입자 / Particles

Lagrangian Particle Model은 FLOW-3D v11.2 의 출시와 함께 제공됩니다.

본질적으로 라그랑주 입자는 복잡한 흐름에서 물리량을 추적하는 독특한 방법을 가지고 있습니다. 이들의 속성은 메시 해상도에 의해 제한되지 않으며 동시에 질량, 운동량 및 열 전달을 통해 유체 및 고체로 뛰어난 세부 묘사 및 사실감과 상호 작용할 수 있습니다. 후 처리 측면에서 입자는 시각화에 특별한 역동성을 추가 할 수 있습니다.

직접 금속 증착 시뮬레이션으로 시각화 된 라그랑주 입자

FLOW-3D의 Lagrangian 입자 모델

30년 전 창립 이래 FLOW-3D 의 입자 모델은 간단한 마커에서 전계 효과 및 유체 흐름과의 양방향 커플링을 비롯한 다양한 크기와 밀도의 질량 입자로 진화했습니다. 이 모델은 대기 중의 오염 물질, 금속 내의 개재물 및 분리막에서 잡은 잔해를 추적하는 데 성공적으로 적용되었습니다. 작년 버전 11.1의 출시부터 FLOW-3D 의 입자 모델은 그 기능을 확장하기 위한 중요한 변화를 겪어 왔습니다. 새 모델에서는 입자가 기본 기능을 기반으로 클래스로 그룹화됩니다.

  • 마커 입자 는 단순한 질량없는 마커로 유체 흐름을 추적하는 데 가장 적합합니다.
  • 질량 입자는 모래 입자 또는 개재물과 같은 고체 물체를 나타냅니다.
  • 액체 입자 는 유체로 만들어지며 응고를 포함한 유체 특성을 계승합니다.
  • 가스 입자 는 주변 유체의 온도 및 압력 부하에 따라 크기가 변하는 거품을 나타냅니다.
  • 보이드 입자 는 가스 입자와 유사하지만 특정 기능은 붕괴 된 보이드 영역을 표시하고 추적하는 것입니다. 이는 주조시 주형 충전 중에 생성 된 잠재적 인 다공성 결함을 예측하는 데 유용합니다
  • 질량 / 운동량 소스 입자는 메쉬의 사용자 정의 질량 / 운동량 소스를 나타냅니다.
  • 프로브 입자 는 해당 위치에서 용액 양을 기록하고보고하는 진단 장치로 작동하도록 도입되었습니다. 그들은 다른 종류의 입자로 만들 수있다.
  • 사용자 입자 는 소스 코드에서 사용자 정의 함수를 통해 사용자 정의 할 수 있습니다.

각 입자 클래스에는 클래스의 모든 입자에 적용되는 특성이 있습니다. 예를 들어 항력 계수 및 각 입자 입자가 실제 입자 구름을 나타낼 수 있는 매크로 입자 계수 등이 있습니다. 사용자 클래스의 파티클은 사용자가 사용자 정의 할 수 있는 3 개의 추가 무료 속성을 포함합니다.

크기와 밀도가 다른 입자를 나타내는 물질 입자 클래스 내에서 여러 종을 정의 할 수 있습니다.
주변 유체와의 열 전달은 모든 물질 입자에 적용되는 또 다른 새로운 특징입니다.
가스 입자의 압력은 상태 방정식을 사용하여 계산되며 온도 변화에 따라 변화합니다. 기체 입자가 빈 공간으로 빠져 나가면 후자의 체적 및 압력이 그에 따라 조정됩니다.
마커, 질량, 가스, 액체 및 사용자 입자 는 초기 입자 블록 및 입자 소스 에 도입됩니다. 각 블록과 소스는 해당 클래스 내에서 사용자 정의 분포로 특정 클래스의 입자를 생성합니다.
프로브 입자는 개별적으로 배치되며 공백 입자는 축소 된 공백 영역 대신 시뮬레이션 중에 자동으로 추가됩니다.
액체 입자 내의 유체는 응고뿐만 아니라 증발 및 응축으로 인해 상 변화를 겪을 수 있습니다. 응고된 입자는 질량 입자와 유사하게 고체 물체처럼 행동하지만 일단 물에 들어가면 다시 물로 변하게됩니다. 또한, 2-유체 위상 변화 모델이 활성화되면 액체 입자가 가스에서 이동하면서 증발 및 응축되어 스프레이 냉각 모델링에 유용합니다.

새로운 물리적 모델링 기능 외에도 Lagrangian 입자의 수치 적 구현은 정확도를 향상시키고 OpenMP 병렬화를 허용하기 위해 철저히 조사되었습니다.
각 입자 클래스는 별도의 객체로 FlowSight ™에서 시각화 할 수 있습니다. 속도, 온도, 입자 수명 또는 고유 ID와 같은 개별 입자 특성을 색칠에 사용할 수 있습니다. 표시된 입자 크기는 클래스 내 변형을 반영합니다.

라그랑지 입자의 직접 금속 증착에의 응용

직접 금속 증착은 동일한 금속의 분말 스트림이 주입되는 고체 금속 기판에 용융 풀을 형성하기 위해 레이저가 사용되는 첨가제 제조 공정의 한 유형입니다. 일단 분말 입자가 풀 내부에서 용융되고 풀이 재 응고되면, 전형적으로 0.2-0.8mm 두께 및 1-2mm 폭의 고형화 된 금속의 상승 된 층이 형성된다.
레이저 / 파우더 건 조립체가 계속해서 기판의 표면을 스캔 할 때 복잡한 모양이 레이어별로 구성 될 수 있습니다. 레이저 출력, 속도 및 파우더 공급 사이의 적절한 균형은 공정의 성공과 효율성에 중요합니다. 엔지니어의 주요 관심사는 다음과 같습니다.

  • 용융 풀의 크기와 모양
  • 금속 흐름 및 그 내부의 냉각 속도
  • 응고 된 층의 형태

이 섹션에서 설명하는 시뮬레이션은 이러한 특성을 정확하게 예측합니다. 레이저와 기판의 움직임은 좌표계를 레이저에 부착함으로써 반전됩니다. 인코넬 718 합금의 기판은 10mm / s의 일정 속도로 움직입니다. 레이저는 1.8kW의 출력으로 반경 1mm의 원형 열원으로 모델링됩니다. 3 개의 파우더 건은 0.684 g / s의 속도로 레이저 충돌 점에서 고체 금속 입자를 전달합니다. 각 건은 크기가 2 x 2 mm이고 초당 입자 수는 105 입니다.
입자는 액체 입자 클래스를 사용하여 모델링됩니다. 모든 입자의 직경은 40 μm입니다. 10의 거시적 입자 배율은 시뮬레이션에서 입자 수를 줄이는 데 사용됩니다 .3 백만 개의 물리적 입자를 나타내는 매 초당 시뮬레이션에서 3 x 105 개의 숫자 입자가 생성됩니다. 입자의 초기 온도는 480 ° C입니다. 즉, 수영장에 충돌하기 전에 고체 상태입니다.

시뮬레이션은 분말을 첨가하기 전에 용융물 풀이 형성 될 수 있도록 시작한 후 2 초 후에 입자 소스를 활성화하여 10 초 동안 실행했습니다. 일단 풀에 들어 있으면 입자가 녹아 금속으로 전환되어 금속의 부피가 증가하여 궁극적으로 레이저에서 하류의 재응고 금속 층을 형성합니다. 용융 풀 모양은 대칭 평면에 표시됩니다.

결론

새로운 라그랑주 입자 모델은 FLOW-3D 의 현재 기능을 크게 확장 할뿐만 아니라 금속의 핵심 가스 버블 추적과 같은 향후 확장을위한 강력한 개발 플랫폼을 만듭니다. 입자 – 입자 상호 작용, 입자 부피 효과, 응집 및 분해의 포함은 다음 단계 일 수 있습니다. 스칼라 배열 모델과 마찬가지로 사용자 입자 클래스를 사용자 정의하여 솔루션의 흥미로운 기능을 추출하고 시각화 할 수 있습니다. 예를 들어 고정 된 입자를 삽입하여 높은 압력 또는 속도의 위치를 ​​식별 할 수 있습니다.