Mampaey and Xu¹ showed how Cartesian grid representations of curved flow channels, using a zigzag approximation for the walls, can result in substantial numerical flow losses. There are two sources for these losses. The first source arises from changes in flow direction at a zigzag in the grid boundary. Each abrupt direction change is accompanied by a small loss in kinetic energy. The second source of flow loss may arise from poor approximations of fluid momentum advection near a zigzag boundary. If the finite-difference algorithm uses velocity data located in solid regions outside the channel, these values generally contribute to a slowing down of the flow, i.e., result in a loss of energy.

FAVOR ^TM를 사용한 손실 제로

Mampaey 와 Xu (아래 자료 참조)는 벽에 대해 지그재그 근사를 사용하여 곡선 유로를 직교 격자로 나타낸 결과 상당한 수치적 유동 손실이 발생할 수 있음을 보여줍니다.  이 손실에는 두 가지 원인이 있습니다.  첫 번째 원인은 격자 경계의 지그재그 부분에서 흐름의 방향이 변화하는 것입니다.  방향이 급변 할 때마다 운동 에너지는 조금씩 감소합니다.  유동 손실의 두 번째 원인으로 생각되는 것은 지그재그 경계 부근의 유체 운동량 이류(advection)의 근사치가 불충분 한 것입니다.  유로의 외부 고체 영역의 속도 데이터를 유한 차분 알고리즘에서 사용하는 경우 이 값이 유속 저하되는 것은 일반적이며, 그 결과 에너지 손실이 발생합니다.

Flow Loss Reduction

Since FLOW-3D uses a Cartesian grid, it is reasonable to ask if it too suffers from numerical flow losses. The answer is no, it does not. The Fractional Area-Volume Obstacle Representation, FAVOR™, method used exclusively in FLOW-3D eliminates zigzag direction changes by smoothly blocking out fractional portions of grid cell faces and volumes. FAVOR™ also has a collection of special algorithms for computing interfacial areas, evaluating wall stresses, enhancing numerical stability, and for computing advection along solid boundaries.

유동 손실의 감소

FLOW-3D는 직교 격자를 사용하고 있기 때문에 수치적 유동 손실의 영향에 대한 의문이 나오는 것은 당연합니다.  대답은 ‘노’입니다.  영향은 없습니다.  FLOW-3D에서 독점적으로 사용되는 FAVOR ^TM (Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 법에서는 격자 셀면이나 체적의 세세한 부분을 매끄럽게 블록 분류하여 지그재그 방향 변화를 제거합니다 .  FAVOR ^TM는 계면 면적 계산, 벽 응력의 평가, 수치 안정성 강화, 고체 경계에 따른 이류의 계산 등을 목적으로 한 일련의 특수한 알고리즘도 포함되어 있습니다.

Energy Conservation Example

A simple demonstration of energy conservation in FLOW-3D is provided by a variation of the Mampaey and Xu experiment. In the figure, we show the lower half of a circular channel with fluid located in the left half. The fluid is initially at rest, but gravity is directed downwards causing the fluid to flow to the right side of the channel. In the absence of flow losses, the fluid should reach the same height on the right side as it started from on the left side.

에너지 보존의 예

FLOW-3D의 에너지 절약에 대한 부분을 Mampaey 와 Xu 의 실험을 응용하여 쉽게 보여줍니다.  그림은 원형 수로의 하단에서 왼쪽에 유체가 배치되어있는 모습을 보여줍니다.  이 유체는 처음에는 정지하고 있습니다 만, 아래로 중력이 걸려 있기 때문에 유체는 수로의 오른쪽으로 흐릅니다.  유동 손실이 없는 경우 이 유체는 오른쪽으로 흐를 때 왼쪽에서 첫 번째 상태와 같은 높이에 도달해야합니다.

FLOW-3D simulations of this problem show a realistic sloshing distortion of the free surface (figure above) and the center of mass of the fluid rises to nearly its initial height on the right side of the channel indicating little flow loss. This result is all the more remarkable considering the coarse gridding.

이 문제를 FLOW-3D로 시뮬레이션하면 자유 표면의 리얼한 슬로싱 왜곡은 있지만 (위 그림 참조) 유체의 질량 중심은 수로의 오른쪽에서 처음과 거의 같은 높이까지 상승하고 유동 손실이 거의없는 것을 보여줍니다.  격자가 거친 것을 고려하면이 결과는 더욱 주목할만 합니다.

Reference

Mampaey, F. and Xu, Zhi-An, Simulation and Experimental Validation of Mould Filling, Proc. Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes VII, London, September 10-12, p.3 (1995).