Build up a computational fluid laboratory with FLOW-3D 츄우자린 박사 邱家麟 博士 Charlie Chia-Lin Chiu 3차원 유동 무역(상하이) 기술 부총 대만해양대학 하해공정학과 조교수 겸임 09/25/2019
본 자료는 재순환 펌프 시스템에 의해 구동되는 트레일러 용수로(flume)의 간단한 채널의 물의 흐름을 보여줍니다. 이것은 weirs, bridges, culverts and debris screens과 같은 전형적인 공학적 구조의 스케일 모델을 특징으로 합니다. 이 flume 은 관찰자들이 홍수의 원인과 강과 배수로에 대한 좋은 설계와 유지보수가 홍수로 인한 위험을 관리하는데 얼마나 도움이 되는지 이해하는데 도움을 줍니다.
FLOW-3D를 사용하여 보다 유연한 유체 역학 실험장치 만들기 : Twin arch 편
Culvert effect
1. 상류 수심 7.825 cm / 2. 상류 수심 8.216 cm / 3. 상류 수심 7.842 cm
The Lagrangian particle model is a sub-grid model can be used to track the motion of spherical particles with different attributes and sizes smaller than a computational cell.
Partides can be:
Massless (i.e. marker particles)
Solid Spheres (i.e. mass particles)
Droplets of fluid (i.e. fluid particles)
Bubbles of gas (i.e. gas particles)
Assumptions/Limitations
Particle size << Mesh size
No particle-particle interaction
Aeration Tank Setup Example
New Solver developments – gas dissolution
Include mass transfer between gas inside the bubble and the surrounding fluid
Accounts for saturation in ambient fluid
Accounts for loss of mass / volume shrinkage of gas particle
<주의 사항> Flow Science, Inc.는 사용자가 추가한 사용자 정의 Code에 대해 어떠한 책임도 지지 않습니다. FLOW-3D 유지보수 지원에는 사용자 커스터마이징 문제 해결이 포함되지 않습니다.
이 내용은 Solver에 대해 제공된 소스 코드를 수정하고 다시 컴파일(즉, 사용자 정의)하는 커스텀 코드 개발 사용자에게만 적용됩니다. 솔버를 사용자 정의하여 개발하지 않을 경우 어떠한 조치도 필요하지 않습니다. 이 컴파일러 업데이트에 대해 궁금한 점이 있으면 언제든지 flow3d@stikorea.co.kr 로 문의하십시오.
Custom Developer Tools 에 대한 정보
Flow Science가 표준 설치의 일부로 배포하는 서브 루틴을 사용자가 커스터마이즈하여 사용자가 원하는 수식을 반영 개발하고자 할 경우 버전에 따라 아래와 같은 버전의 컴파일러가 필요합니다.
FLOW-3D 제품군의 다가오는 2023R2 release는 현재 빌드 도구를 업데이트하고 있습니다. 이는 FLOW-3D, FLOW-3D HYDRO 및 FLOW-3D CAST에 영향을 미칩니다.
2023R2 제품의 소스 코드를 사용자 정의하고 재컴파일하려는 사용자에게는 다음이 포함된 Intel oneAPI 버전 2022.3.1이 필요합니다.
Windows: Intel® MPI 라이브러리 및 Fortran 컴파일러 버전 2021.7.1 빌드 20221019 및 Microsoft Visual Studio 2019 Professional
Linux: Intel® MPI 라이브러리 및 Fortran 컴파일러 버전 2021.7.1 빌드 20221019 이전 버전의 빌드 도구는 변경되지 않았습니다.
이전 버전에 대한 안내
다음 주요 릴리스 인 FLOW-3D v12.1 및 FLOW-3D CAST v5.1은 인텔 ® FORTRAN 컴파일러 버전 19.0.3.203 빌드 20190206 (Windows) 및 버전 19.0.3.199 빌드 20190206 (Linux)으로 빌드됩니다. 솔버를 사용자 지정하는 Windows 사용자는 Microsoft Visual Studio 2017 Professional도 필요합니다.
FLOW-3D v12.0 및 FLOW-3D CAST v5.0 및 후속 업데이트는 Intel® FORTRAN 버전 16.0.1 및 Microsoft Visual Studio 2010/2013 Professional을 사용하여 계속 빌드됩니다.
Custom Code Sample
일반 사용자 정의 정보
FLOW-3D는 사용자가 솔버의 기능을 사용자 정의할 수 있도록 FORTRAN 소스 서브 루틴 파일을 제공하여 사용자에게 필요한 요구 사항을 충족합니다. 제공된 FORTRAN 서브 루틴을 통해 사용자는 경계 조건을 사용자 정의할 수 있고, 고유한 재료 특성의 상관 관계를 포함할 수도 있으며, 사용자가 정의한 유체 힘(예: 전자기력)을 지정하고, 물리적 모델을 추가하는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.
사용자가 사용자 정의에 사용할 수 있는 여러 “더미”변수가 제공되었습니다. 사용자 정의를 위해 사용자 정의가 가능한 목록도 제공합니다.
Linux 및 Windows 배포용 Makefile이 제공되고 Windows 배포용 Visual Studio 솔루션 파일이 제공되어 자신의 사용자 정의 코드를 포함시켜 사용자가 FLOW-3D를 다시 컴파일 할 수 있습니다.
FLOW-3D그래픽 인터페이스를 통해 Custom Double Precision 버전을 실행하려면 Model Setup‣General dock widget의 Version Options 영역에서 Queued When Prompt 옵션을 선택하십시오. 그런 다음 버전을 묻는 메시지가 나타나면 Custom double precision을 선택하십시오. 또는 로컬 및 원격 시스템의 기본 설정 ‣ 기본 버전 옵션에서 기본값으로 설정할 수 있습니다.
배치 모드 또는 명령 프롬프트를 통해 사용자 정의 버전을 실행하려면사용자 정의 배정도를 위한 환경 변수 F3D_VERSION을 prehyd로 설정해야 합니다.
Windows에서FLOW-3D 사용자 정의
Windows에서 FLOW-3D 솔버 사용자 정의에 대해 안내합니다.
이전 버전을 기준으로 설명을 드립니다.
명령행 빌드 환경을 선호하는 경우 Intel FORTRAN 16.0.1 및 Windows Platform SDK 설치를 고려하십시오. 인텔 FORTRAN 16.0.1의 시스템 요구 사항에 대한 자세한 내용은 컴파일러와 함께 제공된 설명서를 참조하십시오.
Visual Studio 2010/2013 Professional Edition 용 Visual Studio 솔루션 파일custom_double_vs2010/2013.sln은 prehyd디렉토리에 있습니다. 솔루션 파일 이름은 *.sln 으로 지정됩니다.
솔루션 파일은 Visual Studio 내에서 솔버 실행 파일을 빌드하는 데 사용됩니다. FORTRAN 소스 파일의 확장자 .F90는 C:\flow3d\v12.0\prehyd디렉토리에 있습니다. 오브젝트 파일은 편집할 수 없는 파일로 확장자가 .OBJ인 파일로 있으며 소스 파일의 컴파일 된 버전입니다.
Visual Studio솔루션 파일은 Visual Studio에서 실행 파일을 빌드하는데 필요한 파일을 추적하는 데 사용됩니다. 여기에는 프로젝트의 모든 파일 목록과 종속성 목록이 포함됩니다. 종속성은 특정 파일의 변경으로 인해 영향을 받는 파일을 추적하는데 사용됩니다.
솔루션 탐색기에는 Visual Studio에서 소스 파일, 오브젝트 파일, 모듈 및 라이브러리, 실행 파일을 빌드하는 데 필요한 모든 파일의 목록이 포함되어 있습니다. 파일은 알파벳 순서로 정렬됩니다. 소스 파일을 편집하려면 솔루션 탐색기*.F90에서 해당 파일을 두 번 클릭하면 상황에 맞는 편집 창에서 열립니다.
소스 파일을 변경한 후에는 파일을 저장하고 빌드 메뉴에서 솔루션 빌드를 선택하여 실행 파일을 다시 빌드하십시오. Visual Studio 구성 관리자를 사용하여 프로젝트를 릴리스 모드 및 x64 모드로 설정하십시오.
수정한 파일을 컴파일하고 새 실행 파일을 만듭니다. 새로운 hydr3d.exe실행 파일이 생성되어 C:\flow3d\v12.0\prehyd하위 디렉토리에 배치됩니다.
Build 방법
컴파일 및 링크하려면 /prehyd 에서 솔루션 파일 custom_double_vs2010.sln을 여십시오. Visual Studio 구성 관리자를 사용하여 프로젝트를 릴리스 모드 및 x64 모드 로 설정하십시오. 소스 코드를 필요한대로 변경하고 저장한 다음 빌드 메뉴에서 솔루션 빌드를 선택하십시오.
사용자에게 제공되는 소스 디렉토리 구조
FLOW-3D customization이 가능한 서브 루틴 및 표준 배포 실행 파일의 디렉토리 구조는 다음과 같습니다.– double — hydr3d — prehyd — comdeck prep3d hydr3d utility — source– comdeck prep3d hydr3d utility
디렉토리 /opt/flow3d/v12.0/double에는 (customization 할 수 없는) 솔버의 공식 릴리스가 hydr3d 포함되어 있습니다. customization 가능한 소스 코드는 /opt/flow3d/v12.0/prehyd 디렉토리에 있습니다.
customizable디렉토리 아래 source에는 4 개의 하위 디렉토리가 있습니다. 전처리기와 솔버가 공유하는 서브 루틴은 utility 라는 디렉토리에 있습니다. 전처리기만 사용하는 서브 루틴은 제목이 지정된 디렉토리 prep3d에 있으며 솔버만 사용하는 서브 루틴은 hydr3d에 있습니다.
FORTRAN 포함 문
FLOW-3D의 서브 루틴, 글로벌 변수에 대한 일반적인 블록 선언문은 디렉토리 comdeck에 있는 파일에 있습니다. 이러한 comdeck파일은 “Header File”이며 “include”문을 사용하여 서브 루틴에 통합됩니다. 일반적인 “include”문은 다음과 같습니다.
include ‘../comdeck/params.f90’
컴파일시 comdeck파일의 FORTRAN 소스는 “include”문을 포함하는 서브 루틴에 인라인 됩니다. 공통 블록 및 설명을 일관되게 정의할 수 있습니다. 예를 들어 특정 셀의 인접 항목에 대한 색인 계산과 같이 자주 사용되는 FORTRAN 소스 코드가 포함된 comdeck 파일도 있습니다. 이 경우 comdeck 파일은 일반적으로 사용되는 소스 코드를 인라인 하는 간단한 방법입니다.
comdeck파일의 공통 블록, 모듈 또는 매개 변수는 제공된 루틴으로 오브젝트 파일로 이미 컴파일 되었으므로 변경하지 마십시오. 이러한 정의를 변경하면 불일치가 발생하여 FLOW-3D 가 예측할 수 없는 방식으로 작동합니다.
Customization 가능 이름 목록 USRDAT 그리고 공통 블록 cbusr이 파일을 참조하는 모든 서브 루틴이 다시 컴파일 되면 변경될 수 있습니다 (이를 참조하는 모든 루틴이 소스 파일로 제공됨). 추가 공통 블록은 새 comdeck파일에 정의될 수 있으며, 필요에 따라 소스 파일에 포함될 수 있습니다.
<주의>
comdeck파일의 공통 블록, 모듈 또는 매개 변수는 제공된 루틴으로 오브젝트 파일로 이미 컴파일 되었으므로 변경하지 마십시오. 이러한 정의를 변경하면 불일치가 발생하여 FLOW-3D 가 예측할 수 없는 방식으로 작동합니다.
FLOW-3D 솔버의 서브 루틴 및 기능에서 일반적으로 사용되는 일부 include 파일에 대한 자세한 설명은 FLOW-3D 설치 파일에 포함되어 있는 Help 파일을 참고하시기 바랍니다.
전산 수송 분석의 응용 – 오일 유출
Application of computational transport analysis – Oil spill dynamics
Aditi Verma, 석사 학위 : 뉴욕 주립 대학, 버팔로, 2016, 56 쪽
유체 역학, 열 및 물질 전달과 같은 한 가지 형태의 수송 현상은 많은 화학 공학 공정을 지배하는 근본적인 기본 메커니즘입니다. 실용적인 응용 프로그램의 합리적인 설계는 일반적으로는 분석적으로 해결할 수 없는 복잡한 결합 방정식의 해를 요구합니다.
대신, 수치 해석은 대개 설계 및 최적화에 사용됩니다. 전산 유체 역학 (computational fluid dynamics, CFD)은 그러한 분석을 위한 선택 방법입니다.
이 논문에서 우리는 해양 석유 유출의 역학을 지배하는 복잡한 대규모의 수송 현상을 분석하기 위해 CFD를 사용합니다. 특히 우리는 육지에서 해상에서 멀리 떨어져있는 해저에 닿는 굴착 플랫폼에서 유출된 기름의 유출을 연구합니다.
우리는 최첨단 멀티 피직스 CFD 프로그램인 FLOW-3D 를 사용하여 물과 기름의 2-상 흐름, 누출율, 다른 오일의 레벨 및 유체 특성을 포함하는 주요 현상과 요인을 고려하여 오일 확산을 연구합니다 다양한 파도 조건의 영향을 받아 플랫폼이 흔들리는 구조 상호 작용에 대해 살펴볼 수 있습니다.
FLOW-3D v12는 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)의 설계 및 기능에서 매우 큰 변화를 이룬 제품으로 모델 설정을 단순화하고 사용자 워크 플로를 향상시킵니다. 최첨단 Immersed Boundary Method(침수경계 방법)은 FLOW-3Dv12 솔루션의 정확성을 높여줍니다. 다른 주요 기능으로는 슬러지 침강 모델, 2-Fluid 2-Temperature 모델 및 Steady State Accelerator가 있으며,이를 통해 사용자는 자유 표면 흐름을 더욱 빠르게 모델링 할 수 있습니다.
Physical and Numerical Model
Immersed boundary method
힘과 에너지 손실에 대한 정확한 예측은 고체 주위의 흐름과 관련된 많은 엔지니어링 문제를 모델링하는 데 중요합니다. 새 릴리스 FLOW-3D v12에는 이러한 문제점 해결을 위해 설계된 새로운 고스트 셀 기반 Immersed Boundary Method (IBM)가 있습니다. IBM은 내 외부 흐름 해석을 위해, 벽 근처에서 보다 정확한 해를 제공하여 드래그 앤 리프트 힘의 계산을 향상시킵니다.힘과 에너지 손실의 정확한 예측은 고체 주위의 흐름을 포함하는 많은 공학적 문제를 모델링 하는데 중요합니다.
Two-field temperature for the two-fluid model
2 유체 열전달 모델은 각 유체에 대한 에너지 전달 방정식을 분리하기 위해 확장되었습니다. 각 유체는 이제 자체 온도 변수를 가지므로 인터페이스 근처의 열 및 물질 전달 솔루션의 정확도가 향상됩니다. 인터페이스에서의 열전달은 이제 시간의 표 함수가 될 수 있는 사용자 정의 열전달 계수에 의해 제어됩니다.
새로운 슬러지 정착 모델은 수처리 애플리케이션에 부가되어 사용자들이 수 처리 탱크와 클래리퍼의 고형 폐기물 역학을 모델링 할 수 있게 해 줍니다. 침전 속도가 분산상의 액적 크기의 함수 인 드리프트-플럭스 모델과 달리, 침전 속도는 슬러지 농도의 함수이며 기능 및 표 형식으로 입력 할 수 있습니다.
Void particles 가 기포 및 상 변화 모델에 추가되었습니다. Void particles는 붕괴 된 Void 영역을 나타내며, 항력 및 압력을 통해 유체와 상호 작용하는 작은 기포로 작용합니다. 주변 유체 압력에 따라 크기가 변하고 시뮬레이션이 끝날 때의 최종 위치는 공기 유입 가능성을 나타냅니다.
Sediment scour model
퇴적물 수송 및 침식 모델은 정확성과 안정성을 향상시키기 위해 정비되었습니다. 특히 퇴적물 종의 질량 보존이 크게 개선되었습니다.
고정 압력 경계 조건에는 압력 및 유체 분율을 제외한 모든 유량이 해당 경계의 상류의 유량 조건을 반영하는 ‘유출’옵션이 포함됩니다. 유출 압력 경계 조건은 고정 압력 및 연속 경계 조건의 하이브리드입니다.
Moving particle sources
시뮬레이션 중에 입자 소스를 이동할 수 있습니다. 시간에 따른 병진 및 회전 속도는 표 형식으로 정의됩니다. 입자 소스의 운동은 소스에서 방출 된 입자의 초기 속도에 추가됩니다.
Variable center of gravity
기변 무게중심은 중력 및 비관 성 기준 프레임 모델에서, 시간의 함수로서 무게 중심의 위치는 외부 파일에서 테이블로서 정의 될 수있다. 이 기능은 연료를 소비하고 분리 단계를 수행하는 로켓과 같은 모형을 모델링 할 때 유용합니다.
공기 유입 모델
가장 간단한 부피 기반 공기 유입 모델 옵션이 기존 질량 기반 모델로 대체되었습니다. 질량 기반 모델은 부피와 달리 주변 유체 압력에 따라 부피가 변화하는 동안 흡입된 공기량이 보존되기 때문에 물리학적 모델입니다.
Tracer diffusion
유동 표면에서 생성된 추적 물질은 분자 및 난류 확산 과정에 의해 확산될 수 있으며, 예를 들어 실제 오염 물질의 동작을 모방한다.
Model Setup
Simulation units
온도를 포함하여 단위 시스템은 완전히 정의해야하는데 표준 단위 시스템이 제공됩니다. 또한 사용자는 다양한 옵션 중에서 질량, 시간 및 길이 단위를 정의 할 수 있으므로 사용자 정의가 가능한 편리한 단위를 사용할 수 있습니다. 사용자는 압력이 게이지 또는 절대 단위로 정의되는지 여부도 지정해야합니다. 기본 시뮬레이션 단위는 기본 설정에서 설정할 수 있습니다. 단위를 완전히 정의하면 FLOW-3D 가 물리량의 기본값을 정의하고 범용 상수를 설정하여 사용자가 요구하는 작업량을 최소화 할 수 있습니다.
Shallow water model
Manning’s roughness in shallow water model
Manning의 거칠기 계수는 지형 표면의 전단 응력 평가를 위해 천수(shallow water) 모델에서 구현되었습니다. 표면 결함의 크기를 기반으로 기존 거칠기 모델을 보완하며 이 모델과 함께 사용할 수 있습니다. 표준 거칠기와 마찬가지로 매닝 계수는 구성 요소 또는 하위 구성 요소의 속성이거나 지형 래스터 데이터 세트에서 가져올 수 있습니다.
Mesh generation
하단 및 상단 경계 좌표의 정의만으로 수직 방향의 메시 설정이 단순화되었습니다.
Component transformations
사용자는 이제 여러 하위 구성 요소로 구성된 구성 요소에 회전, 변환 및 스케일링 변환을 적용하여 복잡한 형상 어셈블리 설정 프로세스를 단순화 할 수 있습니다. GMO (General Moving Object) 구성 요소의 경우, 이러한 변환을 구성 요소의 대칭 축과 정렬되도록 신체에 맞는 좌표계에 적용 할 수 있습니다.
Changing the number of threads at runtime
시뮬레이션 중에 솔버가 사용하는 스레드 수를 변경하는 기능이 런타임 옵션 대화 상자에 추가되어 사용 가능한 스레드를 추가하거나 다른 태스크에 자원이 필요한 경우 스레드 수를 줄일 수 있습니다.
Probe-controlled heat sources
활성 시뮬레이션 제어가 형상 구성 요소와 관련된 heat sources로 확장되었습니다. 히스토리 프로브로 열 방출을 제어 할 수 있습니다.
Time-dependent temperature at sources
질량 및 질량 / 운동량 소스의 유체 온도는 이제 테이블 입력을 사용하여 시간의 함수로 정의 할 수 있습니다.
Emissivity coefficients
공극으로의 복사 열 전달을위한 방사율 계수는 이제 사용자가 방사율과 스테판-볼츠만 상수를 지정하도록 요구하지 않고 직접 정의됩니다. 후자는 이제 단위 시스템을 기반으로 솔버에 의해 자동으로 설정됩니다.
Output
등속 필드 솔버 옵션을 사용할 때 유량 속도를 선택한 데이터 로 출력 할 수 있습니다 .
벽 접착력으로 인한 지오메트리 구성 요소의 토크 는 기존 벽 접착력의 출력 외에도 일반 이력 데이터에 별도의 수량으로 출력됩니다.
난류 모델 출력이 요청 될 때 난류 에너지 및 소산과 함께 전단 속도 및 y +가 선택된 데이터로 자동 출력됩니다 .
공기 유입 모델 출력에 몇 가지 수량이 추가되었습니다. 자유 표면을 포함하는 모든 셀에서 혼입 된 공기 및 빠져 나가는 공기의 체적 플럭스가 재시작 및 선택된 데이터로 출력되어 사용자에게 공기가 혼입 및 탈선되는 위치 및 시간에 대한 자세한 정보를 제공합니다. 전체 계산 영역 및 각 샘플링 볼륨 에 대해이 두 수량의 시간 및 공간 통합 등가물 이 일반 히스토리 로 출력됩니다.
솔버의 출력 파일 flsgrf 의 최종 크기 는 시뮬레이션이 끝날 때보 고됩니다.
2 유체 시뮬레이션의 경우, 기존의 출력 수량 유체 체류 시간 및 유체 가 이동 한 거리는 이제 유체 # 1 및 # 2와 유체의 혼합물에 대해 별도로 계산됩니다.
질량 입자의 경우 각 종의 총 부피와 질량이 계산되어 전체 계산 영역, 샘플링 볼륨 및 플럭스 표면에 대한 일반 히스토리 로 출력되어 입자 종 수에 대한 현재 출력을 보완합니다.
예를 들어 사용자가 가스 미순환을 식별하고 연료 탱크의 환기 시스템을 설계하는 데 도움이 되도록 마지막 국부적 가스 압력이 옵션 출력량으로 추가되었습니다. 이 양은 유체가 채워지기 전에 셀의 마지막 간극 압력을 기록하며, 단열 버블 모델과 함께 사용됩니다.
New Customizable Source Routines
사용자 정의 가능한 새로운 소스 루틴이 추가되었으며 사용자의 개발 환경에서 액세스 할 수 있습니다.
소스 루틴 이름
설명
cav_prod_cal
캐비 테이션 생산 및 확산 속도
sldg_uset
슬러지 정착 속도
phchg_mass_flux
증발 및 응축에 의한 질량 흐름
flhtccl
유체#1과#2사이의 열 전달 계수
dsize_cal
2상 유동에서의 동적 낙하 크기 모델의 충돌 및 이탈율
elstc_custom.
점탄성 유체에 대한 응력 방정식의 소스 용어
Brand New User Interface
FLOW-3D의 사용자 인터페이스가 완전히 재설계되어 사용자의 작업 흐름을 획기적으로 간소화하는 최신의 타일 구조를 제공합니다.
Dock widgets 설정
Physics, Fluids, Mesh 및 FAVOR ™를 포함한 모든 설정 작업이 형상 창 주위의 dock widgets으로 변환되어 모델 설정을 단일 탭으로 압축 할 수 있습니다. 이 전환을 통해 이전 버전의 복잡한 트리가 훨씬 깔끔하고 효율적인 메뉴 표시로 바뀌어 모델 설정 탭을 떠나지 않고도 모든 매개 변수에 쉽게 액세스 할 수 있습니다.
New Model Setup icons With our new Model Setup design comes new icons, representing each step of the setup process.New Physics icons Our Physics icons are designed to be easily differentiated from one another at a glance, while providing clear visual representation of each model’s purpose and use.
RSS feed
새 RSS 피드부터 FLOW-3D v12.0 의 시뮬레이션 관리자 탭이 개선되었습니다 . FLOW-3D 를 시작하면 사용자에게 Flow Science의 최신 뉴스, 이벤트 및 블로그 게시물이 표시됩니다.
Configurable simulation monitor
시뮬레이션을 실행할 때 중요한 작업은 모니터링입니다. FLOW-3Dv12.0에서는 사용자가 시뮬레이션을 더 잘 모니터링할 수 있도록 Simulation Manager의 플로팅 기능이 향상되었습니다. 사용자는 시뮬레이션 런타임 그래프를 통해 모니터링할 사용 가능한 모든 일반 기록 데이터 변수를 선택하고 각 그래프에 여러 변수를 추가할 수 있습니다. 이제 런타임에서 사용할 수 있는 일반 기록 데이터는 다음과 같습니다.
최소/최대 유체 온도
프로브 위치의 온도
유동 표면 위치에서의 유량
시뮬레이션 진단(예:시간 단계, 안정성 한계)
Runtime plots of the flow rate at the gates of the large dam / Large dam with flux surfaces at the gates
Conforming mesh visualization
사용자는 이제 새로운 FAVOR ™ 독 위젯을 통해 적합한 메쉬 블록을 시각화 할 수 있습니다 .
Large raster and STL data
데이터를 처리하는 데 걸리는 시간으로 인해 큰 형상 데이터를 처리하는 것은 어려울 수 있습니다. 대형 지오메트리 데이터를 처리하는 데 여전히 상당한 시간이 소요될 수 있지만 FLOW-3D는 이제 이러한 대형 데이터 세트를 백그라운드 작업으로로드하여 사용자가 데이터를 처리하는 동안 완벽하게 응답하고 중단없는 인터페이스에서 계속 작업 할 수 있습니다.
FLOW-3D의 침전물 이송 모델을 사용하여 세굴 및 침전물을 평가할 수 있으며, 여기서 3차원 유량 구성 요소가 세굴 프로세스를 주도하고 있습니다. Flow-3D의 유체역학 모델은 유체물리학을 설명하는 정전기적이지 않은 레이놀즈-평균화된 Navier-Stokes 방정식을 완벽하게 해결합니다. 유체역학적 솔버는 침전물 운반 모듈과 완전히 결합되어 있어 침전물 운반 및 비접착 토양의 부유식 침식, 인포테인먼트 및 침식을 시뮬레이션합니다(Wei et al., 2014). 베드로드, 인포테인먼트 및 정착 프로세스에 사용되는 모든 경험적 관계는 완전히 사용자 정의 가능하며, 최대 10개의 침전물 종(곡물 크기, 질량 밀도, 임계 전단 응력 등 서로 다른 특성을 가진)을 정의할 수 있습니다. FLOW-3D는 짧은 경과 시간 척도에 대한 국부적 스쿠어를 시뮬레이션하는 데 이상적입니다.
FLOW-3D‘s Sediment Transport model can be used to evaluate scour and deposition, where three-dimensional flow components are driving the scouring process. FLOW-3D’s hydrodynamic model solves the full unsteady non-hydrostatic Reynolds-averaged Navier-Stokes equations that describe the flow physics. The hydrodynamic solver is fully coupled with a sediment transport module that simulates bedload and suspended sediment transport, entrainment and erosion for non-cohesive soils (Wei et al., 2014). All empirical relationships used in bedload, entrainment and settling processes are fully customizable, and up to 10 different sediment species (with different properties such as grain size, mass density and critical shear stress) can be defined. FLOW-3Dis ideal for simulating local scour over short episodic time scales.
Modeling Capabilities – Unsteady 3D mobile bed modeling – Bedload and suspended sediment transport – Non-cohesive sediment – 10 individual grain size fractions – Suspended sediment settling and entrainment – Critical angle of repose
Applications – River and coastal morphodynamics – Bridge pier and abutment scour – Local scour at hydraulic structures – Sedimentation basins – Reservoir flushing
Sediment Transport Model
Sentral Transport 모델은 8.0 버전(Brethour, 2009년)에서 처음 도입되었으며, 11.1 버전(Wei et al., 2014년), 가장 최근에는 12.0 버전(Flow Science, 2019년)에서 광범위한 개정을 거쳤습니다. 숫자 모델에서 시뮬레이션된 물리적 프로세스의 개략도가 아래에 나와 있습니다.
The Sediment Transport model was first introduced in version 8.0 (Brethour, 2009), and has gone through extensive revisions in version 11.1 (Wei et al., 2014), and most recently in version 12.0 (Flow Science, 2019). A schematic of the physical processes simulated in the numerical model is illustrated below.
The different processes modeled by the Sediment Transport Model.
수치 모델에서 침전물은 포장된 Bed로서 일시 중단된 상태로 존재할 수 있습니다. 포장된 Bed는 PRIPT™ 기법을 사용하여 복잡한 솔리드 경계(Hirt 및 Sicilian, 1985)에 표현된 지울 수 없는 솔리드 객체입니다. 이것은 유체역학 용해기의 고체 물체를 나타내는 데 사용되는 방법과 동일합니다. 포장된 Bed의 형태학적 변화는 침전물 질량의 보존에 의해 좌우됩니다.
In the numerical model, sediment can exist as packed bed and in a suspended state. A packed bed is an erodible solid object that is represented using the FAVOR™ technique for complex solid boundaries (Hirt and Sicilian, 1985). This is the same method used to represent solid objects in the hydrodynamic solver. The morphological change in the packed bed is governed by the conservation of sediment mass.
형태학적 변경은 모형에 숫자로 표시되는 여러 가지 물리적 프로세스에 의해 제어됩니다. 이러한 프로세스에는 베드로드 운송, 인포테인먼트 및 증착이 포함됩니다. 베드로드 이송은 침전물이 서스펜션에 전달되지 않고 채널을 따라 횡방향으로 이동하는 물리적 과정입니다. 인포테인먼트란 난류 에디가 패킹 베드 상단의 곡물을 제거하고 일시 중단된 상태로 전환하는 과정입니다. 포장이란 곡물이 현수막에서 안착되어 포장된 침대에 퇴적하는 과정입니다. 수치 모델에서 이것은 일시 중단된 상태에서 포장된 베드 상태로의 전환입니다.
The morphological changes are governed by several different physical processes that are represented numerically in the model. These processes include bedload transport, entrainment and deposition. Bedload transport is the physical process of sediment moving laterally along the channel without being carried into suspension. Entrainment is the process by which turbulent eddies remove the grains from the top of the packed bed and transition to the suspended state. Packing is the process of grains settling out of suspension and depositing onto the packed bed. In the numerical model, this is the transition from the suspended to the packed bed state.
인포테인먼트 및 패킹의 상대적 비율은 포장된 베드와 부유 상태 사이의 침전물 질량 교환을 제어합니다. 이 모델은 Meyer-Peter Müler(1948), Nielsen(1992) 또는 Van Rijn(1984)의 방정식을 사용하여 베드 인터페이스가 포함된 각 메시 셀에서 베드로드 전송을 계산합니다. 메쉬 셀에서 이웃의 각 메쉬 셀로 이동하는 곡물의 양을 결정하기 위해 하위 메쉬 방법이 사용됩니다. 인포테인먼트에서 곡물의 리프팅 속도는 Winterwerp 등(1992)의 방정식을 사용하여 계산됩니다. 안착 속도는 Soulsby(1997년)를 사용하여 계산됩니다. 베드 인터페이스가 포함된 메시 셀에서 인터페이스의 위치, 방향 및 면적을 계산하여 베드 전단 응력, 무차원 전단 응력, 베드로드 전송 속도 및 인포테인먼트 속도를 결정합니다. 3D 난류 흐름의 베드 전단 응력은 표준 벽 함수를 사용하여 중간 곡물 크기에 비례하는 베드 표면 거칠기를 고려하여 평가됩니다.
The relative rates of entrainment and packing control the exchange of sediment mass between the packed bed and suspended states. The model calculates bedload transport in each mesh cell containing the bed interface using the equation of Meyer-Peter Müller (1948), Nielsen (1992) or Van Rijn (1984). A sub-mesh method is employed to determine the amount of grains moving from the mesh cell into each mesh cell in its neighbor. The lifting velocity of grains in entrainment is calculated using the equation of Winterwerp et al. (1992). The settling velocity is calculated using Soulsby (1997). In the mesh cells containing the bed interface, location, orientation and area of the interface are calculated to determine the bed shear stress, dimensionless shear stress, bedload transport rates and entrainment rates. Bed shear stress in 3D turbulent flows is evaluated using the standard wall function with consideration of bed surface roughness that is proportional to the median grain size.
부유된 침전물은 유체의 스칼라 질량 농도로 표시됩니다. 농도는 주어진 셀에서 균일한 것으로 가정되며 유체 셀 밀도 및 점도와 결합됩니다. 각 종에 대해, 부유 침전물 농도는 수송 방정식을 풀어서 계산됩니다.
The suspended sediment is represented as a scalar mass concentration in the fluid. The concentration is assumed to be uniform in a given cell and is coupled with the fluid cell density and viscosity. For each species, the suspended sediment concentration is calculated by solving a transport equation.
Validations
다음 5가지 검증 사례는 실험 데이터와 FLOW-3D의 침전물 이송 모델의 시뮬레이션 결과를 비교합니다.
마오(1986년) Mao는 수중 수평 파이프라인 아래 침대의 무서운 프로파일을 얻기 위해 실험 작업을 수행했습니다. 아래 그림은 FLOW-3D를 사용하여 얻은 결과와 실험 결과를 비교합니다.
그림 A는 파이프라인 아래의 최대 scour깊이를 시간 경과에 따라 비교하는 반면, 그림 B ~ F는 스터디의 scour프로필(빨간색 점으로 표시됨)과 FLOW-3D 프로필을 오버레이합니다.
Chatterjee et al. (1994)
수평 제트 침수로 인해 국부적인 스쿠어 프로파일을 얻기 위한 실험 작업이 수행되었습니다. 아래 그림은 scour구멍 깊이와 둔부 높이에 대한 실험 대 FLOW-3D의 숫자 결과를 시간의 함수로 비교합니다. 이 애니메이션은 scour구멍과 둔부 높이가 최대 1시간 내에 안정된 상태에 도달한다는 것을 보여줍니다.
Gladstone et al. (1998)
In these experiments the propagation and deposition patterns of particle-laden flows were studied. The plot below compares experimental versus FLOW-3D simulation results from three different setups, labeled case A (100% 0.025mm size particles), case D (50% 0.069mm and 50% 0.025mm size particles), and case G (100% 0.069mm size particles).
Faruque et al. (2006)
이 논문에서, 저자들은 실험을 통해 3차원 벽면 제트기를 물에 잠기게 함으로써 국부적인 악취를 연구했습니다. 아래 표는 세 가지 서로 다른 테일워터 비율에 대한 scour 구멍의 3D 형태학적 변화에 대한 실험과 FLOW-3D 수치 결과를 비교합니다.
Equilibrium bed elevation changes predicted by the numerical model for a cylindrical pier. (A) Isometric view of scour and deposition adjacent to the pier. (B) Comparison between numerical results (top) and physical model measurements (bottom).Equilibrium bed elevation changes predicted by the numerical model for the diamond pier. (A) Isometric view of scour and deposition adjacent to the pier. (B) Comparison between numerical results (top) and physical model measurements (bottom).
In this paper, the authors studied local scour by submerged three-dimensional wall jets via experiments. The table below compares the experimental versus FLOW-3D numerical results for 3D morphological changes in the scour hole for three different tailwater ratios.
References
Brethour, J.M., Hirt, C.W., 2009, Drift Model for Two-Component Flows, FSI-14-TN-83, Flow Science, Inc.
Chatterjee, S.S., Ghosh, S.N., and Chatterjee M., 1994, Local scour due to submerged horizontal jet, Journal of Hydraulic Engineering, 120(8), pp. 973-992.
Faruque, M.A.A., Sarathi, P., and Balachandar R., 2006, Clear Water Local Scour by Submerged Three-Dimensional Wall Jets : Effect of Tailwater Depth, Journal of Hydraulic Engineering, 132(6), pp. 575-580.
Flow Science, 2019, FLOW-3D Version 12.0 User Manual, Santa Fe, NM: Flow Science, Inc. https://www.flow3d.com
Gladstone, C., Phillips, J.C., and Sparks R.S.J., 1998, Experiments on bidisperse, constant-volume gravity currents: propagation and sediment deposition, Sedimentology 45, pp. 833-843.
Hirt, C.W. and Sicilian, J.M., 1985, A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes, 4th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Washington, D.C.
Khosronejad, A., Kang, S., & Sotiropoulos, F., 2012. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers, Advances in Water Resources, 37, pp. 73-85.
Mao, Y., 1986. The interaction between a pipeline and an erodible bed, PhD thesis, Institute of Hydrodynamics and Hydraulic Engineering, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark.
Meyer-Peter, E. and Müller, R., 1948, Formulas for bed-load transport, Proceedings of the 2nd Meeting of the International Association for Hydraulic Structures Research. pp. 39–64.
Nielsen, P., 1992, Coastal bottom boundary layers and sediment transport (Vol. 4). World scientific.
Soulsby, R., 1997, Dynamics of Marine Sands, Thomas Telford Publications, London.
Van Rijn, L. C., 1984, Sediment Transport, Part I: Bed load transport, Journal of Hydraulic Engineering 110(10), pp. 1431-1456.
Wei, G., Brethour, J.M., Grüenzner M., and Burnham, J., 2014, The Sediment Scour Model in FLOW-3D, Technical Note FSI-14-TN-99, Flow Science, Inc.
Winterwerp, J.C., Bakker, W.T., Mastbergen, D.R. and Van Rossum, H., 1992, Hyperconcentrated sand-water mixture flows over erodible bed, Journal of Hydraulic Engineering, 118(11), pp. 1508–1525.
Build up a computational fluid laboratory with FLOW-3D 츄우자린 박사 邱家麟 博士 Charlie Chia-Lin Chiu 3차원 유동 무역(상하이) 기술 부총 대만해양대학 하해공정학과 조교수 겸임 09/25/2019
본 자료는 재순환 펌프 시스템에 의해 구동되는 트레일러 용수로(flume)의 간단한 채널의 물의 흐름을 보여줍니다. 이것은 weirs, bridges, culverts and debris screens과 같은 전형적인 공학적 구조의 스케일 모델을 특징으로 합니다. 이 flume 은 관찰자들이 홍수의 원인과 강과 배수로에 대한 좋은 설계와 유지보수가 홍수로 인한 위험을 관리하는데 얼마나 도움이 되는지 이해하는데 도움을 줍니다.
FLOW-3D CAST는 두 가지 모델로 다공성을 식별할 수 있음 – 단순화된 응고 수축 – 유체의 흐름이 없음 – 액체 영역의 온도를 기준 – 인터덴드리틱 옵션 – 빠른 결과에 사용 – 주요 수축 모델 – 유체 및 열의 흐름을 기준 – 재용해로 인한 부피 팽창 – 매우 정확한 최종 검증
Build up a computational fluid laboratory with FLOW-3D 츄우자린 박사 邱家麟 博士 Charlie Chia-Lin Chiu 3차원 유동 무역(상하이) 기술 부총 대만해양대학 하해공정학과 조교수 겸임 09/25/2019
본 자료는 재순환 펌프 시스템에 의해 구동되는 트레일러 용수로(flume)의 간단한 채널의 물의 흐름을 보여줍니다. 이것은 weirs, bridges, culverts and debris screens과 같은 전형적인 공학적 구조의 스케일 모델을 특징으로 합니다. 이 flume 은 관찰자들이 홍수의 원인과 강과 배수로에 대한 좋은 설계와 유지보수가 홍수로 인한 위험을 관리하는데 얼마나 도움이 되는지 이해하는데 도움을 줍니다.
FLOW-3D를 사용하여 보다 유연한 유체 역학 실험실 만들기 : Weir 편
실험 수조 Hydraulic Flume실제 상태에 따라 상류 수심 4.627 cm / 공기 압력 P=0 상류 수심 4.618 cm / 아웃플로 경계 상류 수심 4.615 cmWeir 상류 수심 9.897 cm / Weir 상류 최저 수심 9.827 cm
2020년 1월부터 당사에서는 FLOW Science Japan에서 개발한 유체-구조 연성해석을 쉽게 할 수 있는 FSAI 프로그램을 공급합니다.
FSAI 프로그램은 FLOW-3D / FLOW-3D MP 해석 결과 데이터(유체 압력, 유체 온도, 벽 온도)를 구조 해석의 유한 요소(FEM) Mesh에 출력할 수 있습니다. 반대로 구조 해석의 유한 요소(FEM) Mesh 데이터를 FLOW-3D Solid 형상으로 읽어 처리 할 수 있습니다.
F.SAI는 FLOW Science Japan 개발 제품으로 아래와 같은 제품 기능을 제공합니다.
F.SAI module Features
Transfer fluid pressures , temperature, and wall temperature
FLOW-3D® & FLOW-3D ®/MP support (Multi block support)
Support for Solid / Shell FEA meshes ( can be intermixed )
Node probe search distance
Automatic local interpolation on element faces
Add default value for nodes with no probe values
Limit the probe values to a given Min/Max values of the probe output
Runs in standalone mode ( does not require FLOW-3D ® or FEA package to be installed on the same machine )
Platforms: Windows 64 bit / Linux 64 bit
F.SAI module Features (Supported Features)
NASTRAN (Bulk Data)
SIMULA Abaqus ( version 6 and above )
MSC Mentat Marc 2012 (comma separated / fixed column format)
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AM프로세스에 CFD를 사용해야하는 이유
AM의 용융 풀(Melt pool) 분해능(0.01 – 0.001mm 길이 스케일)에서 유체 흐름을 정확하게 표현 – 파우더 페드 퍼짐(Powder bed spreading) : DEM(Discrete Element Method)을 통해 파우더 베드 압축 및 흡수 특성을 예측하는데 도움 – 선택적 레이저 용해 : 결함 설계 공간 및 용융 풀(Melt pooe) 형상 매핑 및 예측 – 빠른 응고(Solidification) : 구성 분리 및 위상 핵(Phase nucleation) 형성 및 예측
파우더 증착 및 레이저 용융(Powder deposition and laser melting)
모델 입력 : 파우더 크기 분포, 합금 재료 특성 및 레이저 공정 매개 변수
모델 출력 : 가열/냉각 프로파일, 결함 밀도, 조성 변화
연속 및 펄스 레이저 용융
Takeaway : 두 매개 변수 세트 모두 고밀도 재료를 생산하지만 열 이력(History)은 상당히 다름
모델 정확도 및 검증
NiTi, Ti64 및 316L에서 수행된 모델 검증
용융 풀(Melt pool) 형태 및 키홀링(Keyholing)
공정 공간에서 열분해에 대한 경향
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– Integrates effects of electrophoresis and dielectrophoresis (전기 영동 및 유전 영동의 효과) – Surface tension and electro-mechanics models(표면장력 및 전기역학 모델) – Electrowetting on dielectric(EWOD, 유전체 전기습윤) – Induced charges manipulate fluid at micro/nano volumes (유도 전하로 인한 마이크로/나노 볼륨조작)
– Magneto hydrodynamics(자기 유체역학) – Use of magnetic control to mix fluids(유체 혼합을 위한 자기제어)
강물은 깨끗하고 재생 가능한 에너지의 믿을만한 원천입니다. 많은 장치들이 이 에너지를 사용하도록 설계되었지만, 리프트 기반 터빈은 발전 시 가장 효율적인 옵션입니다.
저속 전류의 성능을 최적화하기 위해 Gorlov 나선형 교차 흐름 터빈을 사용할 것을 제안합니다. Gorlov 나선형 설계는 수류에서 성능이 입증되었으며, 또한 여러 풍력 터빈의 설계의 기초가 되었습니다.
파워레인저 설계 팀은 스케일 모델인 Gorlov 나선형 크로스 플로우 워터 터빈을 설계, 제작 및 테스트했으며, 이와 유사한 터빈을 공기 스트림에서 사용할 수 있도록 설계, 제작 및 테스트했습니다.
SolidWorks CAD 패키지는 시공 및 가상 분석을 위한 가상 모델을 개발하는 데 사용되었습니다.실제 모델을 구축하기 전에 결과 컴퓨터 모델을 Flow3D에서 유체역학적 특성을 분석하였습니다.허용 가능한 가상 성능을 얻으면, 고속 프로토타입 기계를 사용하여 ABS 블레이드를 인쇄하고 블레이드 및 샤프트 마운팅을 위한 가공 부품을 사용하여 물리적 모델을 제작했습니다.
하나는 프로토 타입의 웨이브 / 토우 탱크에서 테스트되었고 다른 하나는 대학의 풍동실험실에서 테스트되었습니다. 0.25m/s 내지 2.0m/s의 스트림 속도에 대해 0.25m/s의 증분으로 시험을 수행 하였습니다.
각 속도 시험에서 제로 토크 (프리휠)에서 시작하여 터빈이 회전 할 수 없을 때까지 계속해서 브레이크 토크를 높이면서 여러 토우를 수행했습니다. 이 테스트 결과를 분석하여 일반적인 터보 기계 성능 곡선과 비교하기 위해 전력 계수 대 속도 계수 및 전력 대 각도 속도 곡선을 생성했습니다. 윈드 터빈을 테스트하여 자체 시작 기능 및 팁 속도 비 (TSR)를 결정했습니다.
수력 터빈은 발전에서 예상보다 약간 더 나은 성능을 발휘했으며, 목표치보다 효율이 낮았습니다. 달성된 최대 전력 출력은 13와트입니다. Cp vs. Cs 및 Power vs. ωcurves는 기존의 터빈 구성과 유사합니다. 곡선은 전통적인 터빈 구성의 곡선과 매우 유사합니다.
Windturbine은 일반적인 수력 터빈보다 전체 TSR이 낮은 자체 시동 기능을 보여 주어 공기 최적화 헬리컬 터빈의 잠재력을 나타냅니다. 테스트 결과, 터빈이 미래의 최적화 연구를위한 좋은 출발점이라고 믿습니다.
테스트 결과로부터, 우리는 미래에 최적화를 연구하기 위해 건설된 터빈이 좋은 출발점이라고 믿습니다.
Integrates effects of electrophoresis and dielectrophoresis
Induced charges manipulate fluid at micro/nano volumes
Electrowetting on dielectric (EWOD).
Dielectrophoresis (DEP)
DEP는 particle/fluid의 dielectric 특성이 주변 매체의 dielectric 특성과
다를 때만 발생한다.
Inputs required:
Dielectric constant of the fluid and or particles
Dielectric constant of any components, that may influence the electric field
Define electric potential on the components or on the mesh boundaries
Permittivity of vacuum.
섬세한 경계를 가진 두
개의 유체, 표면 장력, electric potential,
fluid electric charge, dielectrophoresis, newtonian viscosity
Electro osmosis
Micro-pump example
Zeta potential
Electric field defined by the electric potential on the components or on the mesh boundaries.
Permittivity of vacuum
Flow rate control through device
Inputs required:
Zeta potential
Electric field defined by the electric potential on the components or on the mesh boundaries.
Permittivity of vacuum
Flow rate control through device
Electro-thermal effects (Joules heating)
전류가 물질을 통해 흐를 때 그 저항성은 물질을 가열하게 하며, 이 효과를 joule heating이라고 한다.
온도 구배 설정 속도 필드 및 장치의 유체 순환
Magneto Hydrodynamics
자력에 의해 입자가 유선으로부터 이탈한다.
Xiaozheng Xue1, Ioannis H. Karampelas1, Chenxu Liu2 and Edward P.
Furlani1,2
1 Department of Chemical and Biological Engineering
2 Department of Electrical Engineering
SUNY at Buffalo FLOW-3D Americas User Conference , Toronto, 2014
고압 다이 캐스팅 주조업체인 Littler Diecast 회사는 최근 항공 우주 분야에 사용될 제품을 위한 전기 스위치 프레임을 재 설계하고 다이캐스팅 할 수 있었습니다. 이전에는 다른 제조업체에 위탁 생산을 했지만 많은 주조 결함 문제가 있었으며 낮은 스크랩 비율을 달성하기 위해 새로운 디자인이 필요했습니다. Littler Diecast는 이 문제에 대한 사전 지식없이 FLOW-3D를 이용한 CFD 시뮬레이션을 통해 결함을 찾아 낼 수 있었습니다. 이것은 그들이 수주에 성공할 수 있을 만큼 고객에게 충분한 인상을 주었습니다.
문제 파악
문제가 된 제품 스위치는 A380 알루미늄으로 주조되며, 크기는 약 1 ¼”x 1”x 1/2”입니다. Littler Diecast는 다공성 공기 갇힘 문제가 플레이트와 기둥의 두 위치에서 부품 결함을 유발하고 있음을 발견했습니다. 이것은 고객에 의해 확인되었습니다. 부품이 충진되는 방식으로 인해 각 위치에 구멍이 형성되었습니다. 용탕 흐름은 그림1과 같이 단일 게이트를 통해 유입되어 플레이트의 먼쪽으로 분사된 다음, 백 채우기를 하여, 초기 응고로 인해 항상 배출되지 않은 에어 포켓을 포집합니다. 기둥에서도 동일한 문제가 발견되었습니다. 유체가 가장 먼 곳까지 분사된 다음 역류하여 파팅 라인을 통해 배출되지 않는 공기가 갇히게 됩니다.
다공성 문제를 보여주는 원래 부품의 X-ray 사진
그림 1: 단일 게이트를 사용한 원래 디자인 (속도 분포)
그림 2: 게이트가 3개인 최종 디자인(속도 분포)
오리지널 부품 디자인
부품의 원래 디자인에는 다른 문제들이 있었습니다. 잠금 와셔의 슬롯 주위와 플레이트 바닥의 씰링 표면에는 많은 다이 부식이 있었습니다. 부품의 모서리에 있는 오버플로는 결함이 밖으로 유출될 정도로 크지 않았습니다.
FLOW-3D를 사용하여, Littler Diecast는 유동 현상을 분석하고 시각적으로 분석할 수 있었습니다. 이러한 작은 부품의 경우, 얇은 부위의 빠른 냉각으로 인해 조기 응고가 문제가 됩니다. 유동이 부품을 가로 질러 분사되는 경우, 용탕이 냉각되고 공기 갇힘이 생성되어 더 많은 시간이 걸립니다. 가장 뜨거운 용탕이 마지막에 주입되는 것이 가장 좋습니다. 이를 염두에 두고 Littler Diecast는 많은 아이디어를 테스트하고 문제 발생 가능성을 최소화하는 디자인을 만들었습니다.
최종 부품 설계
세 가지 주요 설계 변경 후 부품 품질이 크게 향상되었습니다. 먼저, 게이트 및 러너를 재 설계하여 유체가 완전히 새로운 방향으로 3개의 게이트를 통해 유입되었습니다. 이는 더 큰 오버플로를 생성하는 두 번째 설계 변경과 결합하여 플레이트에 역류 현상이 훨씬 줄어들어 가장 뜨거운 용탕이 마지막으로 유입될 수 있음을 의미했습니다. 셋째, 게이트의 접근 각도와 위치가 변경되어 기둥의 역류를 방지하는데 도움이 되었습니다.
이 새로운 디자인은 또한 새로운 툴에서 다이 침식의 가능성을 줄였습니다. 대신, 기둥의 중앙 구멍에 사용되는 코어 핀으로 유체가 분출됩니다. 코어 핀은 쉽게 교할 수 있어서 다이를 수리하는 것보다 훨씬 빠르고 비용이 적게 듭니다. 이로 인해 많은 비용이 소모되는 다이 수정을 피할 수 있게 되어 엔지니어링 프로세스가 개선되었습니다.
물리적 검증
Littler Diecast는 생산 시설을 시험 가동한 short shots, x-ray 및 파괴 검사를 통해 디자인 변경 사항을 확인할 수 있었습니다. 짧은 샷은 균형 잡힌 러너를 보여주었고 x-ray에는 기포가 보이지 않았습니다. 파괴 시험은 기포가 없는 일관된 결정입자 구조를 보여주었으며, 이는 주조 결함이 아니라 재료의 강도에 기인한 것으로 입증되었습니다.
마이크로 채널의 패턴 표면은 액체 사이의 실제 물리적 벽 없이 여러 액체가 나란히 흐르는 특정 경로를 따라 한 저장 장치에서 다른 저장 장치로 액체를 운반하는 데 사용될 수 있습니다. 패턴이 있는 표면은 액체를 lab-on-a-chip, 생물학적 경로, 마이크로 프로세서 및 화학적, 생물학적 감지 장치로 운반하는 데 사용됩니다.
이 경우 표면 장력은 미세 채널의 유체 흐름을 조작하여 패턴이 있는 흐름을 만드는 데 사용됩니다. 고체 표면에 있는 유체의 친수성 또는 소수성 거동은 마이크로 채널을 통해 복수 유체의 움직임을 제어하기 위해 이용됩니다.
마이크로 채널 내부의 유체 흐름은 층류로, 이는 다중 유체 흐름(이 경우 2개)이 난류 혼합 없이 나란히 흐를 수 있음을 의미합니다. 유체 스트림 측면에 물리적 벽이 없기 때문에 스트림은 이른바 가상 벽으로 제한됩니다. 이 벽들은 기본적으로 두 액체 사이의 친수성 경계입니다.
세가지 단계를 보여 주는 실험 결과 – A, B및 C(왼쪽에서 오른쪽으로), Bin Zhao et al.
위의 그림은 실험에서의 마이크로 채널을 보여준다. 중앙 수평 채널의 중간 스트립은 친수성인 반면, 상단 및 하단 수직 채널과 함께 남아 있는 채널은 친수성의 정도가 다릅니다. 그들은 단지 몇도의 접촉점 각도에 의해서만 그들의 친수성이 다릅니다. 상부 채널의 접점 각도는 118o 이고 하부 채널의 접점 각도는 112o입니다. 그러나 이러한 접촉 각도의 작은 차이는 유체가 이러한 영역으로 흐르기 위해 상당히 다른 압력을 필요로 합니다.
수치해석 시뮬레이션
처음에는 모든 채널에 각기 다른 유체가 주입됩니다(투명). 분홍색 유체를 수평 채널로 밀어 넣으면 중앙 영역의 친수성 경로(PhaseA)를 따라 이동합니다. 압력이 증가함에 따라, 유체는 하부 친수성-친수성 장벽을 깨고 바닥 소수성 구역으로 흐르기 시작합니다(상 B). 압력이 더욱 증가하면 유체가 마침내 상부 친수성-친수성 장벽을 깨고 상부 영역에서도 흐르기 시작합니다(단계 C).
A, B, C의 세 단계를 보여주는 수치 결과입니다.
위의 수치해석 결과는 두가지 사이에 중요한 차이가 있다는 점을 고려할 때 실험에서 패턴이 있는 표면 연구의 전반적인 아이디어와 비교할 수 있는 합당한 수준을 보여줍니다. 위에 표시된 수치해석 결과는 과도 상태(압력이 지속적으로 증가함)이므로 유체 경계는 실험 결과와 정확히 동일하지 않습니다. 마찬가지로 유체 특성은 실험에 사용된 특성과 정확히 동일하지 않습니다.
그럼에도 불구하고 유체 1은 실험에서와 같이 압력이 증가함에 따라 A, B, C단계를 거칩니다. B단계에서는 투명한 유체가 상부 채널을 통해 계속 흐르지만, 하부 영역에서는 분홍색 유체만 흐릅니다. 이것은 실험과 일치합니다.
흥미로운 것은 C단계의 거품 형성입니다. C단계의 거품 형성과 같은 흥미로운 물리현상의 재현과 연구는 미세 유체학 장치의 설계와 제작 과정에 중요할 수 있습니다.
FLOW-3D 해석 결과
아래의 애니메이션은 위와 같은 실험에 대한 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 유체 1( 연한 파란 색)은 실험 중인 분홍색 유체와 같습니다. 처음에는 전체 영역이 Fluid2(투명 유체)로 채워집니다. 압력은 단계적으로 증가하며 시뮬레이션이 진행됨에 따라 세 단계를 모두 볼 수 있습니다.
Evolution of fluid flow with increasing pressure in patterned micro channels created by varying contact angles.
Ref: Bin Zhao, Jeffrey S. Moore, David J. Beebe, Surface-Directed Liquid Flow Inside Microchannels, Science 291, 1023 (2001)
하수도 시스템은 액션영화의 도피 루트로 사용되지 않는 한 흥미롭지 않을 것입니다. 폭우로 인해 이산화탄소 수치가 올라갈 때까지 여러분은 그것에 대해 생각조차 하지 않을 것입니다. 불행하게도, 770개 이상의 오래 된 미국 도시들 아래에 있는 하수구 시스템은 심한 폭풍으로 오염 문제를 일으킵니다. 이러한 구형 설계는 하수 및 폭풍 유실을 위한 비용 효율적인 단일 스타일 파이프를 사용했으며 연결된 파이프로 강 및 호수에 하수를 내보냅니다(CSO).
1994년 미국 환경보호청(EPA)은 주로 북동부 및 그레이트 레이크 지역의 관련 지방 자치 단체들에게 CSO관련 문제를 줄이거나 제거하도록 하는 정책을 발표했습니다. (2000년 “Clean Water Act”의 일부로 법률화된 정책). 인디애나 폴리스(Indianapolis)는 가벼운 비 폭풍으로 인해 하수 오물의 백업 및 범람이 발생할 수 있는 도시 중 하나였으므로, 주요 건설 조건에서 2025년까지 문제를 해결하는 것이 필요하였습니다.
인디애나 폴리스는 국제 디자인 회사인 AECOM에 Citizens Energy Group이 건설하고 있는 3개의 깊은 암석 저장 터널 중 첫 번째를 설계할 것을 요청했습니다. 총 25마일인 이 시스템은 대규모 지하 펌프장과 기존의 하수구에서 CSO를 수직으로 떨어뜨리는 연결 구조물을 포함합니다. 첫 번째 터널의 경우, 강우가 가라 앉은 후에 3 개의 커다란 강하 구조물이 CSO를 저장 터널로 전환하여 후속 처리를 수행했습니다.
프로젝트를 해결하기 위해 AECOM은 여러 가능한 낙하 구조물 설계의 동작을 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D를 선택하여, 구축 및 평가 예산이 책정 된 물리적 모델에 대한 재 작업의 필요성을 최소화했습니다. 테스트 결과는 예측 값과 일치하였으므로 재설계가 필요하지 않았습니다. 또한, 이제 AECOM은 유압 설계작업의 첫 번째 단계를 일반적으로 CFD시뮬레이션을 사용합니다.
Large Scale Project on a Tight Delivery Schedule
촉박한 납품 일정에 따른 대규모 프로젝트
20세기에 건설된 하수 처리장은 주거용, 상업용, 환경유출물의 유출로 무엇을 해야 할 것인지에 대한 새로운 인식을 가져다 주었습니다. CSO 방전은 정상적으로 운영되는 동안 처리시설로 직접 이동되며 모든 과정이 양호하게 운영됩니다. 불행하게도, 대규모 폭풍이 발생하는 동안, 발전소들의 초과 용량문제를 피하기 위해 인근 수역으로 과도한 유량을 방출합니다. 이들 배출은 기름과 살충제, 야생동물 배설물에 이르기까지 다양한 오염 물질을 포함합니다.
고무적인 성공의 신호로, 1990 년대에 착공된 새로운 CSO 분리, 저장 및 처리 시설로 오염의 영향에 대해 67 %의 개선을 이루었지만, 여전히 많은 연구가 이루어져야 합니다. 인디애나 폴리스의 경우, 인디애나 폴리스시 공공사업부가 CSO 장기 통제계획을 준비한 2008년에 그러한 노력이 시작되었습니다. 정상적인 처리 공장에서 처리 할 수 있을 때까지 오버플로우가 발생하는 “저장 및 운송”접근법의 핵심은 인디애나 폴리스 터널 저장 시스템 또는 인디애나라고 합니다.
이 시스템의 첫번째 단계는 딥 록 터널 커넥터(DRTC)라고 불리는 1억 8천만달러 가치의 프로젝트입니다. DRTC는 길이 7마일의 18피트 직경의 지하 터널로, 기존의 인디애나 폴리스의 3개의 서버 대 계층 유출 연결의 흐름 경로를 다시 만들 것입니다(그림 1). 목표는 과잉 강우 유출을 기존 하수구와 새 터널 사이의 낙하 구조를 통해 이들 대피소에서 거대한 터널로 안전하게 재배치하고, 폭풍 후 처리를 위해 처리장으로 펌핑 될 수있을 때까지 유지합니다.
Fig. 1. City of Indianapolis Deep Rock Tunnel Connector (DRTC), a “storage and transport” concept being built to handle combined sewage overflow (CSO) during heavy storms. Three vertical drop structures will capture this flow and divert it downwards to 18-foot-diameter storage tunnels running more than 250 feet underground; the tunnels store the CSO until sewage treatment plant capacity becomes available. (Image courtesy Citizens Energy Group)
평균적으로 지표면 아래 250피트 깊이에서, DRTC는 건설과 궁극적인 운영 동안 위의 주변 지역에 대한 혼란을 최소화하도록 설계되었습니다. 그러나 이 프로젝트의 규모와 복잡성은 AECOM의 과제에 긴급성을 더했습니다. 세 장소 각각에 대한 가능한 낙하 구조 설계와 평가, 구조물 설계의 60%를 7개월 이내에 마무리 지었습니다.
이러한 구조물의 목적은 표준 도시 하수 시스템에서 깊은 저장 터널로 하수 흐름을 전달하는 동시에, 효율적 손실( 느린 속도 또는 백업)과 장기적인 도심을 방지하는 것입니다. 각 섹션의 크기와 모양이 유입 흐름의 볼륨 및 속도와 세심하게 일치하지 않을 경우 발생할 수 있는 구조적 손상입니다.
AECOM의 수석 기술 전문가인 라이언 에디슨 컨설턴트는 계약의 스케줄링 요구 사항이 유효성 검사를 위해서는, 단 하나의 모델에만 물리적 건물과 테스트 활동을 제한할 것이라는 것을 알게되었습니다. 다른 주요 건설 프로젝트에 15년간 FLOW-3D 시뮬레이션 소프트웨어를 사용해 왔기 때문에, 난류, 과전압 및 에너지 낭비를 예측하는 능력은 충분하지 않고 디자인 프로젝트에 적합하다고 자신했습니다. 또한 여러 검증(what-if) 시나리오를 실행하기 위한 소프트웨어 옵션을 통해 설계 세부 사항을 다시 실행해야 하는 위험을 최소화할 수 있었습니다. 변경 사항이 적용될 경우 상당한 이점은 여러개의 병렬 시공 트랙이 있는 프로젝트에 있습니다.
시간 제약에도 불구하고, 에디슨은 특히 이 도전에 만족했습니다. 왜냐하면 “CFD로 드롭 구조 설계를 만들고 물리학에서 이것들은 너무 큰 구조이기 때문입니다.”라고 그는 말합니다. 그것들은 CFD는 실제로 사용되지 않는데 보통 물리적 모델이나 손으로 계산하는 것으로 이루어집니다.
DRTC 프로젝트를 위해서, 그는 먼저 시뮬레이션된 작동 조건에 대해서 컴퓨터 설계를 테스트할 것입니다. 에디슨은 3차원의 일시적이고 격동적인 흐름 조건을 모델링 할 수 있는 소프트웨어 패키지인 FLOW-3D를 사용했습니다. 각 설계에 대한 계산 메쉬를 변경하지 않고도 여러 설계 지오 메트리를 모델링 할 수 있는 기능이였습니다.
시뮬레이션 데이터로 무장한 에디슨은 그 결과를 아이오와 대학교 II. 시설에서 시험한 1:10 크기의 물리적 모델의 작동 데이터와 비교하였습니다. (후자는 원래 아이오와 유압 연구소라고 불렸지만, 지금은 그룹의 다양한 범위를 반영하여 IIHR-Hydroscience & Engineering으로 알려져 있습니다.)
Zeroing in on the Drop-Structure Challenge
드롭 구조 과제에서 영점 조정
가장 제한적인 DRTC 사이트의 지오 메트리는 CSO 008로 지정된 레귤레이터에서 발생합니다. 기존 CSO 레귤레이터(기울기 약 75피트 아래)를 새 18피트 직경의 수집 터널과 연결하려면, 이 위치에서 150피트 이상의 수직 방향 주행이 필요합니다. 각 낙하 구조에 7백만달러 이상이 소요되는 경우, 프로젝트 관리자들은 물리적 모델이 구축된 후 비용과 시간이 많이 소요되는 재설계가 필요한 가능성을 낮추려고 애썼습니다.
역사적으로 낙하 구조는 이전 프로젝트를 적용하여 설계된 후 축소 모델로 구축되었으며, 테스트만으로도 6개월 이상이 소요될 수 있습니다. 가속화된 이 프로젝트에서, 2009년 가을에 시작한 AECOM의 초기 과제는 두가지 표준 개념 중에서 하나를 선택하는 것이었습니다. 포장-파운드 스타일과 접선 vortex버전, 둘 다 시속 35마일의 폭풍이 몰아치는 물 속에서 속도를 늦추고 통제하기 위해서 직접 계산 및 FLOW-3D에서 결정한 일반 구조 직경 및 구성 요소 크기를 사용한 초기 CFD분석으로, AECOM은 시공 가능성 및 비용 고려 사항을 평가하는 데 사용했습니다.
CSO 008의 현장 요구 사항과 비용 효율성을 고려할 때, 시 당국과 AECOM은 접선 소용돌이 낙하 구조를 선택했습니다. 이 설계의 핵심 요소는 흐름을 먼저 환상적인 제트로 유도한 다음, vortex 유도 나선형 흐름을 생성하는 테이퍼(확대) 접근 채널에 의해 공급되는 수직 튜브(드롭 샤프트)입니다. 이 통제 된 하강은 속도가 느려지고 하루 3 억 갤런 (mgd) 이상에 이르는 흐름을 안전하게 처리합니다. 스토리지 터널의 파괴적인 난류를 방지하는 것이 핵심 목표이므로 드롭 샤프트 흐름의 사전 차단이 설계의 핵심입니다.
구조 자체는 6 개의 주요 부분으로 구성됩니다. 1) 접근 채널 (기존의 하수 터널에서 나온 것), 2) 수평 흐름을 넓히고 수직 드롭 샤프트로 수평 흐름을 전달하는 직사각형 전이 테이퍼 채널, 3) 드롭 샤프트 자체 4) 탈 기실 (유량을 수평 방향으로 방향을 바꾸고 공기 유입을 감소시키는), 5) 수직 공기 배출구를 통해 낙하에서 유입 된 공기를 제거하고 적하 유체의 공기 코어가 열려 있고 6) 탈기 챔버와 저장 터널 챔버를 연결하는 파이프 (adit) (그림 2).
Fig. 2. CAD diagram of proposed Indianapolis DRTC combined sewage overflow (CSO) vertical drop structure, showing approach channel, taper channel and vortex dropshaft. Using FLOW-3D CFD analysis software, AECOM simulated the flow behavior, gaining confidence in the system performance prior to physical model testing. (Image courtesy AECOM)
Design and CFD Analysis
설계 및 CFD분석
일반적인 소용돌이 설계는 널리 받아들여지고 있지만, 각 낙하 구조는 최적의 접선 흐름 특성을 보장하기 위해 인디애나 폴리스의 위상에 맞는 적절한 크기를 가져야 했습니다. 특히, 가능한 설계에 대한 AECOM의 계획은 세가지 목표를 가지고 있었습니다. 결합된 접근법과 테이퍼 채널을 짧은 길이로 제한하는 현장, 고유의 제약이 있었는지를 결정합니다. 허용 가능하지만 접근 방식에서 과도한 난류 조건이 발생하지 않았습니다. 테이퍼 채널에 안정적인 흐름 조건이 존재하는지 확인하고 다양한 흐름 조건에서 흐름 안정성을 평가했고, 논리적 기준점은 밀워키 인라인 스토리지 프로젝트라고 불리는 잘 알려지고 문서화된 시스템이었습니다.
Edison은 DRTC 프로젝트 규모에 맞춰 H-4로 지정된 Milwaukee 드롭 구조 설계를 기반으로 초기 설계를 기반으로했습니다.
166 피트의 기본 낙하 길이를 포함하고 체적 유량, 벽, 대칭 및 기타 초기 매개 변수를 지정하는 FLOW-3D 분석을 설정합니다.
그는 우리가 CFD를 통해 발견한 것은 밀워키에서 이 디자인을 사용하면 우리의 어플리케이션에 잘 맞지 않는다는 것이라고 말합니다. FLOW-3D는 이것을 보여 주고 있었기 때문에 CFD를 사용하여 변형을 시도하고 우리의 수정된 디자인을 고안했습니다.
더 넓은 접근 경로, 더 넓은 테이퍼 및/또는 더 깊은 테이퍼 깊이를 사용한 수정은 에디슨은 FLOW-3D에서 각 변동 사항을 설정하는 것이 매우 빠르다고 말합니다. (그림 3,4,5). 개선의 진전은 고무적이었습니다. 시뮬레이션 결과의 높은 수준은 심지어 절삭(침식)을 개선하기 위해 드롭 축의 바닥에 의문스러운 플레이트가 수직 흐름이 수평으로 전환되는 난류 분리 및 감소가되도록 기능을 추가하도록 설득했습니다.
Figs. 3, 4 and 5. Tangential drop structure flow simulated with FLOW-3D. Structure dimensions were optimized through multiple design iterations. (Image courtesy AECOM)
9번째 설계 변동에 대한 FLOW-3D 출력 동작인 V9는 접근 섹션을 확장했으며, 모든 흐름 볼륨 레벨에서 300mg/d까지 양호한 흐름 안정성을 보였으며 유압식 점프는 없었습니다. 그리고 양호한 Froude numners(유체 움직임에 미치는 중력의 영향을 나타내기 위해 사용되는 치수 없는 수량), 2010년 2월부터 AECOM이 물리적 시험과 검증을 위해 선택하였습니다(그림 6). 그 계획은 아이오와 연구소의 시험 결과에 기초하여 CFD와 최적화를 추가하는 것이였습니다.
Fig. 6. Scale model (1:10) of vertical drop structure, tested at University of Iowa IIHR Hydroscience & Engineering facility. (Image courtesy AECOM)
에디슨은 V9에서 결정된 치수 매개 변수에 대해 그 디자인을 아이오와 주에 가져가서 CFD를 이용해 만들었는데 완벽하게 작동했습니다. (II.)직원들은 실제로 무언가를 설치한 것은 이번이 처음이며, 변경하라고 말할 만한 것이 아무것도 없다고 말했습니다. 측정된 데이터는 드롭 샤프트 연결 구조 내의 수면 높이, Adit내 공기 침투의 정량, 벤트 샤프트 위로 공기 흐름을 포함했습니다. 흐름이 증가함에 따라 와류량이 증가함에 따라 축 벽에 부착되어 탈산소까지 원활하게 회전하는 모습이 포착되었습니다(그림 7).
에디슨은 후속 실험을 위해 여러번 시험장을 돌아다녔습니다. 물리적 모델이 처음부터 올바르게 작동했기 때문에 시험 프로그램을 확장할 시간이 있었습니다. “재미 있는 것은 환기구를 움직이는 것과 같이 우리가 궁금했던 것들을 탐구해서 지적으로 그것을 가지고 놀 시간이 있었다는 것입니다.” 에디슨은 예정보다 앞서 있었기 때문에 잔여 프로젝트 시간을 이용해 탈염소와 adit 내의 유압 장치를 조사할 수 있었습니다.
Fig. 7. Operation of scale-model vertical drop structure, showing test run of 300 million gallons per day (mgd). Flow vortex development shows good rotation and attachment to the shaft wall all the way down to the de-aeration chamber. No design modifications were necessary to the simulated design. (Image courtesy AECOM)
Final Results
AECOM은 2010년 7월 DRTC에 대한 전반적인 작업을 마쳤습니다. 2013년 3월부터 18구경 터널을 굴착하기 시작했고, CSO드롭 구조 3개(CFD로 설계된 나머지 2개의 구조물만 있음)는 모두 현재 공사 중입니다.
에디슨의 의견으로는, 토목 공학은 전체적으로 CFD를 채택하는 데 느린 편이었습니다. 이를 입증하기 위해 그는 인천 국제 공항을 처음 방문한 당시 접선 소용돌이 모형의 소위 “묘지”에서 본것을 기술했습니다. 그러나 그는 이들을 다시 처리해야 했다고 말했습니다. 그는 유압 설계를 위한 시뮬레이션 사용으로 판매되는 것을 권장하고 있습니다.
에디슨은 DRTC노력을 요약하면서 “정말 재미 있었습니다. 물리적 모델링이 필요한 위치에 대해 더 자세히 알아보았고, 그렇다면 어떤 경우에는 순수한 RAID기반 설계를 수행할 수 있습니다. 많은 DRTC작업들이 그것의 증거입니다. 물리적 모델은 실제로 필요하지 않았지만 검증을 통해 위험을 줄일 수 있었습니다. 프로젝트에서 이 두가지를 모두 수행할 수 있었다는 것은 믿을 수 없는 일입니다.”라고 말했습니다.
This article first appeared in WaterWorld Magazine.
Optimization of Magnetic Blood Cleansing Microdevices
자기 혈액 정화 마이크로 장치의 최적화
이 기사는 스페인 칸타 브리아 대학 (University of Cantabria) 화학과 및 버팔로 (뉴욕), 미국 뉴욕 주립 대학 생화학공학과의 enifer Gómez-Pastora, Eugenio Bringas, Inmaculada Ortiza 및 Edward P. Furlanib에 의해 기고되었습니다.
Separation of toxins with magnetic particles. Why is it so important?
자성 입자와 독소의 분리. 왜 그렇게 중요한가?
자성 입자의 사용은 최근 독성 물질의 혈류에서 다른 독소가 체외로 포획되는 해독 (disoxification) 과정으로 확대되었습니다. 생체 유체의 해독은 많은 수의 임상 상태에서 가장 생각할 수있는 치료법이며, 일부는 패혈증과 같은 높은 사망률과 관련이 있습니다. 이것은 혈류를 통해 퍼지면서 신체의 방어력을 압도하는 미생물 감염에 의한 치명적인 질병입니다. 이는 미국 내에서만 연간 1800 만 명의 사람들에게 고통을주고 매년 20 만 명이 넘는 사망을 초래하는 병원 중환자 실에서의 주요 사망 원인을 나타냅니다. 정확한 치료를 시행하기 전에 사망률이 매 시간마다 9 % 나 증가한다는 것을 볼수 있습니다. 따라서 최첨단 병원 중환자 실에서도 독소를 신속하게 제거하는 것이 가장 중요합니다.
우리는 현재 치료법의 한계가 독소 격리 제로서 자성 비드를 사용하는 것과 같은 새로운 전략의 개발을 필요로한다는 것을 발견했습니다. 입자의 자기 적 특성으로 인해 병원체의 포획이 완료되면 영구 자석에 의해 생성 된 외부 자기장을 사용하여 환자의 혈액과의 분리가 연속적으로 수행 될 수 있습니다. 지난 10 년 동안 개발 된 다중 자기 마이크로 세퍼레이터로부터 우리는 2 상 연속 흐름 시스템의 사용을 제안했습니다. 이러한 시스템은 흐름 제한 및 생체 유체의 임의의 분해 (즉, 포획 영역 내의 세포의 비특이적 포획)가 회피되어 시간 경과에 따른 시스템의 효능 및 용량을 유지하기 때문에 최선의 대안일 것입니다 [1]. 그러나 이러한 프로세스의 최적화는 덜 연구되었고 합리적 설계는 종종 수학적 설명과 관련된 복잡성으로 인해 부족합니다. 따라서 우리는 체외 해독 과정의 설계를 최적화하기 위해 FLOW-3D로 다중 위상 시스템 내부의 흐르는 혈류로부터 자기 구슬의 분리를 모델링했습니다. 그림1에 나타난 제안된 분리기 디자인에서, 비드는 상부 입구를 통해 연속적으로 주입되고, 자기 구배의 적용에 의해 편향되고 유동 버퍼 스트림으로 수집됩니다. 유체 위상의 혼합을 피하면서 효율적인 분리를 달성하기 위해, 자력 및 유체력을 신중하게 연구하고 최적화했습니다. 구슬이 편향 될 때 입자 – 유체 상호 작용에 대한 상세한 연구도 제공됩니다.
그림 1. 제안 된 microfluidic bioseparator의 도식 다이어그램 ([2]에서 채택).
Modeling approach with FLOW-3D
첫번째로 보여지는 생체 분리기 내부의 자기 영동 입자 수송을 예측하기위한 모델은 CFD 기반의 오일러 – 라그랑지안 (Eulerian-Lagrangian) 접근법으로 구성됩니다. Navier-Stokes 방정식을 풀어서 예측 한 유체 이동은 오일러 접근법을 사용하여 계산되지만, 우리는 비드 역학을 모델링하기 위해 라그랑지안 프레임 워크를 사용했습니다. 라그랑지안 (Lagrangian) 접근법에 따르면 입자는 개별 단위로 모델링되었으며 각각의 궤도는 고전적인 뉴턴 역학을 적용하여 추정되었습니다. 분리 동안 입자에 작용하는 힘은 다르지만 영구 자석에 의해 생성 된 자기 구배 하에서 비드 궤적을 예측하기위한 지배적 인 자력 및 유동력만 고려했습니다. 유체의 동일한 유입 속도를 유지하면서 채널의 하부 벽과 자석의 상단 사이의 거리를 변화시킴으로써 다른 입자 궤적 및 따라서 분리 효능을 얻었습니다 (버퍼에 대해 0.035mS-1, m • s-1). 우리가 개발 한 모델링 노력에 대한 자세한 내용은 출판 된 연구 [1, 2]에서 찾을 수 있습니다.
그림 2. 자석과 마이크로 채널 사이의 거리 “d”를 변화시킴으로써 제공되는 서로 다른 자기장 하에서의 입자 궤적 (빨간색 선) ([2]에서 채택). 윤곽 플롯은 채널에서 예상되는 평균 유체 속도 크기를 나타냅니다.
Particle magnetophoresis results
입자 자기 영동 결과
자석의 위치를 변화시킴으로써, 우리는 가변 자장 구배가 발생하고, 따라서 상이한 분리 효율이 얻어짐을 입증했습니다. 그림 2는 자석과 채널 사이의 거리 d가 다른 입자의 궤도를 보여줍니다. 0 ~ 1mm 사이의 거리에서 모든 입자는 입구에서 원래 위치와 별개로 분리됩니다. 더 큰 거리의 경우, 낮은 자기력으로 인해 분리가 불완전합니다. 완전한 입자 분리를 위해서는 중 ~ 고 자력이 필요합니다. 그러나, 우리는 높은 자력이 유체 패턴의 섭동과 유체 계면의 파손으로 이끄는 입자의 극도의 가속으로 인해 해독 목적에 바람직하지 않음을 입증했습니다 (그림 3 참조). 따라서 중간 자력이 나타나게됩니다. 완전한 비드 분리가 혈액의 완전성을 유지하면서 달성 될 수 있기 때문에 이러한 종류의 시스템에 가장 적합할 수 있습니다.
그림 3. 입자가 a) d = 0 mm 및 b) d = 1.15 mm에 대해 상간 경계면을 횡단 할 때의 속도 벡터. c) d = 0 mm 및 b) d = 1.15 mm ([2]에서 채택)에 대한 그 당시의 혈액 체적 분율.
Conclusions
본 연구에서는 다중 위상 연속 흐름 마이크로 디바이스에서 혈액으로부터 자기 비드 분리 과정을 예측하고 최적화 하기위한 새로운 FLOW-3D 모델을 소개했습니다. 이 모델은 입자에 작용하는 우세한 힘을 고려하고 개별 입자의 궤도, 분리에 필요한 시간 및 혈액 / 버퍼 동시 흐름의 섭동을 포함하여 분리 과정의 중요한 세부 사항을 연구하는데 사용될 수 있습니다 . 이 연구의 핵심 요소는 유체 장에서 입자 – 유체 상호 작용의 영향을 고려하면서 장치에서 동시에 흐르는 두 유체 간의 상호 작용을 연구 한 것입니다. 솔루션이 채널의 길이를 따라 독립적으로 흐르고 각각의 출구에서 분리되어 가능한 혈액 손실이나 용해를 피하기 때문에 이러한 문제는 매우 중요합니다. 여기에 이어지는 방법론은 핵심 작동 변수 및 매개 변수를 고려하여 입자 분리를 예측하는 데 사용할 수 있으므로 합리적인 설계 지침을 제공합니다. 일반적으로 혈액 해독 과정뿐만 아니라 미세 유체 장치 내부에 여러 개의 구속 된 액체 상을 포함하는 다른 연구를위한 파라 메트릭 분석 및 최적화에도 적용됩니다. 우리의 미래 연구는 새로운 혈액 해독 과정을 설계하기 위해 전혈을 사용하는 과정의 실험적 분석과 자성 분리 단계의 독소 제거와 통합에 초점을 맞출 것입니다.
References
[1] Gómez-Pastora et al., Separation and Purification Technology, 2017, 172, 16–31.
[2] Gómez-Pastora et al., Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121, 7466−7477.
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레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF) 첨가제 제조에는 복잡한 물리적 공정이 필요합니다. 특히, 흡수 된 레이저 빔 에너지는 입자를 녹여 강한 유체 흐름이 표면 장력 기울기 (또는 Marangoni 전단 응력)에 의해 주로 발생하는 용융 풀을 형성합니다. 열 전달 및 유체 유동은 분말 베드 내의 분말 입자의 국부적 배열에 의해 영향을 받으며, 이는 위치에 따라 다를 수 있습니다. 매우 일시적인 유체 흐름으로 인해 용융 된 풀 표면 (자유 표면)의 형상이 끊임없이 진화하여 최종 표면 품질에 영향을 미칩니다.
Numerical modeling approach
본 연구에서는 분말 포장 특성, 공정 변수 및 용융 풀 역학이 표면 품질에 미치는 영향을 정량적으로 이해하기 위해 두 가지 모델을 순서대로 사용합니다. 첫 번째 모델은 오픈 소스 이산 요소 방법 (DEM) 코드 인 Yade를 기반으로 개발 된 분말 입자 포장 모델입니다. 입자 적층 정보 (예를 들어, 개별 입자의 위치 및 반경)를 제공한다. 이러한 정보는 FLOW-3D를 기반으로 한 3D 과도 용융 풀 모델 인 두 번째 모델에 입력됩니다. 두 모델의 세부 사항은 문헌 [1]에 나와있다. FLOW-3D를 기반으로 한 용융 풀 모델의 특징을 요약하면 다음과 같습니다.
과도 유체 흐름 시뮬레이션은 그림 1에서와 같이 1000 μm (길이), 270 μm (너비) 및 190 μm (높이) 치수의 3D 계산 영역에서 수행됩니다. 도메인은 50 μm 두께의 층 의 분말 입자를 90㎛ 두께의 기판 위에 놓았다. 도메인의 미리 알림은 처음에는 무효로 채워집니다. 분말 층 형상은 DEM 시뮬레이션의 결과를 사용하여 초기화됩니다. 총 셀 수를 줄이면서 공간 분해능을 극대화하기 위해 메쉬 크기가 기판 / 파우더 레이어 인터페이스를 향하여 기판에서 9 μm에서 3 μm까지 연속적으로 감소하는 편향 메쉬가 사용됩니다. 메쉬 크기는 파우더 레이어와 그 위의 빈 공간에서 3 μm로 일정하게 유지됩니다. 총 셀 수는 143 만입니다.
경계 조건의 경우, 가우시안 분포에 기초한 소정의 열유속이 분말 층의 상부 표면에 부과되어 X 방향을 따라 이동하는 레이저로부터의 열 입력을 나타낸다. 온도에 따른 표면 장력은 FLOW-3D에서 사용 가능한 개선 된 표면 장력 모델을 사용하여 포함됩니다. 다른 열 – 물리적 특성의 경우, FLOW-3D 데이터베이스에서 사용 가능한 IN718 합금에 대한 데이터가 사용됩니다.
Result and discussion
그림 2는 시간 = 55 μs에서 용융 풀 내의 온도 등면 및 속도 벡터의 종단면도 (즉, 레이저 이동 방향에 평행 한 단면)를 도시한다. 용융 된 풀 경계는 1608.15 K에서 등온선으로 표시되며, IN718의 액상 선 온도입니다. 이 그림의 오른쪽에 표시된 것처럼 입자는 부분적으로 용융 풀로 용융됩니다. 용융 된 풀 표면 근처에서, 용융 금속은 레이저 빔 바로 밑의 중심 위치에서 풀의 후단으로 당겨진다. 풀 표면 근처의 용융 금속의 이와 같은 역류는 풀의 후단을 향해 고비를 형성하는 동안 레이저 빔 아래에서 움푹 들어간 표면 프로파일을 생성한다. 다음에서 논의되는 바와 같이, 혹 모양은 볼 결함의 형성을 초래할 수 있습니다.
볼링(balling)은 그림 3에서와 같이 용융 풀이 불연속으로 분리되어 분리 된 섬으로 갈라질 때 발생할 수있는 결함입니다.이 그림에서 알 수 있듯이 레이저 빔 바로 아래의 용융 풀은 안정적이지 않으며 후단이 빠르게 분리됩니다 정면에서 분리 된 섬을 형성합니다. 분리는 그림 3 (c)와 같이 용융 풀의 중간에있는 보이드에서 시작된다. 이 공극은 레이저가 앞으로 계속 이동하면서 팽창하여 결국 용융 된 풀을 두 부분으로 나눕니다. 도 3 (e) 및 (f). 공극의 형성과 그 팽창은 표면 장력 구배 (Marangoni 효과)에 의해 강한 후진 유동에 의해 유발됩니다.
Summary
L-PBF에서의 열 전달 및 유체 흐름의 3D 과도 시뮬레이션은 볼 결함의 형성을 정량적으로 이해하기 위해 수행됩니다. 단순한 선형 트랙 만 시뮬레이션되었지만, 본 모델은 최종 빌드 품질의 중요한 속성 인 용융 풀 표면 프로파일 및 볼링 결함 형성을 연구 할 때 분말 레벨 시뮬레이션의 중요성을 보여줍니다.
뿐만 아니라 위의 금속 분말 소결 시뮬레이션은 금속 3D 프린팅(Metal 3D Printing) 산업의 핵심 기술이며 차후 많은 연구와 응용이 기대되는 분야가 될 것입니다.
Acknowledgements
이 자료는 수상 번호 N00014-14-1-0688하에 미해군 연구소(ONR)가 지원하는 연구과제에 기초로 작성되었습니다.
FLOW-3D는 유체의 유동 및 열전달 수치 해석 소프트웨어이며, 자유표면(자유수면)을 가진 유체의 흐름을 정확하게 예측한다. FLOW-3D는 수 많은 물리적 유동 현상에 대한 시뮬레이션 모델을 제공하여, 설계 및 운영 단계에서 엔지니어가 쉽고 정확하게 판단할 수 있도록 해주기 때문에 수리, 주조, 기계, 항공, 용접, 적층 공정, 금속 3D 프린팅 등 여러 분야에서 사용되는 소프트웨어이다. 이번 호에서는 FLOW-3D의 다양한 활용 분야 중에서 레이저 용접 분야(Weld 모듈이 연계된 FLOW-3D Weld를 사용)에 대해 자세히 알아보고자 한다.
레이저 용접은 레이저 광선의 출력을 응용한 용접 방법을 말한다. 레이저 용접의 장점은 용접 강도가 좋고, 열 영향 부위가 작으며, 정밀도가 높고 변형이 적으며 강철, 알루미늄, 티타늄 및 이종 금속을 포함한 광범위한 금속 및 합금을 용접할 수 있다는 것이다.
FLOW-3D Weld는 이러한 레이저 용접 공정에 대해 정확한 결과를 얻게 해 주며, 엔지니어가 레이저 프로세스를 최적화하는데 도움을 준다. FLOW-3D Weld는 레이저 소스에 의해 생성된 Heat flux, 용융 금속에 대한 증발 압력, shield gas 효과, 다중 레이저 반사 등과 같은 물리적 모델을 적용하여 Conduction 용접, Keyhole 용접, Porosity, 용융풀 거동 등을 분석할 수 있다.
이번 호에서는 레이저 용접 프로세스 및 결과물을 최적화하기 위해 필요한 물리적 설정과 대표적인 레이저 용접 해석 예제를 설명하고자 한다.
레이저 광원
1. 레이저 광원
레이저 용접을 하는데 있어 레이저 광원의 설정이 필요하다. FLOW-3D Weld에서 사용되는 레이저 광원은 원통형과 원추형으로 설정할 수 있으며, <그림 1>과 같이 Heat flux를 일정한 상태 또는 가우시안 분포(Gaussian distribution) 형태로 나타낼 수 있다.
레이저 광원의 형태를 원추형으로, 가우시안 분포를 가지도록 Heat flux를 설정하면 <그림 2>와 같이 광원이 원추형으로 나타나며, 반경 거리에 따른 Heat flux의 에너지 밀도 차이도 확인할 수 있다.
그리고, <그림 3>과 같이 레이저 광원의 위치 좌표와 속도 벡터를 설정하면, 레이저의 위치에 대한 광원의 움직임 설정이 가능하다.
This material was provided by Yovanni A. Cataño-Lopera, Research Associate at University of Illinois at Urbana-Champaign.
142.4 평방 마일의 지역에 거주하는 130만명의 주민들이 사용하는 간척지는 예전부터 모래가 균일하지 않게 분포되어 있었습니다. 특히, 더 많은 모래가 2개의 탱크, 11번과 12번에 만들어졌습니다. 1997년 원래 12개의 탱크에 6개의 공기 순환 탱크로 교체된 후에도 모래의 고르지 않은 분배 문제가 지속되었습니다. 6차 그리트 탱크(이전의 11번 및 12번 탱크)의 모래 과부하 문제를 해결하기 위해 탱크 입구를 조절해야 하며, 이로 인해 그리드 챔버의 용량이 손실됩니다. 모래 탱크를 공기 순환 탱크로 교체한 후에도 문제가 지속됨에 따라, 물 분배 시스템의 수문 특성을 연구할 필요성이 분명해 졌습니다.
Velocity and shear velocity distribution along feeding tunnel and distributor
FLOW-3D를 사용하여 폭기조로 유입되는 흐름을 전산 유체역학 시뮬레이션하였습니다. 더 높은 펌핑 속도(Q ≥ 225 mgd)의 경우 분배 시스템의 흐름이 분배 시스템의 남쪽에서 상대적으로 낮은 속도로 비대칭이 되는 것으로 관찰되었습니다. (여기서 6번째 그릿 탱크가 위치합니다). 그리트 챔버로 유입되는 물의 속도가 낮을수록 모래가 더 많이 쌓이기 때문에 결과는 문제의 원인에 대한 초기 정보를 제공합니다. 챔버 유입구 터널에서 부유된 침전물의 연속적인 투입은 FLOW-3D를 이용하여 다양한 펌핑 속도에 대한 영향을 조사하였으며, 결과는 유출량이 증가함에 따라 챔버 6으로 전환된 침전물의 비대칭성은 더 두드러진다는 것을 보여줍니다.
Bedload and suspended sediment distribution in the grit chambers
For visualization as well as post-processing of the simulation data, Tecplot 360 by Tecplot was used.
This article was contributed by Prof. Edward Furlani and his students from the University at Buffalo, SUNY.
Microfluidics와 nanofluidics는 나노와 나노사이의 기능을 가진 재료와 시스템을 통한 유체 흐름의 과학과 기술을 포함하는 분야입니다. 최근 몇 년 사이에 이 분야의 연구는 재료 개발과 시스템의 급속한 발전된 유체공정의 독특한 이점으로 증가해 왔습니다. Microfluidic 및 nanofluidic 시스템은 화학 반응, 유체 가열, 혼합 및 감지와 같은 순차적 또는 다중화된 공정을 포함할 수 있는 응용 분야에서 마이크로 사이즈의 유체 유동은 매우 효율적이고 반복 가능하며 신속한 처리를 가능하게 합니다. 풀 라니 (Furlani) 교수 그룹의 연구는 새로운 공정 및 장치 개발에 대한 모델링 및 시뮬레이션을 보여줍니다. 이 연구의 대부분은 뉴턴 및 비 뉴턴 유체, 열 전달, 상변화 분석, 자유표면 및 다상분석, 유체와 관련된 유체 현상을 연구하기 위해 최첨단 전산 유체역학을 강조합니다. 매체 상호작용, 다공성 매체를 통한 유동, 완전히 결합된 유체구조 및 입자, 유체 상호작용에 대해 콜로이드. 국제 나노 기술 학술 대회에서 3 편의 논문이 발표될 예정입니다. 2014년 6월 15일부터 18 일까지 워싱턴 DC의 Gaylord National Hotel 및 Convention Center에서 개최됩니다. 이들은 버팔로 대학교 (University at Buffalo)에서 진행되는 획기적인 결과를 선보입니다. 여기에서는 이러한 작품의 미리 보기와 FLOW-3D로 생성된 시뮬레이션 결과 중 일부를 제시합니다.
Analysis of Stem Cell Culture Performance in a Microcarrier Bioreactor System
Koushik Ponnuru1, Jincheng Wu1, Preeti Ashok1, Emmanuel S. Tzanakakis1,3,4,5,6 and Edward P. Furlani1,2
1Dept. of Chemical and Biological Engineering, 2 Dept. of Electrical Engineering, 3Dept. of Biomedical Engineering, 4New York State Center of Excellence in Bioinformatics and Life Sciences, 5Western New York Stem Cell Culture and Analysis Center, 6Genetics, Genomics and Bioinformatics, University at Buffalo, SUNY
(left) Shear stress distribution along with velocity vectors in a cross sectional plane of the bioreactor running at 60 rpm; (right) Kolmogorov length scale distribution at the same plane under the same conditions.
CFD 기반 시뮬레이션과 실험결과의 조합으로 교반 탱크의 마이크로 캐리어 생물 반응기 시스템에서 세포 배양에 대한 난류 전단응력의 영향에 대한 분석을 제시합니다. Corning’s bench-scale spinner flask의 3D 계산 모델은 최첨단 CFD 소프트웨어 인 FLOW-3D를 사용하여 제작되었습니다. 임펠러 속도, 배양액 및 입자 크기와 같은 매개변수가 마이크로 캐리어 입자에 작용되는 전단응력에 미치는 영향을 CFD 분석을 사용하여 연구하였습니다. 이것은 세포가 겪는 정확한 전단 조건을 예측하고 세포의 손상을 방지하는 최적의 작동조건을 확인하는데 사용됩니다. 또한, 다원능 마커 Oct4, Sox2 및 Nanog를 운반하는 세포의 비율을 세포 계측법 및 정량적 PCR을 사용하여 측정함으로써 hPSCs의 다능성 전단효과를 연구합니다.
Numerical Analysis of Fully-Coupled Particle-Fluid Transport and Free-Flow Magnetophoretic Sorting in Microfluidic Systems
Chenxu Liu1, Xiaozheng Xue1 and Edward P. Furlani 1,2
1Dept. of Chemical and Biological Engineering, 2Dept. of Electrical Engineering, University at Buffalo, SUNY
Magnetic nanoparticle chaining and rotating following an external field and causing the mixing of two different molecular concentrations.
Magnetic 입자는 생체 의학 및 임상 진단 응용을 위해 생체 재료를 선택적으로 분리 및 분류하는 마이크로 유체시스템에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 그러한 시스템의 합리적인 설계에 사용될 수 있는 전산모델이 도입되었습니다. 이 모델은 자기 및 유체 역학적 힘, 완전 결합 입자 – 유체 상호 작용 및 입자의 자기 조립을 유도하는 자기 쌍극자와 쌍극자의 상호 작용을 비롯한 입자 수송에 대한 지배적 메커니즘을 고려합니다. 응용 프로그램을 통해 연속흐름 분리시스템 및 회전 조립 체인을 기반으로 하는 미세 유체 혼합프로세스로 시연됩니다.
Numerical Analysis of Laser Induced Photothermal Effects using Colloidal Plasmonic Nanostructures
Ioannis H. Karampelas1, Young Hwa Kim2 and Edward P. Furlani 1,2
1Dept. of Chemical and Biological Engineering, 2 Dept. of Electrical Engineering, University at Buffalo, SUNY
Photothermal heat cycle of a nanocage (a=50nm, t=5nm) (perspective 1/8 view): plot of nanocage temperature vs. time, pulse duration indicated by the red arrow and dashed line and inset plots showing various phases of the thermo -fluidic cycle: (a) nanobubble formation, (b) nanobubble (maximum size), (c) nanobubble collapse, (d) cooling.
Colloidal 귀금속 (plasmonic) 나노 구조는 나노 입자 합성에서부터 바이오 이미징 (bioimaging), 의학 요법 (medical therapy)에 이르기까지 다양한 광열 (photothermal) 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 많은 응용분야에서, 펄스 레이저는 plasmonic 공진 주파수에서 나노 구조를 사용하며, 이는 광자의 흡수 및 고도로 국부화된 파장필드의 향상을 가져옵니다. 원격 소스로부터 효율적인 나노 스케일 가열하는 것 외에도, 합성동안 나노 입자의 구조를 조정함으로써 근적외선 스펙트럼을 통한 공진 가열파장을 조정할 수 있습니다. 우리 그룹은 nanosecond-pulsed, laser-heated colloidal metallic nanoparticles 및 열 유체 거동을 예측하는 전산모델을 개발했습니다. 이 모델은 플라즈몬 공명, 입자에서 주변 유체로의 열 전달 및 균일한 기포 핵 형성을 유도하는 유체의 위상변화에서 나노 입자 내의 에너지 전환을 시뮬레이션 하는데 사용되었습니다. nanorods, nanotori, nanorings 및 nanocages 등 다양한 nanoparticle 형상이 연구되었습니다. 이 분석은 레이저 강도, 입사 파장, 편광, 펄스 지속 시간 및 나노 입자의 방향 및 모양과 같은 공정 매개 변수가 광열 공정을 최적화하도록 조정될 수 있음을 보여줍니다. Plasmonic nanoparticles는 악성 조직의 약물 치료, 약물 전달 및 생체치료에 사용됩니다.
This article was contributed by Jason Duguay of Université de Sherbrooke (Sherbrooke, Québec)
Introduction
자리 잡은 배설물로 인한 어류 이동의 장벽은 북미 전역에 걸친 광범위한 도로망의 불행한 현실입니다. 지하배수로들은 부적절하게 설치된 지하배수로과 침전의 조합에서 비롯됩니다. 지하배수로 배출구에서 부식 과정은 과도하게 큰 입자구멍을 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 지하배수로 리포트와 하류표면 사이에서 수직낙하가 발생할 수 있습니다. 몇 센티미터에서 몇 미터 사이에 수직적장벽은 계곡의 서식지에서 물고기 종의 분포에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있고 작은 수로 서식지 조각화의 주요 원인 중 하나입니다.
본 연구에서 FLOW-3D는 수직통로를 제공함으로써 잃어버린 강가의 물고기 서식지를 되찾는 데 사용되었으며 또한, fish ladders 에서 사용되는 혁신적인 fish baffle의 설계에 중요한 역할을 했습니다. 이 연구는 캐나다 케백에 있는 Sherbrooke’s Civil Engineering Department에서 수행되었습니다. Flow-3D는 전체 Fish baffle과 fish ladder에 흐르는 수많은 변수를 조사하는 데 사용되었습니다.
Baffle Design and Fish Passage Criteria
baffle 설계는 그림 1에 제시된 기하학적 형태와 관련하여 arch baffle로 적절히 명명되었습니다. baffle 은 상, 하부 통로로 구성되어 있으며, 높은 곳과 낮은 곳에서 물고기가 지나갈 수 있습니다. baffle 설계 특징은 잔해로 인해 한 통로가 막히면 다른 통로가 물고기의 이동통로로 대체되는 것입니다. 각 baffle 의 큰 통로는 속도를 줄이기 위해 이전 baffle (그림 2참조)에 비해 엇갈리게 배치하였으며, Fish Ladder 전체에 걸쳐 저난류 재순환 구역을 개발하였습니다.
baffle 의 돌출된 아치는 물을 유지하고 웅덩이의 깊이를 증가시키기 위한 것입니다. Pool의 깊이가 커지면 pool의 체적 분산 파워(VDP)가 감소합니다. 농도, 중력 상수, 내부 유체의 체적이 계산됩니다. Pool과 인접한 업스트림 pool 사이를 비교합니다.
VDP는 일반적으로 평가되는 fish ladders 설계 기준입니다. Larnier등은 북미에 공통인 송어와 연어 종을 목표로 하는 어플리케이션에 대해 150 W/m3와 200 W/m3사이의 값을 권고합니다. Pool의 복잡한 기하학적 구조와 Fish ladder를 통과하는 유속에 대한 V의 의존성은 V가 Q의 함수로 어떻게 변하는 지에 대한 더 깊은 통찰없이 계산하기가 어렵습니다. FLOW-3D의 샘플링 볼륨 기능은 Eq.1에서 사용하기 위해 Pool안에 포함된 볼륨을 측정하는데 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 표본 추출량은 하류쪽 부분에 3개의 Pool에 배치하였고, 석회 녹색 직사각형 상자로 그림 2에서 볼 수 있습니다.
또한 fish ladder 설계는 arch baffle의 통로 및 Pool내부에서 속도 및 난류분포에 대해 검증했습니다. 상승된 속도는 물고기의 이동을 방해하고, 난류가 높은 지역은 방향을 잃을 수 있으며 급격히 변화하는 힘에 의해 이동 및 ladder를 오르는 능력에 영향을 줄 수 있습니다.
일정한 지면 거리를 통과하는 데 필요한 것은 지면에 비례하는 물고기의 속도와 주변 물고기의 평균 속도에 비례합니다. 따라서, 물고기가 요구하는 에너지 출력을 줄이고 통과의 가능성을 향상시키기 위해 설계에서 속도를 최소화하고자 합니다. 종종 설계는 특정 대상 종의 임계 수영속도를 초과하는 속도의 존재에 대해 평가됩니다. 물고기의 최대속도는 일반적으로 몇 초 동안만 유지될 수 있고 등반이 재개되기 전에 회복이 필요합니다. 북미에서 사회적, 경제적으로 중요한 다수 어류의 임계 속도는 그림 3에 나와 있습니다.
Simulation Parameters
Arch baffle 이 장착된 fish ladder 디자인은 두 개의 경사(8.5%및 10%)와 두 개의 유속(Q=0.062 m3/s및 0.150 m3/s)에서 시뮬레이션되었습니다. k–turbulence모델은 난류운동 에너지(TKE)의 공간적 분포를 얻기 위해 적용되었습니다. baffle은 반원형의 강판 암거에서 시뮬레이션 되었습니다. 5개의 baffle 을 Fish Ladder Pool사이가 0.2m가 되도록 적절하게 간격을 두어야 합니다.
Hardware Information
시뮬레이션은 RAM 64GB가 장착된 XeonE5-1650 3.2GHz 6코어 워크 스테이션에서 실행되었습니다. 도메인의 총 셀 카운트는 약 250만개(0.025 m 셀 크기)였으며 20초의 흐름을 시뮬레이션하는 데 약 5시간이 소요되었습니다.
Results and Discussion
정상 상태 조건을 얻은 후, 후처리 및 유동흐름 시각화하기위해 결과 값을 Flowsight로 가져왔습니다. 속도와 난류의 공간 분포는 색상이 지정된 유선형을 따라 평가되었습니다. 속도 등급 분포의 예 이미지는 TKE의 공간 분포와 함께 그림 4a와 4c(낮은 유량 0.062 m3/s, 높은 유량 0.150 m3/s)에 제시되어 있습니다. (그림 4b, 4d는 각각 낮은 유량 및 높은 유량).
그림 4a와 4c의 속도 크기를 그림 3에서 제시한 속도와 비교하여, Fish Ladder는 시험된 유속에서 제공되는 물고기 종의 대부분에 대해 속도장벽을 일으키지 않을 것입니다. 그림 4a와 4b를 자세히 보면 아치형 배플의 바로 하류에서 낮은 속도와 낮은 TKE 값 (약 0.045 J/kg 풀에서 관찰되는 최대 TKE에 비례함)을 특징으로 하는 재순환구역 (레이블 1)이 나타납니다. Arch baffle 바로 아래쪽 재순환 구역은 기본 또는 보조 경로 중 하나를 통해 업스트림을 시도하고 정지하는데 이상적이라고 여겨집니다. 또 다른 저속, 낮은 난류공간이 arch baffle의 바로 상류쪽에 위치한 것으로 확인되었습니다(label 2 in Figure 4a). 이 구역은 물고기가 고속 통로를 통해 수영하거나 점프할 때 방향을 바꿀 수 있는 저속구역을 제공할 가능성이 높습니다.
높은 유량에서 결과에 따르면 돌출된 아치는 Pool의 볼륨을 증가시키고 VDP를 허용가능한 수준으로 유지하는 기능을 가집니다. 설명을 위해 Q=0.062 m3/s시뮬레이션에서 VDP가 60W/m3으로 관측되었으며 이는 0.153 m3/s과 117 m3/s와 비교됩니다. VDF는 95% 증가했음에도 불구하고 유속이 140% 증가하였고 Pool 내의 난류흐름을 줄였습니다.
Conclusion
전반적으로, Flow-3D는 fish ladder 의 흐름 영역에서 많은 baffle 설계 반복의 영향을 신속하게 평가할 수 있는 유연한 도구임이 입증되었습니다. Flow-3D의 FALTRize기능을 사용하여 시뮬레이션을 광범위하게 다시 작성하거나 리모델링을 하지 않고도 baffle 형상을 수정하고 기존 모델내에서 신속하게 넣을 수 있었습니다. 이 연구의 결과는 arch baffle 과 수반되는 fish ladder 디자인으로 설계된 물고기 통로를 개선할 수 있는 많은 잠재적인 이점을 제공한다는 것을 보여줍니다. 가까운 미래에 arch baffle은 캐나다 온타리오의 수십년의 암거에서 설명한 것과 유사한 방식으로 다수의 어류 통로에서 테스트될 예정입니다.
*The idea for the double passageway arch baffle form is credited to Ken Hannaford, biologist with the Newfoundland Government, Canada.
References
Bell, M. C. (1990). Fisheries Handbook of Engineering Requirements and Biological Criteria. U.S. Army Corps of Engineers, 3rd edition.
Larinier, M., Porcher, J., Travade, F., and Gosset, C. (1994). Passes a` poissons -Expertises et conception des ouvrages de franchissement. Conseil Supe´rior de la peˆche.
FLOW-3D의 신규 모듈 개발을 하면서, 입자 모델의 새로운 입자 부류 중 하나인 유체 입자의 기능에 초점을 맞출 것입니다. 유체 입자는 증발 및 응고를 포함하여 유체 속성을 본질적으로 부여합니다. 유체 입자가 비교적 간단한 강우 모델링에서 복잡한 레이저 증착(용접) 모델링에 이르기까지 다양한 사례가 있을 수 있습니다.
Fluid Particles
FLOW-3D에서 유체 입자 옵션이 활성화 되면 사용자는 다양한 직경과 밀도의 다양한 유체 입자 종을 설정할 수 있습니다. 또한 유체 입자의 동력학은 확산 계수, 항력 계수, 난류 슈미트 수, 반발 계수 및 응고 된 반발 계수와 같은 특성에 의해 제어 될 수 있습니다. 유체 입자는 열적 및 전기적 특성을 부여 받을 수도 있습니다.
사용자는 유체 입자 생성을 위해 여러 소스를 설정할 수 있습니다. 각 소스는 이전에 정의 된 모든 유체 입자 종 또는 일부 유체 입자 종의 혼합을 가질 수 있습니다. 또한 사용자는 무작위 또는 균일 한 파티클 생성을 선택하고 파티클이 소스에서 추출되는 속도를 정의 할 수 있습니다.
Laser Metal Deposition
레이저 금속 증착은 함께 미세한 금속 분말을 융합하여 입체 금속 부품을 제작하는 3D printing 공정이다. 레이저 금속 증착는 항공 우주 및 의료 정형 외과 분야에서 다양한 응용 프로그램을 찾습니다. 레이저 금속 증착의 개략도는 아래와 같습니다. 전력 밀도 분포, 기판의 이동 속도, 차폐 가스 압력 및 용융 / 응고, 상 변화 및 열전달과 같은 물리적 제어와 같은 제어 매개 변수가 함께 작동하여 레이저 금속 증착을 효과적인 첨가제 제조 공정으로 만듭니다.
Setting Up Laser Metal Deposition
새로운 유체 입자 모델은 분말 강도 분포를 할당하고 용융 풀 주변에서 발생하는 복잡한 입자 – 기판 상호 작용을 포착하기 때문에 레이저 금속 증착 시뮬레이션을 설정하는 데 없어서는 안될 부분입니다.
일반의 사용자들은 FLOW-3D에서 시뮬레이션을 쉽게 설정할 수 있다는 점을 계속 알고 있을 것입니다. 레이저 금속 증착 설정의 경우에도 다른 점은 없습니다. IN-718의 물리적 특성, 형상 생성, 입자 분말 강도 분포, 메쉬 생성 및 시뮬레이션 실행과 같은 모든 설정 단계는 직접적이고 사용자 친화적입니다.
IN-718의 물성은 기판과 응고 된 유체 입자 모두에 사용됩니다. 40 미크론 유체 입자가 무작위 방식으로 초당 500,000의 속도로 입자 영역에서 계산 영역으로 주입됩니다. 입자 빔은 기판의 운동 방향이 변화 될 때마다 순간적으로 정지되어 용융 풀이 급격한 속도 변화에 적응하도록 합니다. 이렇게 하면 기판에서 입자가 반사되는 것을 방지 할 수 있습니다. 매 5 초마다 기판이 회전하기 때문에 입자 생성 속도는 아래 그림과 같이 5 초마다 0으로 떨어집니다. 기판 이동 자체는 표 형식의 속도 데이터를 사용하여 FLOW-3D에 지정됩니다. 입자는 응고 된 유체 입자로 주입되어 고온의 용융 풀에 부딪혀 녹아 용융 풀 유체의 일부가 됩니다.
Substrate velocity
입자 모델 외에도 FLOW-3D의 밀도 평가, 열 전달, 표면 장력, 응고 및 점도 모델이 사용됩니다. 보다 구체적으로, 온도에 따른 표면 장력은 증착 된 층의 형태에 큰 영향을주는 Marangoni 효과를 일으킵니다.
레이저를 복제하기 위해 100 % 다공성 구성 요소가있는 매우 기본적인 설정이 열원으로 사용됩니다. 100 % 다공성은 구성 요소 주변의 유동 역학에 영향을 미치지 않습니다. 오히려 그것은 특정 영역의 기판에 열을 효과적으로 부가한다. 이 예비 가열 메커니즘을 자회사인 Flow Science Japan이 개발 한 고급 레이저 모듈로 교체하는 작업이 현재 본격적으로 진행 중입니다. 가열 다공성 구성 요소는 각각의 층이 동일한 양의 열을 얻도록 각 층이 증착 된 후에 약간 위로 이동됩니다.
Results and discussion
아래 애니메이션은 다중 층 증착을 이용한 레이저 금속 증착 공정을 보여줍니다. 기판이 방향을 바꿀 때마다 입자 빔 동작의 일시적인 정지를 확인하십시오. 또한, 층이 증착됨에 따라, 새로운 층의 형상은 다공성 열원으로부터 각 층에 열의 불균등 한 첨가로 인해 변화됩니다. 각 층을 증착 한 후에 열원을 위로 이동해야 하는 양을 측정하는 것은 현재의 기능에서는 어렵습니다. 다만 준비중인 Flow Science Japan의 레이저 모듈은 이 문제를 해결할 수 있습니다.
전반적으로 입자 모델은 레이저 금속 증착에서 매우 중요한 공정 매개 변수 인 분말 강도 분포를 정확하게 재현합니다. 입자 모델과 같은 수준의 제어와 정교함은 첨가제 제조 분야의 사용자와 공급자 모두가 제조 프로세스를 미세 조정하는 데 도움이 될 것으로 기대합니다.
FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법) 기법인 입자의 거동을 분석해주는 제품입니다.
입자 – 입자 간, 입자 – 벽 사이의 접촉이나 상호 작용을 모델링 할 수 있으므로 보다 현실적인 입자 거동의 해석이 가능합니다. 또한 유체 부분은 전문적인 FLOW-3D 분석 기능을 사용하기 때문에 유체 와 입자거동의 연성해석을 정밀하게 또한 효율적으로 분석할 수 있습니다.
주요 기능 :
고체 요소의 충돌, 스프링(Spring) / 대시 포트(Dash Pot) 모델 적용
Void, 1 fluid, 2 fluid(자유 계면 포함) 각각의 모드에 대응
가변 밀도 / 가변 직경
입자 크기조절로 입자 특성을 유지하면서 입자 수를 감소
독립적인 DEM의 Sub Time Step 이용
Discrete Element Method : 개별 요소법
다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.
입자 간의 충돌
Voigt model은 스프링(Spring) 및 대시 포트(Dash pot)의 조합에 의해 입자 충돌 시의 힘을 평가합니다. 탄성력 부분은 스프링 모델에서, 비탄성 충돌의 에너지 소산부분은 대시 포트 모델에서 시뮬레이션되고 있으며, 중량 및 항력은 작용하는 외력으로 고려 될 수 있습니다.
스프링 : 변형에 관련된 힘
대시 포트 : 충돌시의 상대 속도에 관련된 힘 (점성 감쇠)
스프링 및 대시 포트를 병렬로 연결 ⇒ Voigt model
힘은 법선 방향과 접선 방향으로 나누어진다
분석 모드
기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로 평가되는 항목이 추가되는 형태로 되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.
void + DEM
1-fluid + DEM
1-fluid 자유계면 + DEM
입자 유형
입자 타입도 표준 기능의 질량 입자 모델처럼 입자 크기 (반경)와 밀도가 동일한 것 외, 크기는 같지만 밀도가 다른 것이나 밀도는 같지만 크기가 다른 것 등도 취급 가능합니다. 이로 인해 표준 질량 입자 모델에서는 입자 간의 상호 작용이 고려되어 있지 않기 때문에 모든 아래에 가라 앉아 버리고 있었지만, FLOW DEM을 이용하여 기하학적 관계를 평가하는 것이 가능합니다.
DEM은 일반적으로 다수의 입자를 필요로 하는 해석에 사용이 되고 있습니다. 다만 이 경우, 계산 부하가 높아지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 줄여 해석할 필요가 있습니다 .
Particle Size Increase 경우
중자 모래 분사 분석
DEM에서의 계산부하를 생각할 때는 입자모델에 의한 안정제한을 고려해야 하지만 서브타임스텝이라는 개념을 도입함으로써 입자의 경우와 유체의 경우의 타임스텝을 바꾸고 필요이상으로 계산시간을 들이지 않고 효율적으로 계산하는 것을 가능하게 하고 있습니다.
이를 통해 예를 들어 중자사 분사 시뮬레이션 실험에서는 이러한 문제로 자주 이용되는 빙엄 유체에서는 실험과의 정합성이 별로 좋지 않기 때문에 당사에서는 이전부터 입상류 모델이라는 모델을 개발하고 연속체로부터의 접근에서도 실험과의 높은 정합성을 실현할 수 있는 모델화를 해왔는데, 이번에 DEM을 사용해도 그것과 거의 같은 결과를 얻습니다. 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Reference :
Lefebvre D., Mackenbrock A., Vidal V., Pavan V. and Haigh PM, 2004,
Development and use of simulation in the Design of Blown Cores and Moulds
다양한 표면 장력을 사용하여 도장된 표면
-균일
