. OpenFOAM کاربر را به درک کامل از گسسته‌سازی، ضرایب زیرآرامش (URF) و پایداری عددی مجبور می‌کند.
• مهارت کار با محیط خط فرمان لینوکس (CLI): کاربری عمیق OpenFOAM وابسته به فلسفه رابط خط فرمان لینوکس است. کاربران باید با دستوراتی چون env، find، و میانبرهای خاص OpenFOAM (مانند foam برای جابه‌جایی بین دایرکتوری‌ها) آشنایی داشته باشند. این مهارت برای اتوماسیون فرآیندها (مانند مش‌بندی خودکار) حیاتی است.
• آشنایی با زبان برنامه‌نویسی C++: گرچه می‌توان بدون دانش C++ شبیه‌سازی‌های استاندارد را اجرا کرد، اما استفاده از تمام قابلیت‌های آن، مانند توسعه حل‌گرهای سفارشی یا تغییر مدل‌های فیزیکی موجود، نیازمند تسلط بر C++ است. OpenFOAM فرصتی عالی برای مهندسان فراهم می‌آورد تا مهارت‌های برنامه‌نویسی خود را به صورت عملی تقویت کنند.

گذر از این مسیر چالش‌برانگیز، با ابزارهای آموزشی هدفمند، سریع‌تر و مطمئن‌تر امکان‌پذیر می‌شود. مهندسان حرفه‌ای و دانشجویان تحصیلات تکمیلی که به دنبال پر کردن شکاف بین دروس صرفا دانشگاهی و مهارت‌های اجرایی دنیای واقعی صنعت می باشند، توجه ویژه‌ای به کسب مهارت‌های مکمل نشان می‌دهند. تکمیل تخصص در شبیه‌سازی CFD نیازمند تسلط بر نرم‌افزارهای کلیدی صنعتی است. سرمایه‌گذاری بر روی آموزش‌های تخصصی، یک گام استراتژیک تلقی می‌شود. برای نمونه، شرکت در دوره آموزش اپن فوم OpenFOAM، در کنار یادگیری ابزارهای صنعتی پرکاربرد مانند دوره آموزش فلوئنت Fluent و مهارت‌های حیاتی دوره آموزش جامع مش‌بندی با انسیس  ANSYS MESHING، می‌تواند تخصص مهندس را کامل کند. این دوره‌ها در قالب دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان ارائه می‌شود و یک مسیر آموزشی جامع را در اختیار علاقه‌مندان قرار می‌دهد. 

بازار کار و فرصت‌های شغلی برای متخصصان OpenFOAM

مهارت OpenFOAM یک مهارت تخصصی به شمار می‌آید که تقاضای بالایی در بخش‌های تحقیقاتی دارد. کارفرمایان در جستجوی افرادی می باشند که مهارت‌های ترکیبی در CFD، تحلیل عددی و برنامه‌نویسی سطح پایین داشته باشند.

متخصصان OpenFOAM اغلب در موقعیت‌های کلیدی زیر استخدام می‌شوند:

• مراکز تحقیقاتی دانشگاهی: OpenFOAM ستون فقرات بسیاری از پروژه‌های PhD و تحقیقات بنیادی در دانشگاه‌های برتر جهان است.
• شرکت‌های دانش‌بنیان و استارتاپ‌ها: این شرکت‌ها برای کاهش هزینه‌های هنگفت لایسنس CFD، به OpenFOAM به عنوان یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه و قدرتمند روی می‌آورند.
• دپارتمان‌های R&D صنایع بزرگ: در صنایع هوافضا، خودروسازی، و انرژی (به ویژه انرژی هسته‌ای و ایمنی نیروگاهی)، متخصصان OpenFOAM برای طراحی‌های تکراری و بهینه‌سازی‌های نیازمند محاسبات سنگین به کار گرفته می‌شوند.

نمونه‌ای از عناوین شغلی پر تقاضا برای این تخصص عبارتند از: تحلیل‌گر ارشد CFD، مهندس مدل‌سازی، دانشمند پژوهشی و مهندس شبیه‌سازی و مدل‌سازی.

میزان استفاده از OpenFOAM در جوامع علمی و صنعتی جهان

OpenFOAM در طول سال‌ها به یک ابزار استاندارد در بسیاری از جوامع علمی و پژوهشی بدل شده است. این نرم‌افزار در بسیاری از دانشگاه‌های برتر جهان مانند اشتوتگارت و اکستر، ابزار اصلی تحقیق و توسعه بنیادی محسوب می‌شود. اعتبار آن با وجود ژورنال تخصصی (The OpenFOAM Journal) و پذیرش گسترده در نشریات تخصصی تأیید می‌شود.

در بخش صنعت، میزان استفاده از OpenFOAM رو به افزایش می‌رود. شرکت‌هایی که فرآیندهای طراحی تکراری زیادی دارند، مانند خودروسازان و شرکت‌های هوافضا، به طور فزاینده‌ای از OpenFOAM استفاده می‌کنند. این امر به دلیل امکان اجرای شبیه‌سازی‌ها بر روی تعداد بسیار بالایی از هسته‌های پردازشی بدون هزینه لایسنس اضافی صورت می‌پذیرد. در واقع، OpenFOAM به عنوان یک نیروی کلیدی در حفظ اصول متن‌باز در CFD، شرکت‌های نرم‌افزاری تجاری را وادار به ارائه محصولات باکیفیت‌تر در ازای هزینه‌های لایسنس بالا می‌کند.

مقایسه OpenFOAM با نرم‌افزارهای تجاری CFD

OpenFOAM نیرویی رقابتی در برابر نرم‌افزارهای تجاری مشهور مانند ANSYS Fluent و COMSOL Multiphysics ایجاد می‌کند. در جدول زیر، مقایسه این ابزارها از دیدگاه یک مهندس حرفه‌ای آمده است.

همچنین برای کسب اطلاعات بیشتر راجب نرم افزار انسیس فلوئنت می‌توانید مقاله نرم‌افزار انسیس (ANSYS) چیست و چه کاربردی دارد؟ را مطالعه فرمایید.

قیمت نرم‌افزار OpenFOAM

OpenFOAM به صورت قاطع تحت لایسنس عمومی گنو (GPL) توزیع می‌شود و قیمتی معادل صفر دارد. کاربران می‌توانند کد منبع آن را به صورت کاملاً رایگان دانلود کرده، استفاده کنند، تغییر دهند، و توزیع نمایند. هزینه اصلی OpenFOAM را باید در جای دیگری جستجو کرد.

هزینه واقعی OpenFOAM، زمان و تلاشی تلقی می‌شود که صرف یادگیری و تسلط بر آن خواهد شد. همچنین در محیط‌های صنعتی، هزینه‌های پشتیبانی و مشاوره‌ای برای اطمینان از صحت و پایداری کدهای سفارشی به وجود می‌آید. اما لایسنس نرم‌افزار، هیچ هزینه‌ای در پی ندارد.

لینک دانلود نرم‌افزار OpenFOAM

OpenFOAM دو توزیع اصلی دارد که توسط دو نهاد مختلف توسعه پیدا می‌کنند. این دو توزیع دارای اختلافات فنی و عددی جزئی می باشند و کاربران باید در انتخاب نسخه مناسب پروژه خود، دقت کافی داشته باشند.

لینک وب‌سایت‌های رسمی آن در زیر آمده‌اند:

• openfoam.org: این وب‌سایت متعلق به OpenFOAM Foundation است. این توزیع که توسط CFD Direct توسعه پیدا می‌کند، بر حفظ کد اصلی و اصول متن‌باز بودن تأکید دارد.
• openfoam.com: این وب‌سایت متعلق به OpenCFD Ltd است که زیرمجموعه Keysight Technologies (قبلاً ESI Group) قرار می‌گیرد. این توزیع معمولاً ویژگی‌های تخصصی‌تری را برای استفاده‌های تجاری بهینه‌سازی شده، در بر می‌گیرد.

برای دانلود نرم‌افزار، بهتر است به وب‌سایت اصلی بنیاد (openfoam.org) یا نسخه مورد نیاز برای سیستم‌عامل خود (مانند توزیع‌های Docker برای ویندوز و macOS) مراجعه کنید.

جمع‌بندی

OpenFOAM یک پلتفرم CFD متن‌باز و بسیار قدرتمند تلقی می‌شود که کنترل کامل بر الگوریتم‌ها و انعطاف‌پذیری نامحدود برای توسعه مدل‌های جدید را فراهم می‌آورد. این ویژگی‌ها آن را به ابزاری بی‌بدیل برای نوآوری و پژوهش‌های R&D تبدیل می‌کند. این نرم‌افزار در حقیقت یک کتابخانه C++ است که آزادی عمل کامل را در اختیار مهندسان برنامه‌نویس می‌گذارد و هزینه لایسنس آن صفر است.

با این حال، چالش‌های مهمی بر سر راه پذیرش گسترده آن وجود دارد. منحنی یادگیری بسیار تند آن که نیاز به دانش C++ و محیط لینوکس دارد، فقدان یک رابط کاربری گرافیکی قدرتمند و اتکای آن به خط فرمان، جزو موانع اصلی به شمار می‌آید. OpenFOAM برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی و مهندسان R&D که به دنبال کنترل کامل، اجرای شبیه‌سازی‌های بزرگ HPC و کسب درک عمیق از اصول عددی می باشند، یک انتخاب استراتژیک و حیاتی محسوب می‌شود. در مقابل، برای پروژه‌های تجاری با ضرب‌الاجل‌های بسیار حساس، استفاده از نرم‌افزارهای تجاری با پشتیبانی تضمین‌شده ممکن است گزینه سریع‌تر و مطمئن‌تری به شمار آید.

نویسنده: علی بهرام همدانی، کارشناس ارشد فرآیند.