FLOW-3D@DEM을 이용하여 분말 적층 공정(파우더 베드 방식) 해석이 가능합니다. 여기에서는 재질: Ni 합금 (Inconel 718), 적층 피치 60μm 정도를 실시한 사례입니다. 지름 20um의 입자를 기준으로 지정하고, 자유낙하에 의해 베드를 형성합니다. 입자는 높이 방향으로 3개 정도로 적층되었습니다. 일정한 입경(case 1)에 미세한 입자를 섞은 것(case2)은 충전율이 높아졌습니다. 한편 굵은 입자를 지정한 케이스(case3)는 충전율이 나빠지는 결과를 확인할 수 있었습니다.
FLOW-3D DEM을 이용한 분말적층공정
FLOW-3D WELD 용융지 형성 후 다시 응고되어 가는 모습 확인
FLOW-3D@ DEM에서 얻은 입자 배드에 레이저를 조사하여 용융 해석을 실시한 사례입니다. FLOW-3D@ WELD에서는 레이저에 의한 에너지 밀도 분포를 부여하여 열, 유동 해석을 실시합니다. 용융지가 형성되었다가 다시 응고되어 가는 모습을 확인할 수 있습니다.
입자 충전율이 높은 경우(case2)에서는 용융지가 비교적 직선으로 늘어나지만 충전율이 낮은 경우에 구불구불한 형태로 용융지가 형성되었습니다. 입자가 형성되는 표면 형상, 틈새가 비드 형성에 영향을 준다는 것을 알 수 있습니다.
FLOW-3D WELD 온도 Contour Map
F.SAI를 이용한 열응력 해석
FEM mesh 데이터와 FLOW-3D@ 결과 파일에서 구조 인터페이스 F.SAI를 이용하여 온도 데이터를 추출합니다.
여기에서는 case2의 결과를 이용하여 온도 데이터를 추출하여 얻을 수 있고, 온도 데이터를 하중 데이터로 하여 각종 구조해석 소프트웨어에서 열응력 해석을 실시했습니다.
오른쪽 그림에 NX Nastran, MSC Nastran, Marc의 결과를 보여 줍니다. 수축에 의한 응력의 발생과 변위의 모습을 확인할 수 있습니다.
오하이오 주립대학의 YS Lee W.Zhang 등에 의한 Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing는 FLOW-3D를 이용하여 금속 분말층의 레이저에 의한 용융 결합 (L-PBF)을 분석하고 있습니다. 논문에서는 DEM으로 생성한 임의의 분말층을 분석 대상으로 하고, FSJ 에서 개발한 FLOW-3D WELD(레이저 용접 모듈) 모듈을 이용하여 균일한 분말을 바닥에 분사한 후 그 결과를 비교했습니다.
Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing 해석 모델Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing 해석 결과
위 사례를 통해 열전도나 용융금속의 거동, 용접속도의 차이에 의한 영향 등, 같은 분말 베드에서도 정상적인 해석이 가능한 것을 알 수 있습니다.
온도분포등의 결과의 차이는 분말층의 차이로 발생될 수 있으며, 향후, FLOW-3D@ DEM(FSJ 개별요소법 모듈)을 이용한 분말층 생성기능도 개발 예정입니다.
자동차 경량화를 위해 주요 구성 재료인 철강과 비강도가 높은 알루미늄 접합 기술이 요구되고 있습니다. FLOW-3D Weld 에서는 플럭스의 사용을 피하기 위해 주빔에 더해 예열빔을 이용한 탠덤빔에 의한 레이저 브레이징 과정을 검토할 수 있습니다.
탠덤 빔 레이저에 의한 플럭스리스 브레이징
주빔의 영향을 용융재 초기 온도, 예열빔의 영향을 모재의 온도 분포로 각각 모델화하고, 알루미늄 합금과 아연도금강의 레이저 브레이징 과정에서의 용융재료의 젖음과 유동성을 해석하였습니다. 여기에서는 아연도금강이 ScG270(GA)인 경우와 l170(GI)인 경우를 비교하고 있습니다.
불균일한 온도장에서 FLOW3D의 표면장력 접촉각기능을 통해 누수확대 재현
GI강 조인트는 GA강 조인트에 비해 용융 밀림, 퍼짐성이 뛰어납니다. FLOW-3D@에 의한 해석 결과도 실험 결과와 잘 일치합니다. 이음매의 차이 이 외에도 주빔/예열빔 출력, 빔 간의 어긋남 거리등의 최적화 설계가 가능합니다.
Advances in Magnetohydrodynamic Liquid Metal Jet Printing
Scott Vader1, Zachary Vader1, Ioannis H. Karampelas2 and Edward P. Furlani2, 3 1Vader Systems, Buffalo, NY 2Dept. of Chemical and Biological Engineering, 3 Dept. of Electrical Engineering, University at Buffalo SUNY, NY 14260, Office: (716) 645-1194, Fax: (716) 645-3822, efurlani@buffalo.edu
ABSTRACT
자기유체역학적 액체 금속 제트 프린팅
우리는 용해된 금속 방울을 3D 물체로 만드는 새로운 주문형 DOD(Drop-on-Demand) 인쇄 방법을 제안합니다. 이 접근 방식에서는 단단한 금속 와이어가 인쇄 헤드 내에서 용해된 다음 펄스 자기장에 노출됩니다.
적용된 필드가 챔버에 침투하여 액상 금속 내에 자기 유압(MHD) 기반 압력 펄스를 유도하여 금속 일부가 노즐 챔버를 통해 이동된 후 배출됩니다. 표면 장력은 분출된 금속 위에 작용하여 가해진 압력에 따라 초 당 수 미터 범위의 속도로 구형 방울을 형성합니다.
잠시 비행한 후 방울이 기질에 충돌하여 냉각되어 고체 덩어리를 형성합니다. 따라서 패턴이 있는 증착 및 드롭 방식의 고형화를 통해 3D 솔리드 구조를 인쇄할 수 있습니다.
현재 연구에서는 샘플 프린팅 구조와 함께 시제품 MHD 프린팅 시스템 개발에 대한 발전된 점을 제시합니다. 또한 드롭 생성을 관리하는 기본 물리학에 대해 논의하고 장치 성능을 예측하기 위한 새로운 컴퓨팅 모델을 소개합니다.
Computational model of magnetohydrodynamic-based drop generation (printhead reservoir and ejection chamber not shown): (a) the magnetic field generated by a pulsed coil is shown
INTRODUCTION
주문형 드롭온 잉크젯 프린팅은 상업 및 소비자 이미지 재현을 위한 잘 확립된 방법입니다. 이 기술을 추진하는 원리와 동일한 원리가 기능 인쇄 및 적층 제조 분야에도 적용될 수 있습니다.
Early stage prototype
of a single nozzle printhead
기존의 잉크젯 기술은 폴리머에서 살아있는 세포에 이르는 다양한 재료를 증착하고 패터링하여 다양한 기능성 매체, 조직 및 장치를 프린팅하는 데 사용되어 왔습니다. 현재 진행 중인 작업을 통해 잉크젯 인쇄를 3D 금속 부품으로 확장하려고 시도하고 있습니다.
현재, 대부분의 3D 금속 인쇄 애플리케이션은 고체 물체를 형성하기 위해 레이저(예: 선택적 레이저 소거 [1] 및 직접 금속 소거[2]) 또는 전자 빔(예: 전자 빔 용해 [3])과 같은 외부 유도 에너지원에 의해 소거 또는 녹는 퇴적 금속 분말을 포함합니다.
그러나 이러한 방법은 비용과 복잡성, 즉 3D 프린팅 공정에 앞서 금속을 분쇄해야 한다는 점에서 일정한 단점이 있을 수 있습니다.
이 프레젠테이션에서는 자기 유압 역학 원리를 기반으로 하는 금속 적층 제조의 근본적으로 다른 접근 방식을 제안합니다. 이 방법은 스풀링된 고체 금속 와이어를 인쇄 헤드에 공급하고 노즐에서 업스트림을 예열하여 노즐 챔버에 공급되는 액체 금속 저장소를 형성하는 것입니다. 챔버가 채워지면 액체 금속 내에서 과도 전류를 유도하는 펄스 자기장이 인가됩니다. 유도 전류가 인가된 필드에 결합되어 로렌츠 힘 밀도를 생성하여, 인가된 압력에 따라 속도가 달라지는 용융 금속 방울을 배출하는 작용을 하는 챔버 내의 유사 압력을 제공합니다.
방울은 냉각된 기질에 투영되어 고체 덩어리를 형성합니다. 3D 솔리드 구조를 패터닝으로 인쇄할 수 있습니다. 방울의 침적과 방울의 현명한 응고입니다. 이 유망한 신기술은 낮은 재료 비용, 높은 제조율 및 매력적인 재료 특성 때문에 적층 제조 애플리케이션에 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다.
현재 작업에서는 새로운 3D 인쇄 시스템을 도입하고 기기 개발의 진보를 설명하고 샘플 인쇄 구조를 시연합니다. 또한 드롭 생성-배출 메커니즘에 대해 설명하고 인쇄 성능을 예측하기 위한 일련의 새로운 컴퓨팅 모델을 제시합니다.
FLOW-3D는 자유 표면 유체 흐름 시뮬레이션을 전문으로하는 다중 물리 CFD 소프트웨어입니다. 자유 표면의 동적 진화를 추적하는 소프트웨어의 알고리즘인 VOF (Volume of Fluid) 방법은 Flow Science의 설립자인 Tony Hirt 박사가 개척했습니다.
또한 FLOW-3D에는 금속 주조, 잉크젯 인쇄, 레이저 용접 및 적층 제조 (AM)와 같은 광범위한 응용 분야를 시뮬레이션하기위한 물리 모델이 내장되어 있습니다. 적층 제조 시뮬레이션 소프트웨어, 특히 L-PBF (레이저 파우더 베드 융합 공정)의 현상 유지는 열 왜곡, 잔류 응력 및지지 구조 생성과 같은 부분 규모 모델링에 도움이되는 열 기계 시뮬레이션에 초점을 맞추고 있습니다.
유용하지만 용융 풀 역학 및 볼링 및 다공성과 같은 관련 결함에 대한 정보는 일반적으로 이러한 접근 방식의 영역 밖에 있습니다. 용융 풀 내의 유체 흐름, 열 전달 및 표면 장력이 열 구배 및 냉각 속도에 영향을 미치며 이는 다시 미세 구조 진화에 영향을 미친다는 점을 명심하는 것도 중요합니다.
FLOW-3D와 이산 요소법 (DEM) 및 WELD 모듈을 사용하여 분말 및 용융 풀 규모에서 시뮬레이션 할 수 있습니다. 구현되는 관련 물리학에는 점성 흐름, 열 전달, 응고, 상 변화, 반동 압력, 차폐 가스 압력, 표면 장력, 움직이는 물체 및 분말 / 입자 역학이 포함됩니다. 이러한 접근 방식은 합금에 대한 공정을 성공적으로 개발할 수 있게 하고, AM 기계 제조업체와 AM 기술의 최종 사용자 모두에게 관심있는 미세 구조 진화에 대한 통찰력을 제공하는데 도움이 됩니다.
The realm of operations of FLOW-3D
FLOW-3D는 레이저 분말 베드 융합 (L-PBF), 직접 에너지 증착 (DED) 및 바인더 제트 공정으로 확장되는 기능을 가지고 있습니다. FLOW-3D를 사용하면 분말 확산 및 패킹, 레이저 / 입자 상호 작용, 용융 풀 역학, 표면 형태 및 후속 미세 구조 진화를 정확하게 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이러한 기능은 FLOW-3D에 고유하며 계산 효율성이 높은 방식으로 달성됩니다.
예를 들어 1.0mm x 0.4mm x 0.3mm 크기의 계산 영역에서 레이저 빔의 단일 트랙을 시뮬레이션하기 위해 레이저 용융 모델은 단 8 개의 물리적 코어에서 약 2 시간이 걸립니다. FLOW-3D는 모든 관련 물리 구현 간의 격차를 해소하는 동시에 업계 및 연구 표준에서 허용하는 시간 프레임으로 결과를 생성합니다. 분말 패킹, 롤러를 통한 파워 확산, 분말의 레이저 용융, 용융 풀 형성 및 응고를 고려하고 다층 분말 베드 융합 공정을 위해 이러한 단계를 순차적으로 반복하여 FLOW-3D에서 전체 AM 공정을 시뮬레이션 할 수 있습니다.
FLOW-3D의 다층 시뮬레이션은 이전에 응고된 층의 열 이력을 저장한다는 점에서 독특하며, 열 전달을 고려하여 이전에 응고된 층에 확산된 새로운 분말 입자 세트에 대해 시뮬레이션이 수행됩니다. 또한, 응고 된 베드의 열 왜곡 및 잔류 응력은 FLOW-3D를 사용하여 평가할 수 있으며, 보다 복잡한 분석을 수행하기 위해 FLOW-3D의 압력 및 온도 데이터를 Abaqus 및 MSC Nastran과 같은 FEA 소프트웨어로 내보낼 수 있습니다.
Sequence of a multi-layer L-PBF simulation setup in FLOW-3D
Ease of Use
FLOW-3D는 다양한 응용 분야에서 거의 40 년 동안 사용되어 왔습니다. 사용자 피드백을 기반으로 UI 개발자는 소프트웨어를 사용하기 매우 직관적으로 만들었으며 새로운 사용자는 시뮬레이션 설정의 순서를 거의 또는 전혀 어려움없이 이해합니다. 사용자는 FLOW3D에서 구현 된 다양한 모델의 이론에 정통하며 새로운 실험을 설계 할 수 있습니다. 실습 튜토리얼, 비디오 강의, 예제 시뮬레이션 및 기술 노트의 저장소도 사용할 수 있습니다. 사용자가 특정 수준의 경험에 도달하면 고급 수치 교육 및 소프트웨어 사용자 지정 교육을 사용할 수 있습니다.
Available Literature
실험 데이터에 대해 FLOW-3D 모델을 검증하는 몇 가지 독립적으로 발표된 연구가 있습니다. 여기에서 수록된 저널 논문은 레이저 용접 및 적층 제조 공정으로 제한됩니다. 더 많은 참조는 당사 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.
L.J.Zhang, J.X.Zhang, A.Gumenyuk, M.Rethmeier, S.J.Na, Numerical simulation of full penetration laser welding of thick steel plate with high power high brightness laser, Journal of Materials Processing Technology, Volume 214, Issue 8, 2014. A study by researchers from BAM in Germany, KAIST in Korea, and State Key Laboratory of Mechanical Behavior of Materials in China that focuses on keyhole dynamics and full penetration laser welding of steel plates.
Runqi Lin, Hui-ping Wang, Fenggui Lu, Joshua Solomon, Blair E. Carlson, Numerical study of keyhole dynamics and keyhole-induced porosity formation in remote laser welding of Al alloys, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 108, Part A, 2017. General Motors (GM) and Shangai University collaborated on a study on the influence of welding speed and weld angle of inclination on porosity occurrence in laser keyhole welding.
Koji Tsukimoto, Masashi Kitamura, Shuji Tanigawa, Sachio Shimohata, and Masahiko Mega, Laser Welding Repair for Single Crystal Blades, International Gas Turbine Congress, Tokyo, 2015. Mitsubishi Heavy Industry’s study on laser welding repair using laser cladding for single Ni crystal alloys used in gas turbine blades.
Additive Manufacturing
Yu-Che Wu, Cheng-Hung San, Chih-Hsiang Chang, Huey-Jiuan Lin, Raed Marwan, Shuhei Baba, Weng-Sing Hwang, Numerical modeling of melt-pool behavior in selective laser melting with random powder distribution and experimental validation, Journal of Materials Processing Technology, Volume 254, 2018 This paper discusses powder bed compaction with random packing for different powder-size distributions, and the importance of considering evaporation effects in the melting process to validate the melt pool dimensions.
Lee, Y.S., and W.Zhang, Mesoscopic simulation of heat transfer and fluid flow in laser powder bed additive manufacturing, Proceedings of the Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, USA. 2015 A study conducted by Ohio State University researchers to understand the influence of process parameters in formation of balling defects.
Y.S. Lee, W.Zhang, Modeling of heat transfer, fluid flow and solidification microstructure of nickel-base superalloy fabricated by laser powder bed fusion, Additive Manufacturing, Volume 12, Part B, 2016 A study conducted by Ohio State University researchers to understand the influence of solidification parameters, calculated from the temperature fields, on solidification morphology and grain size using existing theoretical models in laser powder bed fusion processes.
모세관 흐름은 일반적으로 미세 유체 장치에서 발생합니다.예를 들어, 바이오 칩 설계에서는 한 곳에서 다른 곳으로 액체 용액을 전달하기 위해 긴 마이크로 채널이 자주 사용됩니다.입구 채널은 액체 저장소에 연결되고 표면 장력은 액체를 마이크로 채널로 끌어 당깁니다 (액체가 칩 표면에 “젖은”경우).이 페이지에서는 충진, 흡수 및 전환과 같은 모세관 흐름 분석에서 FLOW-3D의 특정 응용 분야를 다룹니다.
Marangoni flow in a dish of water that is heated at its center.
Marangoni flow는 중앙에서 데워진 물이 담긴 접시에 흐릅니다. 불균일한 표면 장력에 의해 생성 된 흐름은 20ºC의 초기 온도에서 0.75cm 깊이의 얕은 8.0cm 직경의 물 접시에 의해 입증됩니다. 원형 접시의 중앙에는 직경 0.5cm의 원통형 막대가 있습니다. 80 Cº의 온도로 가열하고 0.05 cm 깊이까지 수면에 담근다. 핫로드 근처의 물이 가열됨에 따라 표면 장력이 0.1678 dyne / cm / ºC만큼 감소하여 표면이 접시의 바깥 쪽 테두리쪽으로 후퇴합니다. Retraction는 처음에 표면에 뿌려진 질량없는 마커 입자로 표시됩니다.
Capillary Absorption
고체 물질의 기공에 모세관 흡수 때문에 액체와 고체 사이의 접착 발생합니다. 이 같은 흡수의 간단하면서도 유용한 시험은 핀란드 ABO Akademi 대학의 마르티 Toivakka에 의해 제안되었습니다. 테스트 기공은 ± 1.0 μm의 측면 벽 1.0 μm의 반경 원호입니다. 팽창 목에 연결된 넓은 2차원 채널로 구성되어 있습니다. 체적력의 부재 하에서, 표면장력 과 wall adhesion pull liquid 는 액체와 고체 사이의 static contact angle에 의해 결정됩니다. 첨부된 그림은 FLOW-3D가 올바르게 특정 접촉 각도 (유체는 적색표현) 충전 레벨을 계산하는 것을 나타냅니다.
Thermocapillary Switch
액체의 작은 덩어리나 가벼운 빔의 경로에서 움직이는 굴절, 혹은 반사로 다른 길로 리디렉션 할 수 있습니다. 이 개념은 특히나 한번 빔 내부 반사로 인해 갇혀 있는 섬유에 들어가 광학 섬유로 연결에서 매력적입니다. 어떠한 복잡성의 광 회로를 만들려면, 하나의 광섬유에서 다른 가벼운 방향을 바꿀 수 있는“스위치”를 둘 필요가 있습니다.
The animation above shows a FLOW-3D simulation of a drop of water in a 14mm-wide channel that is being heated at the bottom.
Capillary Filling
모세관 충전 과정을 이해하는 것은 칩 설계에 중요합니다.. 액체 흐름 통로의 다른 형상 포획 기포의 가능성 등의 충전 공정의 기술은, 같은 챔버와 칩의 내부 구조를 배치 기둥 분할하고, 밸브 결합에 설계자 안내 등 다양한 모세관 충전 동작이 발생할 수 있습니다.
시뮬레이션은 아래의 모세관 작용의 분석 예측의 유효성을 검사합니다. 모세관 채우기는 정확하게 표면 장력과 중력에 의해 균형을 잡습니다.이것은 FLOW-3D에 의해서 정확하게 예측되는 기본적인 과정입니다.
유전 영동은 분극성 입자에 힘을 생성하여 균일하지 않은 전기장 (일반적으로 AC 전기장)에서 움직임을 유도합니다. 유전 영동력은 마이크로스케일 및 나노스케일 바이오 입자를 특성화, 처리 또는 조작하는 데 사용할 수 있습니다. 여기에는 세포, 바이러스, 박테리아, DNA 등의 분류, 포획 및 분리가 포함될 수 있습니다. 유전 영동은 FLOW-3D에서 완전히 설명 할 수 있으며 날카로운 인터페이스가 있거나 없는 단일 유체 또는 2 유체 흐름과 같이 코드에서 사용할 수있는 다른 모든 유체 흐름 옵션과 함께 활성화 될 수 있습니다.
Electro-wetting
전도성 액적에서 액체와 전극 사이에 인가되는 얇은 유전체 코팅 전위를 갖는 전극 상에 배치되면, 드롭 평면화와 전극 표면 확산이 일어납니다. 이 현상은 종종electro-wetting라 부릅니다. 현상은 전하 층의 발달과 관련되어 있으므로, 외부 전기장을 그들을 이동, 합체, 깨지거나 하는 원인을 조작하기 위해 사용될 수 있습니다.
Lab-On-Chip Electro-wetting Applications
Lab-on-chip 기반electro-wetting 은 분리된 물방울을 조절할 수 있어 설계자들이 복잡한 절차를 전통적인 실험실 장치를 달지만 훨씬 작은 volumes 으로 비슷한 실험을 수행할 수 있습니다. 이러한 기기는 효율적으로 운송, 병합되어 있으며 분리된 물방울들이 요구합니다. FLOW-3D는 사용자가이 장치를 조작하는 데 사용되는 기하학적 파라미터들 및 전압의 영향을 시뮬레이션 할 수 있도록 하여 설계 프로세스에 유용한 도구가 될 수 있습니다.
아래의 애니메이션은 수송 시뮬레이션 병합 및 분할 방울에 FLOW-3D의 기능을 보여줍니다. Lab-on-chip은 약 300 ㎛로 분리 된 두 개의 평행 한 플레이트로 구성됩니다. 바닥 판은 방울을 조작하기 위해 사용되는 그 안에 삽입 된 전극을 보유하고 있습니다. 액 적은 물 (약간 도전성) 실리콘 오일에 의해 둘러싸여 있습니다. 액체 방울의 부피가 800nl 관한 것입니다.
This lab-on-a-chip electrowetting simulation demonstrates an electric field being applied in order to split a small droplet.
Here an electric field is being applied in order to merge two small droplets.
This simulation shows an electric field being applied to a small droplet to control its motion.
생물학에서 물질을 한 장소에서 다른 장소로 운반하거나 수백 개의 검사를 병렬로 수행하기 위해 사용하는 미세 유체 회로 장치 분야에서 최근 발전하고 있습니다. 일반적으로 이러한 회로는 특정 논리(AND, OR, XOR 등) 또는 여러 로직의 조합을 기반으로 합니다. 따라서 이러한 회로를 마이크로유체 논리 회로라고도 합니다. 전자 회로와 유사하게 오일은 채널과 공압 밸브를 통과하며 압력 디퍼렌셜에 의해 구동됩니다(전자 회로의 기존 전위/전압 디퍼렌셜과는 대조적으로). FLOW-3D의 움직이는 물체 모델은 유체 흐름과 결합되어 공압 밸브의 움직임을 시뮬레이션할 수 있습니다.
Simulation of a pneumatic latching valve used in microfluidic demultiplexer. The animation starts at stage 3 – the open stage, and finally evolves to stage 7 – the closed stage.
정밀하고 신중하게 제어되는 화학 반응성 구배를 생성 할 수있는 능력은 미세 유체학을 운동성, 화학성 및 소수의 미생물 집단에서 항생제에 대한 내성을 단기간에 진화시키고 개발하는 능력을 연구하는 이상적인 도구가 됩니다. FLOW-3D는 연구자들이 아래 예제에 표시된 것처럼 새롭고 더 나은 gradient generators를 고안하는 데 도움이 될 수 있습니다.
1-D Gradient generator with de-coupled convection and diffusion
FLOW-3D를 사용한 이 1-D 미세유체 팔레트 시뮬레이션에서는 표시된 흐름선을 통해 주 중앙 마이크로 채널에서 대류 셀의 깨끗한 디커플링을 확인할 수 있습니다. 이 흐름은 모두 대류 단위로만 제한되며 마이크로 채널로 유출되는 단 한 개의 흐름도 없어 대류 및 확산의 디커플링이 우수합니다. 소스 농도의 진화는 그림에서 볼 수 있으며, 애니메이션이 끝날 때쯤이면 눈에 띄게 일정해집니다.
This FLOW-3D simulation of a 2-D microfluidic palette demonstrates a spatio-temporal control on the generated gradients. The source and sink are rotated at an angular velocity. Also, after every t seconds, the active access port is deactivated and the next port is turned on. To see the live status of the diffusion inside the chamber, three line probes are placed in the simulation (marked in red, blue and black, respectively, in the bottom right window of the simulation).2-D 마이크로 유체 팔레트의 이 FLOW-3D 시뮬레이션은 생성된 그라데이션에 대한 spatio-temporal 제어를 보여줍니다. 소스 및 sink는 각 속도로 회전합니다. 또한 t초마다 활성 액세스 포트가 비활성화되고 다음 포트가 켜집니다. 챔버 내부의 확산 상태를 확인하기 위해 시뮬레이션에 세 개의 라인 프로브가 배치됩니다(시뮬레이션의 오른쪽 하단 창에 각각 빨간색, 파란색 및 검은색 표시).
FLOW-3D AM 은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을위한 수지 침투 및 확산에 대한 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.
3D 프린팅이라고도하는 적층 제조(additive manufacturing)는 일반적으로 층별 접근 방식을 사용하여, 분말 또는 와이어로 부품을 제조하는 방법입니다. 금속 기반 적층 제조 공정에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 시작되었습니다. 오늘날 사용되는 3 대 금속 적층 제조 공정은 PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 바인더 제트 ( Binder jetting ) 공정입니다. FLOW-3D AM 은 이러한 각 프로세스에 대한 고유 한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다.
파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF용 분말 형태와 DED 공정용 분말 또는 와이어 형태의 금속을 완전히 녹여 융합하여 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 젯팅(Binder jetting)에서는 결합제 역할을 하는 수지가 금속 분말에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다. 이러한 부품은 더 나은 치밀화를 달성하기 위해 소결됩니다.
FLOW-3D AM 의 자유 표면 추적 알고리즘과 다중 물리 모델은 이러한 각 프로세스를 높은 정확도로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF) 공정 모델링 단계는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 공정에 대한 몇 가지 개념 증명 시뮬레이션도 표시됩니다.
레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF)
L-PBF 공정에는 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리학 현상이 포함되어 공정 및 궁극적으로 빌드 품질에 상당한 영향을 미칩니다. FLOW-3D AM 의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하는 동시에 입자 크기 분포 및 패킹 비율을 고려하여 중규모에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.
FLOW-3D DEM 및 FLOW-3D WELD 는 전체 파우더 베드 융합 공정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 놓기, 분말 용융 및 응고,이어서 이전에 응고 된 층에 신선한 분말을 놓는 것, 그리고 다시 한번 새 층을 이전 층에 녹이고 융합시키는 것입니다. FLOW-3D AM 은 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.
파우더 베드 부설 공정
FLOW-3D DEM을 사용하면 아래 동영상처럼 입자의 분포를 무작위로 떨어뜨려 파우더 베드 배치 프로세스를 시뮬레이션할 수 있습니다.
다양한 파우더 베드 압축을 달성하는 한 가지 방법은 베드를 놓는 동안 다양한 입자 크기 분포를 선택하는 것입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 세 가지 크기의 입자 크기 분포가 있으며, 이는 가장 높은 압축을 제공하는 Case 2와 함께 다양한 분말 베드 압축을 초래합니다.
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용하여 파우더 베드 배치세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용한 분말 베드 압축
입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 물체 상호 작용은 FLOW-3D DEM을 사용하여 자세히 분석 할 수도 있습니다 . 또한 입자간 힘을 지정하여 분말 살포 응용 분야를 보다 정확하게 연구 할 수도 있습니다.
이 FLOW-3D AM 시뮬레이션은 이산 요소 방법 (DEM)을 사용하여 역 회전하는 원통형 롤러로 인한 분말 확산을 연구합니다. 비디오 시작 부분에서 빌드 플랫폼이 위로 이동하는 동안 분말 저장소가 아래로 이동합니다. 그 직후, 롤러는 분말 입자 (초기 위치에 따라 색상이 지정됨)를 다음 층이 녹고 구축 될 준비를 위해 구축 플랫폼으로 펼칩니다. 이러한 시뮬레이션은 저장소에서 빌드 플랫폼으로 전송되는 분말 입자의 선호 크기에 대한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.
파우더 베드 용해
파우더 베드를 놓은 후 FLOW-3D WELD 에서 레이저 빔 공정 매개 변수를 지정 하여 고 충실도 용융 풀 시뮬레이션을 수행 할 수 있습니다 . 온도, 속도, 고체 분율, 온도 구배 및 고체 속도의 플롯을 자세히 분석 할 수 있습니다.
레이저 출력 200W, 스캔 속도 3.0m / s, 스폿 반경 100μm에서 파우더 베드의 용융 풀 분석.
용융 풀이 응고되면 FLOW-3D AM 압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 가져와 응력 윤곽 및 변위 프로파일을 분석 할 수도 있습니다.
다층 적층 제조
첫 번째 용융 층이 응고되면 입자의 두 번째 층이 응고 층에 증착됩니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 공정 매개 변수를 지정하여 용융 풀 시뮬레이션을 다시 수행합니다. 이 프로세스를 여러 번 반복하여 연속적으로 응고 된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.
바인더 분사 (Binder jetting)
Binder jetting 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을받는 파우더 베드에서 바인더의 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.
방향성 에너지 증착
FLOW-3D AM 의 내장 입자 모델 을 사용하여 직접 에너지 증착 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 분말 주입 속도와 고체 기질에 입사되는 열유속을 지정함으로써 고체 입자는 용융 풀에 질량, 운동량 및 에너지를 추가 할 수 있습니다. 다음 비디오에서 고체 금속 입자가 용융 풀에 주입되고 기판에서 용융 풀의 후속 응고가 관찰됩니다.
FLOW DEM
FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법)공법인 입자의 거동을 분석해주는 모듈입니다.
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.
분석 모드
기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로 평가되는 항목이 추가되기 형태로되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.
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 필요로하는 분석을 상정하고 있습니다. 다만 이 경우, 계산 부하가 높아 지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 너무 많아 현실적으로 취급 할 수 없는 경우 입자의 특성은 유지하고 숫자를 줄여 가시화할 필요가 있습니다 . 일반적인 유동해석 계산의 메쉬 해상도에 해당합니다. 메쉬 수 많음 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음) 입자 수 다 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)
원래 입자수입자 사이즈를 키운경우그룹 가시화
입자 수를 줄이기 위해 그대로 입경을 크게했을 경우와 그룹 가시화 한 경우의 비교.
입자 크기를 크게하면 개별 입자 특성이 달라지기 때문에 거동이 달라진다. (본 사례에서는 부력이 커진다.)
그룹 가시화의 경우 개별 특성은 동일 원래의 거동과 대체로 일치한다.
주조 시뮬레이션에 DEM 적용
그룹 가시화 비교 예
그룹 가시화한 경우와 입경을 크게하여 수를 줄인 경우, 입경을 크게하면 개별 입자 특성이 변화하여 거동이 바뀌어 버리기 때문에 실제 계산으로는 사용할 수 어렵습니다.
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.
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아래는 FSI의 금속 주조 참고 문헌에 수록된 기술 논문 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D CAST 해석 결과가 수록되어 있습니다. FLOW-3D CAST를 사용하여 금속 주조 산업의 응용 프로그램을 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.
Below is a collection of technical papers in our Metal Casting Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D CAST results. Learn more about how FLOW-3D CAST can be used to successfully simulate applications for the Metal Casting Industry.
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본 자료에서는 분말 또는 와이어를 층별로 적층 제조하는 3D프린팅 과정에 대해 3차원 수치해석 시뮬레이션이 가능한 FLOW-3D 제품과 기술에 관련된 자료를 찾아볼 수 있습니다. FLOW-3D는 주요 금속 적층 제조 공정인 파우더 베드 융접(PBF), 직접 에너지 증착(DED) 및 바인더 분사 공정에 대해 FLOW-3D는 높은 정확도의 시뮬레이션 기능을 제공합니다.
현재 3D 프린팅 및 레이저 용접 시뮬레이션에 FLOW-3D를 사용하고 있는 기관들은 포항공대, KAIST, 부산대학교, 성균관대학교 등 국내 여러 대학들과 한국생산기술연구원, 한국기계연구원, LG전자, 현재조선해양(현대중공업) 등 많은 기관에서 연구개발에 사용되고 있습니다.
FLOW-3D는 자유수면(VOF), 상변화, 열전달 등 여러 면에서 탁월한 정확도를 가지고 있는 제품으로 특히 국내외 적층 제조 분야에서 독보적인 위치를 차지하고 있습니다. 아래에 3D 프린팅 관련 기술을 연구 개발하는데 참고가 될 만한 관련 자료 및 링크를 제공합니다.
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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
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This article was contributed by V.Sukhotskiy1,2, I. H. Karampelas3, G. Garg 1, A. Verma1, M. Tong 1, S. Vader2, Z. Vader2, and E. P. Furlani1 1University at Buffalo SUNY, 2Vader Systems, 3Flow Science, Inc.
이 연구의 초점은 3D 고체 금속 구조의 인쇄에 잉크젯 기술의 확장에 있습니다 [3, 4]. 현재 대부분의 3D 금속 인쇄 프로그램에는 금속 물체를 형성하는 레이저 [6] 또는 전자빔 [7]과 같은 외부 지향 에너지 소스를 이용한 금속 분말 소결 또는 용해를 포함합니다. 그러나, 이러한 방법은 비용 및 공정 복잡성, 예를 들어, 3D 인쇄 공정에 앞서 분말을 생성하는 시간 및 에너지 집약적 기술에 대한 필요성과 같은 단점을 갖고 있습니다.
이 기사에서는 움직이는 기판에서의 MHD (magnetohydrodynamic) Drop-on-demand 방출 및 액체 방울 증착에 기반한 3D 금속 구조의 첨가제 제조에 대한 새로운 접근 방시에 대해 설명합니다.
이 과정의 각 부분을 연구하기 위해 많은 시뮬레이션을 수행했습니다. 단순화를 위해 이 연구는 두 부분으로 나누었습니다.
첫 번째 부분에서는 MHD 분석을 사용하여 프린트 헤드 내부의 로렌츠 힘 밀도에 의해 생성 된 압력을 추정한 다음 FLOW-3D 모델의 경계 조건으로 사용합니다. 그것은 방울 분사 동력학을 연구하는 데 사용되었습니다. 두 번째 부분에서는 FLOW-3D 파라 메트릭 분석을 수행하여 이상적인 액적 증착 조건을 확인했습니다.
모델링 노력의 결과는 위 그림에 표시된 장치 설계를 가이드하는데 사용되었습니다. 코일은 분사 챔버를 둘러싸고 전기적으로 펄싱되어 액체 금속을 투과시키고, 순환 루프를 유도하는 과도 자기장을 생성합니다. 그것 내의 일시적인 전기장. 전기장은 순환 전류 밀도를 발생 시키며, 이는 일시적인 전계에 다시 커플 링되고 챔버 내에서 마젠 토 히드로 다이나믹 로렌츠 힘 밀도를 생성한다. 힘의 반경 방향 성분은 오리피스에서 금속 액체를 배출하는 역할을하는 압력을 생성합니다. 방출된 금속 액체 방울은 기판으로 이동하여 합체되고 응고되어 확장된 견고한 구조를 형성합니다. 임의 형상의 3 차원 구조는 방출하는 금속 방울의 정확한 패턴화 증착을 가능하게하는 움직이는 기판을 사용하여 층별로 인쇄 할 수 있습니다. 이 기술은 MagnadoJet라는 상품명으로 Vader Systems (www.vadersystems.com)에 의해 특허 및 상용화되었습니다.
MagnetoJet 프린팅 공정의 장점은 상대적으로 높은 증착 속도와 낮은 재료 비용으로 임의 형상의 3D 금속 구조를 인쇄하는 것입니다 [8, 9]. 또한 고유한 금속 입자 구조가 존재하기 때문에 기계적 특성이 개선 된 부품을 인쇄 할 수 있습니다.
프로토타입 디바이스 개발
Vader Systems의 3D 인쇄 시스템의 핵심 구성 요소는 두 부분의 노즐과 솔레노이드 코일로 구성된 프린트 헤드 어셈블리입니다. 액체화는 노즐의 상부에서 발생합니다. 하부에는 직경이 100μm ~ 500μm 인 서브 밀리미터 오리피스가 있습니다. 수냉식 솔레노이드 코일은 위 그림에 표시된 바와 같이 오리피스 챔버를 둘러싸고있습니다 (냉각 시스템은 도시되지 않음). 다수의 프린트 헤드 디자인의 반복적인 개발은 액체 금속 배출 거동뿐만 아니라, 액체 금속 충전 거동에 대한 사출 챔버 기하적인 효과를 분석하기 위해 연구되었습니다. 이 프로토타입 시스템은 일반적인 알루미늄 합금으로 만들어진 견고한 3D 구조를 성공적으로 인쇄했습니다 (아래 그림 참조). 액적 직경, 기하학, 토출 빈도 및 기타 매개 변수에 따라 직경이 50 μm에서 500 μm까지 다양합니다. 짧은 버스트에서 최대 5000 Hz까지 40-1000 Hz의 지속적인 방울 분사 속도가 달성되었습니다.
전산 모델
프로토 타입 디바이스 개발의 일부로서, 프로토 타입 제작에 앞서 계산 시뮬레이션을 수행하여 성능, 즉 액적 방출 동역학, 액적 – 공기 및 액적 – 기판 상호 작용에 대한 설계 개념을 선별했습니다. 분석을 단순화하기 위해 CFD 분석뿐만 아니라, 전산 전자기 (CE)를 사용하는 두 가지 상보 모델이 개발되었습니다. 첫 번째 모델에서는 2 단계 CE 및 CFD 분석을 사용하여 MHD 기반의 액적 방출 동작과 효과적인 압력 생성을 연구했습니다. 두 번째 모델에서, 열 유동성 CFD 분석은 기판상의 물방울의 패터닝, 유착 및 고형화를 연구하기 위해 사용되었습니다.
MHD 분석에 이어 등가 압력 프로파일을 첫 번째 모델에서 추출하고, FLOW-3D 모델의 입력으로 사용하여 액적 배출 및 액적 – 기판 상호 작용의 일시적인 동력학을 탐구하도록 설계되었습니다. 플로우 – 3D 시뮬레이션은 액적 분사에 대한 오리피스 내부 및 주변의 습윤 효과를 이해하기 위해 수행되었습니다. 오리피스 내부 및 외부의 유체 초기화 레벨을 변경하고 펄싱 주파수에 의해 결정된 펄스 사이의 시간 간격을 허용함으로써, 크기 및 속도를 포함하여 방출 된 액 적의 특성 차이를 확인할 수있었습니다.
Droplet 생성
MagnetoJet 인쇄 프로세스에서, 방울은 전압 펄스 매개 변수에 따라 일반적으로 1 – 10m/s 범위의 속도로 배출되고 기판에 충돌하기 전에 비행 중에 약간 냉각됩니다. 기판상의 액적들의 패터닝 및 응고를 제어하는 능력은 정밀한 3D 솔리드 구조의 형성에 중요합니다. 고해상도 3D 모션베이스를 사용하여 패터닝을 위한 정확한 Droplet 배치가 이루어집니다. 그러나 낮은 다공성과 원하지 않는 레이어링 artifacts가 없는 잘 형성된 3D 구조를 만들기 위해 응고를 제어하는 것은 다음과 같은 제어를 필요로하기 때문에 어려움이 있습니다.
냉각시 액체 방울로부터 주변 물질로의 열 확산,
토출된 액 적의 크기,
액적 분사 빈도 및
이미 형성된 3D 물체로부터의 열 확산.
이들 파라미터를 최적화함으로써, 인쇄 된 형상의 높은 공간 분해능을 제공하기에 충분히 작으며, 인접한 액적들 및 층들 사이의 매끄러운 유착을 촉진하기에 충분한 열 에너지를 보유 할 것입니다. 열 관리 문제에 직면하는 한 가지 방법은 가열된 기판을 융점보다 낮지만 상대적으로 가까운 온도에서 유지하는 것입니다. 이는 액체 금속방울과 그 주변 사이의 온도 구배를 감소시켜 액체 금속방울로부터의 열의 확산을 늦춤으로써 유착을 촉진시키고 고형화하여 매끄러운 입체 3D 덩어리를 형성합니다. 이 접근법의 실행 가능성을 탐구하기 위해 FLOW-3D를 사용한 파라 메트릭 CFD 분석이 수행되었습니다.
액체 금속방울 응집과 응고
우리는 액체 금속방울 분사 주파수뿐만 아니라 액체 금속방울 사이의 중심 간 간격의 함수로서 가열된 기판에서 내부 층의 금속방울 유착 및 응고를 조사했습니다. 이 분석에서 액체 알루미늄의 구형 방울은 3mm 높이에서 가열 된 스테인리스 강 기판에 충돌합니다. 액적 분리 거리 (100)로 변화 될 때 방울이 973 K의 초기 온도를 가지고, 기판이 다소 943 K.도 3의 응고 온도보다 900 K로 유지됩니다. 실선의 인쇄 중에 액적 유착 및 응고를 도시 50㎛의 간격으로 500㎛에서 400㎛까지 연속적으로 유지하고, 토출 주파수는 500Hz에서 일정하게 유지 하였습니다.
방울 분리가 250μm를 초과하면 선을 따라 입자가 있는 응고된 세그먼트가 나타납니다. 350μm 이상의 거리에서는 세그먼트가 분리되고 선이 채워지지 않은 간극이 있어 부드러운 솔리드 구조를 형성하는데 적합하지 않습니다. 낮은 온도에서 유지되는 기질에 대해서도 유사한 분석을 수행했습니다(예: 600K, 700K 등). 3D 구조물이 쿨러 기질에 인쇄될 수 있지만, 그것들은 후속적인 퇴적 금속 층들 사이에 강한 결합의 결여와 같은 바람직하지 않은 공예품을 보여주는 것이 관찰되었습니다. 이는 침전된 물방울의 열 에너지 손실률이 증가했기 때문입니다. 기판 온도의 최종 선택은 주어진 용도에 대해 물체의 허용 가능한 인쇄 품질에 따라 결정될 수 있습니다. 인쇄 중에 부품이 커짐에 따라 더 높은 열 확산에 맞춰 동적으로 조정할 수도 있습니다.
FLOW-3D 결과 검증
위 그림은 가열된 기판 상에 인쇄된 컵 구조 입니다. 인쇄 과정에서 가열된 인쇄물의 온도는 인쇄 된 부분의 순간 높이를 기준으로 실시간으로 733K (430 ° C)에서 833K (580 ° C)로 점차 증가했습니다. 이것은 물체 표면적이 증가함에 따라 국부적 인 열 확산의 증가를 극복하기 위해 행해졌습니다. 알루미늄의 높은 열전도율은 국부적 인 온도 구배에 대한 조정이 신속하게 이루어져야하기 때문에 특히 어렵습니다. 그렇지 않으면 온도가 빠르게 감소하고 층내 유착을 저하시킵니다.
결론
시뮬레이션 결과를 바탕으로, Vader System의 프로토 타입 마그네슘 유체 역학 액체 금속 Drop-on-demand 3D 프린터 프로토 타입은 임의의 형태의 3D 솔리드 알루미늄 구조를 인쇄 할 수 있었습니다. 이러한 구조물은 서브 밀리미터의 액체 금속방울을 층 단위로 패턴화하여 성공적으로 인쇄되었습니다. 시간당 540 그램 이상의 재료 증착 속도는 오직 하나의 노즐을 사용하여 달성되었습니다. 이 기술의 상업화는 잘 진행되고 있지만 처리량, 효율성, 해상도 및 재료 선택면에서 최적의 인쇄 성능을 실현하는 데는 여전히 어려움이 있습니다. 추가 모델링 작업은 인쇄 과정 중 과도 열 영향을 정량화하고, 메니스커스 동작뿐만 아니라 인쇄된 부품의 품질을 평가하는 데 초점을 맞출 것입니다.
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STI C&D 에서 공급하는 CFD 프로그램은 미국 Flow Science 에서 개발된 FLOW-3D solver 를 기반으로 한 매우 강력하고 정확한 열유동 수치해석 프로그램 입니다. 귀하의 업무에 적합한 제품군을 찾거나 문의사항이 있으시면 당사의 솔루션사업부 담당자에게 문의 주시기 바랍니다.
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FLOW DEM은 FLOW-3D의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법)공법인 입자의 거동을 분석해주는 모듈입니다. 유체 부분은 FLOW-3D 분석 기능을 사용하기 때문에 유체 및 입자거동의 연성해석을 고정밀도 및 효율적으로 분석할 수 있습니다.
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 :
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Development and use of simulation in the Design of Blown Cores and Moulds
아래는 당사의 적층 제조 및 용접 참고 문헌에 수록된 기술 문서 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D AM 결과가 나와 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하여 적층 제조, 레이저 용접 및 기타 용접 기술에 있는 프로세스를 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아봅니다.
Additive Manufacturing & Welding Bibliography
Below is a collection of technical papers in our Additive Manufacturing and Welding Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D AM results. Learn more about how FLOW-3D AM can be used to successfully simulate the processes found in Additive Manufacturing, Laser Welding, and other welding technologies.
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적층 가공법은 3D프린팅이라고도 하며, 일반적으로 분말 또는 와이어를 층별로 적층제조하는 방법입니다. 금속기반 적층제조공정에 대한 관심이 지난 몇년간 크게 높아졌습니다. 오늘날 사용되는 3개의 주요 금속 적층 제조 공정은 파우더 베드 융접(PBF), 직접 에너지 증착(DED) 및 바인더 분사 공정입니다. FLOW-3D는 이러한 각 프로세스에 대해 고유한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다
파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서는 레이저나 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF의 분말 형태와 DED공정의 분말 또는 와이어 형태의 금속은 완전히 용해되고 함께 융합되어 층별 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 분사에서, 결합제 역할을 하는 수지는 금속 분말에 선택적으로 침전되어 층별로 부품을 형성합니다. 이들 부품은 더 나은 밀도를 얻기 위해 중앙에 배치됩니다.
FLOW-3D의 자유 표면 추적 알고리즘과 물리적 모델은 이러한 각 프로세스를 매우 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 퓨전(L-LPF)모델링 단계에 대해서는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 프로세스에 대한 개념 증명 시뮬레이션도 몇 가지 보여줍니다.
Laser-powder bed fusion processes
L-PBF 공정은 유체 유동, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리 현상을 포함하며, 이는 공정 및 궁극적으로 품질에 영향을 미칩니다. FLOW-3D의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하면서, 입자 크기 분포 및 충진 분율을 고려하여 메소 스케일에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.
FLOW-3D의 추가 모듈인 DEM및 WELD는 전체 파우더 베드 융접 프로세스를 시뮬레이션하는데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 적층, 분말 용융 및 응고 및이어서 이전에 응고 된 층 상에 새로운 분말을 놓고 새로운 층을 이전 층에 다시 융해 및 융합시키는 단계입니다. FLOW-3D는 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.
Powder bed laying process
FLOW-3D와 통합된 DEM모듈을 사용하면 다음과 같이 입자의 랜덤화된 분포를 삭제하고 포장하여 파우더 베드 배치 프로세스를 아래 영상처럼 시뮬레이션 할 수 있습니다.
One way to achieve different powder bed compactions is to choose different particle size distributions while laying the bed. As seen below, there are three different sized particle size distributions, which result in varying powder bed compactions with Case 2 giving the highest compaction.
입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 객체 상호 작용은 DEM 모듈을 사용하여 자세히 분석할 수 있습니다. 또한 입자 간 힘을 특정하여 분말을 넓게 펴서 뿌리는 현상에 대한 응용을 보다 정확하게 연구할 수도 있습니다.
FLOW-3D 시뮬레이션은 DEM 모델을 사용하여, 회전하는 원통형 롤러로 인해 퍼지는 분말을 해석한 결과입니다. 영상의 시작 부분에서는 분말 저장소가 아래로 이동하는 반면, 빌드 플랫폼은 위쪽으로 이동합니다. 그 직후 롤러는 초기 위치에 따라 컬러 분말 입자를 빌드 플랫폼으로 분산시켜 다음 층의 용해 및 제작을 준비합니다. 그러한 시뮬레이션은 탱크에서 빌드 플랫폼으로 전달되는 분말 입자의 바람직한 크기에 대해 예측할 수 있습니다.
Powder bed melting
파우더 베드를 배치한 후에는 FLOW-3D 에 레이저 빔 프로세스 매개 변수를 지정하여 고 밀도의 용융지 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 온도, 속도, 고상 분율, 온도 구배 및 응고 속도에 대한 그림을 자세히 분석할 수 있습니다
Melt pool analysis of the powder bed under a laser power output of 200W, scan speed of 3.0m/s and a spot radius of 100μm.
용해 풀이 굳으면 FLOW-3D 압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 데이터를 가져와 응력 등고선 및 변위 프로필을 분석할 수 있습니다.
Multi-layer additive manufacturing
첫번째 용해 층이 굳으면 두번째 입자 층이 응고된 베드에 쌓입니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 프로세스 파라미터를 지정함으로써, 용해지 시뮬레이션을 다시 수행할 수 있습니다. 이 과정을 여러 번 반복하여 연속적으로 형성된 층 사이의 결합을 평가할 수 있습니다.
Binder jetting
바인더 분사 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을 받는 파우더 베드의 바인더 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미친다.
Direct energy deposition
FLOW-3D의 Particle 모델을 사용하여 직접 에너지 증착 공정을 시뮬레이션 할 수도 있습니다. 고체 기판에 분말 주입 속도와 열유속 입사를 지정함으로써, 고체 입자는 용융지를 통해 질량, 추진력 및 에너지를 추가할 수 있습니다. 다음 동영상에서는 용융지을 통해 고체 금속 입자가 주입되고 이어서 기판에 용융지를 응고시키는 과정이 관찰됩니다.
적층 제조법은 3D프린팅이라고도 하며, 일반적으로 분말 또는 와이어를 층별로 적층제조하는 방법입니다. 금속기반 적층제조공정에 대한 관심이 지난 몇년간 크게 높아졌습니다. 오늘날 사용되는 3개의 주요 금속 적층 제조 공정은 파우더 베드 융접(PBF), 직접 에너지 증착(DED) 및 바인더 분사 공정입니다. FLOW-3D는 이러한 각 프로세스에 대해 높은 정확도의 시뮬레이션 기능을 제공합니다
파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서는 레이저나 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF의 분말 형태와 DED공정의 분말 또는 와이어 형태의 금속은 완전히 용해되고 함께 융합되어 층별 부품을 형성합니다. 그러나, 결합제 분사에서, 결합제로서 작용하는 수지는 금속 분말 위에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다.그런 다음 이러한 부품을 소결하여 밀도를 높이게 됩니다.
FLOW-3D의 자유 표면 추적 알고리즘과 물리적 모델은 이러한 각 프로세스를 매우 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 퓨전(L-LPF)모델링 단계에 대해서는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 프로세스에 대한 개념 증명 시뮬레이션도 몇 가지 보여줍니다.
Laser-powder bed fusion processes
L-PBF 공정은 유체 유동, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리 현상을 포함하며, 이는 공정 및 궁극적으로 품질에 영향을 미칩니다. FLOW-3D의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하면서, 입자 크기 분포 및 충진 분율을 고려하여 메소 스케일에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.
FLOW-3D의 추가 모듈인 DEM및 WELD는 전체 파우더 베드 융접 프로세스를 시뮬레이션하는데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 적층, 분말 용융 및 응고 및이어서 이전에 응고 된 층 상에 새로운 분말을 놓고 새로운 층을 이전 층에 다시 융해 및 융합시키는 단계입니다. FLOW-3D는 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.
Powder bed laying process
FLOW-3D와 통합된 DEM모듈을 사용하면 다음과 같이 입자의 랜덤화된 분포를 삭제하고 포장하여 파우더 베드 배치 프로세스를 아래 영상처럼 시뮬레이션 할 수 있습니다.
One way to achieve different powder bed compactions is to choose different particle size distributions while laying the bed. As seen below, there are three different sized particle size distributions, which result in varying powder bed compactions with Case 2 giving the highest compaction.
입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 객체 상호 작용은 DEM 모듈을 사용하여 자세히 분석할 수 있습니다. 또한 입자 간 힘을 특정하여 분말을 넓게 펴서 뿌리는 현상에 대한 응용을 보다 정확하게 연구할 수도 있습니다.
FLOW-3D 시뮬레이션은 DEM 모델을 사용하여, 회전하는 원통형 롤러로 인해 퍼지는 분말을 해석한 결과입니다. 비디오의 시작 부분에서는 분말 저장소가 아래로 이동하는 반면, 빌드 플랫폼은 위쪽으로 이동합니다. 그 직후 롤러는 초기 위치에 따라 컬러 분말 입자를 빌드 플랫폼으로 분산시켜 다음 층의 용해 및 제작을 준비합니다. 그러한 시뮬레이션은 탱크에서 빌드 플랫폼으로 전달되는 분말 입자의 바람직한 크기에 대한 예측할 수 있습니다.
Powder bed melting
파우더 베드를 배치한 후에는 FLOW-3D WELD에 레이저 빔 프로세스 매개 변수를 지정하여 고 밀도의 용융 풀 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 온도, 속도, 고상 분율, 온도 구배 및 응고 속도에 대한 그림을 자세히 분석할 수 있습니다
Melt pool analysis of the powder bed under a laser power output of 200W, scan speed of 3.0m/s and a spot radius of 100μm.
용해 풀이 굳으면 FLOW-3D 압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 데이터를 가져와 응력 등고선 및 변위 프로필을 분석할 수 있습니다.
Multi-layer additive manufacturing
첫번째 용해 층이 굳으면 두번째 입자 층이 응고된 베드에 쌓입니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 프로세스 파라미터를 지정함으로써, 용해 풀 시뮬레이션을 다시 수행할 수 있습니다. 이 과정을 여러 번 반복하여 연속적으로 형성된 층 사이의 결합을 평가할 수 있습니다.
Binder jetting
바인더 분사 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을 받는 파우더 베드의 바인더 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미친다.
Direct energy deposition
FLOW-3D의 Particle 모델을 사용하여 직접 에너지 축적 프로세스를 시뮬레이션 할 수도 있습니다. 고체 기판에 분말 주입 속도와 열유속 입사를 지정함으로써, 고체 입자는 용융풀을 통해 질량, 추진력 및 에너지를 추가할 수 있습니다. 다음 동영상에서는 용융풀을 통해 고체 금속 입자가 주입되고 이어서 기판에 용융풀응 응고시키는 과정이 관찰됩니다.
STI C&D 에서 공급하는 CFD 프로그램은 미국 Flow Science 에서 개발된 FLOW-3D solver 를 기반으로 한 매우 강력하고 정확한 열유동 수치해석 프로그램 입니다. 귀하의 업무에 적합한 제품군을 찾고자 하시면 당사의 솔루션팀으로 문의 주시기 바랍니다.
FLOW-3D 는 유체의 동적 거동을 연구하는 개발 및 설계 엔지니어에게 꼭 필요한 유동 시뮬레이션 솔루션을 제공합니다. FLOW-3D는 1, 2, 3차원의 자유 표면 해석, 시간에 따른 유체의 유동해석, 제한된 유체의 흐름, 정상 상태의 문제들을 완벽하게 해결 할 수 있습니다.
FLOW-3D HPC 는 흔히 슈퍼컴퓨터 또는 클러스터 컴퓨터를 이용하여 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)을 할 수 있는 제품으로 대규모 또는 장시간 계산이 필요한 문제를 효과적으로 해결할 수 있도록 뛰어난 성능을 제공합니다. FLOW-3D HPC 는 초대형 컴퓨팅 시스템부터 조립 클러스터까지 쉽게 고성능 컴퓨팅 클러스터를 활용할 수 있습니다.
FLOW-3D/CAST 는 금속 주조 공정 시뮬레이션을 위해 특별히 설계된 FLOW-3D의 특별 버전입니다. 본 제품은 FLOW-3D의 강력한 해석기능을 주조분야 설계자가 쉽게 사용할 수 있는 쉬운 인터페이스를 제공합니다.
FLOW Weld 는 용접 해석에 필요한 모델을 FLOW-3D 에 추가하는 추가 모듈입니다. FLOW-3D 표면 장력 자유 표면 분석, 용융 · 응고 · 증발 상 변화 모델 등의 기본 기능을 응용하여 각종 용접 현상을 분석 할 수 있습니다.
FLOW-3D AM 은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을위한 수지 침투 및 확산에 대한 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.
FSAI는 유체-구조 연성해석을 쉽게 할 수 있는 프로그램으로 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.
FLOW-3D는 자유표면을 갖는 3차원 열유동 해석분야에서 가장 널리 사용되는 전산유체역학(CFD) 소프트웨어입니다.
규모의 크기에 제한 받지 않고 물리적 유동현상에 대한 3차원 해를 얻기 위해 유체의 운동방정식의 해를 구하는 특별히 개발된 수치기법을 이용하고 있습니다. 일련의 물리 및 수치적 선택을 통해 다양한 종류의 유체유동 및 열전달 현상에 FLOW-3D를 적용할 수 있습니다. 유체운동은 비선형, 과도형의 2차 미분방정식으로 기술됩니다.
유체 운동방정식을 풀기 위해 이용되어야 하는 방법을 개발하는 과학을 전산유체역학(computational fluid dynamics) 이라고 부릅니다. 이런 방정식들의 수치해는 대수표현식을 갖는 각 항들을 근사하여 계산하게 됩니다. 이렇게 얻어진 방정식들은 원래 방정식의 근사해를 계산하는데, 이 과정을 (전산)모사라고 부르며, 본 이론 설명서에는 FLOW-3D에서 이용하는 수치해석 알고리즘에 대한 내용이 기술되어 있습니다.
Numerical Approximations 수치근사 Scalar Advection 스칼라 이류 압축성 연속방정식(10.1), 유체분율 방정식(10.19), 내부에너지 방정식(10.21), 그리고 난류에너지 와 소산 방정식 (10.270) 와(10.275) ... 더 보기
본 자료는 국내 FLOW-3D 사용자를 위해 미국 FSI의 FLOW-3D 메뉴얼을 번역한 이론에 대한 설명자료 입니다. 따라서 원 저작자의 저작권 라이센스가 있습니다. 본 번역물은 Flow Science, Inc.의 모든 권리를 준수합니다. 본 저작물에 대한 임의 배포는 금지합니다. FLOW-3D and TruVOF are registered trademarks in the USA and other countries.
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다음은 Microfluidics Bibliography의 기술 문서 모음입니다.
이 모든 논문은 FLOW-3D 결과를 특징으로 합니다. 미세 유체 공정 및 장치 를 성공적으로 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D 를 사용 하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오 .
Below is a collection of technical papers in our Microfluidics Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate microfluidic processes and devices.
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다음은 연안 및 해양 분야의 기술 문서 모음입니다.
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Coastal & Maritime Bibliography
Below is a collection of technical papers in our Coastal & Maritime Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate Coastal & Maritime applications.
51-20 Yupeng Ren, Xingbei Xu, Guohui Xu, Zhiqin Liu, Measurement and calculation of particle trajectory of liquefied soil under wave action, Applied Ocean Research, 101; 102202, 2020. doi.org/10.1016/j.apor.2020.102202
50-20 C.C. Battiston, F.A. Bombardelli, E.B.C. Schettini, M.G. Marques, Mean flow and turbulence statistics through a sluice gate in a navigation lock system: A numerical study, European Journal of Mechanics – B/Fluids, 84; pp.155-163, 2020. doi.org/10.1016/j.euromechflu.2020.06.003
49-20 Ahmad Fitriadhy, Nur Amira Adam, Nurul Aqilah Mansor, Mohammad Fadhli Ahmad, Ahmad Jusoh, Noraieni Hj. Mokhtar, Mohd Sofiyan Sulaiman, CFD investigation into the effect of heave plate on vertical motion responses of a floating jetty, CFD Letters, 12.5; pp. 24-35, 2020. doi.org/10.37934/cfdl.12.5.2435
36-20 Mohammadamin Torabi, Bruce Savage, Efficiency improvement of a novel submerged oscillating water column (SOWC) energy harvester, Proceedings, World Environmental and Water Resources Congress (Cancelled), Henderson, Nevada, May 17–21, 2020. doi.org/10.1061/9780784482940.003
32-20 Adriano Henrique Tognato, Modelagem CFD da interação entre hidrodinâmica costeira e quebra-mar submerso: estudo de caso da Ponta da Praia em Santos, SP (CFD modeling of interaction between sea waves and submerged breakwater at Ponta de Praia – Santos, SP: a case study, Thesis, Universidad Estadual de Campinas, Campinas, Brazil, 2020.
23-20 Qi Yang, Peng Yu, Yifan Liu, Hongjun Liu, Peng Zhang and Quandi Wang, Scour characteristics of an offshore umbrella suction anchor foundation under the combined actions of waves and currents, Ocean Engineering, 202, art. no. 106701, 2020. doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.106701
104-19 A. Fitriadhy, S.F. Abdullah, M. Hairil, M.F. Ahmad and A. Jusoh, Optimized modelling on lateral separation of twin pontoon-net floating breakwater, Journal of Mechanical Engineering and Sciences, 13.4, pp. 5764-5779, 2019. doi.org/10.15282/jmes.13.4.2019.04.0460
103-19 Ahmad Fitriadhy, Nurul Aqilah Mansor, Nur Adlina Aldin and Adi Maimun, CFD analysis on course stability of an asymmetrical bridle towline model of a towed ship, CFD Letters, 11.12, pp. 43-52, 2019.
90-19 Eric P. Lemont and Karthik Ramaswamy, Computational fluid dynamics in coastal engineering: Verification of a breakwater design in the Torres Strait, Proceedings, pp. 762-768, Australian Coasts and Ports 2019 Conference, Hobart, Australia, September 10-13, 2019.
86-19 Mohammed Arab Fatiha, Benoît Augier, François Deniset, Pascal Casari, and Jacques André Astolfi, Morphing hydrofoil model driven by compliant composite structure and internal pressure, Journal of Marine Science and Engineering, 7:423, 2019. doi.org/10.3390/jmse7120423
83-19 Cong-Uy Nguyen, So-Young Lee, Thanh-Canh Huynh, Heon-Tae Kim, and Jeong-Tae Kim, Vibration characteristics of offshore wind turbine tower with gravity-based foundation under wave excitation, Smart Structures and Systems, 23:5, pp. 405-420, 2019. doi.org/10.12989/sss.2019.23.5.405
68-19 B.W. Lee and C. Lee, Development of an equation for ship wave crests in a current in whole water depths, Proceedings, 10th International Conference on Asian and Pacific Coasts (APAC 2019), Hanoi, Vietnam, September 25-28, 2019; pp. 207-212, 2019. doi.org/10.1007/978-981-15-0291-0_29
62-19 Byeong Wook Lee and Changhoon Lee, Equation for ship wave crests in the entire range of water depths, Coastal Engineering, 153:103542, 2019. doi.org/10.1016/j.coastaleng.2019.103542
23-19 Mariano Buccino, Mohammad Daliri, Fabio Dentale, Angela Di Leo, and Mario Calabrese, CFD experiments on a low crested sloping top caisson breakwater, Part 1: Nature of loadings and global stability, Ocean Engineering, Vol. 182, pp. 259-282, 2019. doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.04.017
21-19 Mahsa Ghazian Arabi, Deniz Velioglu Sogut, Ali Khosronejad, Ahmet C. Yalciner, and Ali Farhadzadeh, A numerical and experimental study of local hydrodynamics due to interactions between a solitary wave and an impervious structure, Coastal Engineering, Vol. 147, pp. 43-62, 2019. doi.org/10.1016/j.coastaleng.2019.02.004
15-19 Chencong Liao, Jinjian Chen, and Yizhou Zhang, Accumulation of pore water pressure in a homogeneous sandy seabed around a rocking mono-pile subjected to wave loads, Vol. 173, pp. 810-822, 2019. doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.12.072
09-19 Yaoyong Chen, Guoxu Niu, and Yuliang Ma, Study on hydrodynamics of a new comb-type floating breakwater fixed on the water surface, 2018 International Symposium on Architecture Research Frontiers and Ecological Environment (ARFEE 2018), Wuhan, China, December 14-16, 2018, E3S Web of Conferences Vol. 79, Art. No. 02003, 2019. doi.org/10.1051/e3sconf/20197902003
08-19 Hongda Shi, Zhi Han, and Chenyu Zhao, Numerical study on the optimization design of the conical bottom heaving buoy convertor, Ocean Engineering, Vol. 173, pp. 235-243, 2019. doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.12.061
06-19 S. Hemavathi, R. Manjula and N. Ponmani, Numerical modelling and experimental investigation on the effect of wave attenuation due to coastal vegetation, Proceedings of the Fourth International Conference in Ocean Engineering (ICOE2018), Vol. 2, pp. 99-110, 2019. doi.org/10.1007/978-981-13-3134-3_9
87-18 Muhammad Syazwan Bazli, Omar Yaakob and Kang Hooi Siang, Validation study of u-oscillating water column device using computational fluid dynamic (CFD) simulation, 11thInternational Conference on Marine Technology, Kuala Lumpur, Malaysia, August 13-14, 2018.
86-18 Nur Adlina Aldin, Ahmad Fitriadhy, Nurul Aqilah Mansor, and Adi Maimun, CFD analysis on unsteady yaw motion characteristic of a towed ship, 11th International Conference on Marine Technology, Kuala Lumpur, Malaysia, August 13-14, 2018.
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69-18 Keisuke Yoshida, Shiro Maeno, Tomihiro Iiboshi and Daisuke Araki, Estimation of hydrodynamic forces acting on concrete blocks of toe protection works for coastal dikes by tsunami overflows, Applied Ocean Research, Vol. 80, pp. 181-196, 2018. doi.org/10.1016/j.apor.2018.09.001
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37-18 Songsen Xu, Chunshuo Jiao, Meng Ning and Sheng Dong, Analysis of Buoyancy Module Auxiliary Installation Technology Based on Numerical Simulation, Journal of Ocean University of China, vol. 17, no. 2, pp. 267-280, 2018. doi.org/10.1007/s11802-018-3305-4
36-18 Deniz Velioglu Sogut and Ahmet Cevdet Yalciner, Performance comparison of NAMI DANCE and FLOW-3D® models in tsunami propagation, inundation and currents using NTHMP benchmark problems, Pure and Applied Geophysics, pp. 1-39, 2018. doi.org/10.1007/s00024-018-1907-9
26-18 Mohammad Sarfaraz and Ali Pak, Numerical investigation of the stability of armour units in low-crested breakwaters using combined SPH–Polyhedral DEM method, Journal of Fluids and Structures, vol. 81, pp. 14-35, 2018. doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2018.04.016
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56-17 Yu-Shu Kuo, Chih-Yin Chung, Shih-Chun Hsiao and Yu-Kai Wang, Hydrodynamic characteristics of Oscillating Water Column caisson breakwaters, Renewable Energy, vol. 103, pp. 439-447, 2017. doi.org/10.1016/j.renene.2016.11.028
45-17 Muhammad Aldhiansyah Rifqi Fauzi, Haryo Dwito Armono, Mahmud Mustain and Aniendhita Rizki Amalia, Comparison Study of Various Type Artificial Reef Performance in Reducing Wave Height, Regional Conference in Civil Engineering (RCCE) 430 The Third International Conference on Civil Engineering Research (ICCER) August 1st-2nd 2017, Surabaya – Indonesia.
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본 자료는 국내 사용자들의 편의를 위해 원문 번역을 해서 제공하기 때문에 일부 오역이 있을 수 있어서 원문과 함께 수록합니다. 자료를 이용하실 때 참고하시기 바랍니다.
Rectangular Grids
Useful Extensions to Rectangular Gridding
Most techniques for doing computational fluid dynamics rely on the subdivision of space into a grid of discrete volume elements in which average values of flow variables can be defined. The simplest kind of grid is one composed of rectangular elements defined by a set of planes perpendicular to each of the coordinate axes (x,y,z). The spacing between parallel planes may be constant or variable. The former is often referred to as a “uniform” rectangular grid, while the latter is a “non-uniform” rectangular grid.
사각형 격자의 유용한 확장
전산 유체 역학 기법의 대부분은 공간을 세분화하여 흐름 변수의 평균 값을 정의 할 수있는 이산화된 체적 요소의 격자 수에 의존하고 있습니다. 가장 간단한 격자는 각 좌표축 (x, y, z)에 수직인 일련의 평면에 의해 정의되는 사각형 요소로 구성되어 있는 것입니다. 평행하는 평면 사이의 간격은 일정한 경우와 가변의 경우가 있습니다. 많은 경우, 전자를 “균일”사각형 격자라고 부르며, 후자를 “불균일”사각형 격자라고합니다.
Why are Rectangular Grids Simple?
Rectangular grids are simple because they are very easy to generate. It is only necessary to define the beginning and ending coordinate of the grid in each coordinate direction, and in the spacing between the planes subdividing the space to be modeled.
사각형 격자가 간단한 이유
사각형 격자가 간단한 것은 매우 쉽게 생성 할 수 있기 때문입니다. 필요한 것은 좌표 방향에 따라 그리고 모델링 대상의 공간을 세분화하고 있는 평면 사이에서 격자의 시작 좌표와 끝 좌표를 정의하는 것 뿐 입니다.
Pros and Cons of Rectangular Grids
As with any gridding system, there are pros and cons to contend with (see, for example, Free Gridding Saves Time). One pro for rectangular grids is that the amount of information to be stored for describing the grid is minimal. A con is that a region to be modeled may not fit into a rectangular region. For example, think of a bird’s eye view of a winding river, which when set in a rectangular region, may only occupy a small portion of the area of the rectangle. In such a case, most of the grid elements lie outside the river and would be a computational burden.
사각형 격자의 장점과 단점
어떤 격자 생성 시스템에서도 마찬가지이지만 해결해야 할 장단점이 있습니다 ( ” Free Gridding Saves Time “참조). 사각형 격자의 장점 중 하나는 격자를 설명하기 위해 저장되는 정보량을 최소화하는 것입니다. 단점은 모델링 대상의 영역이 사각형 영역에 들어 가지 않는 경우가 있는 것입니다. 예를 들어, 구불 구불한 강 조감도에 대해 생각하면, 직사각형 영역으로 설정 한 경우, 직사각형의 아주 작은 부분만을 차지하게되는 경우가 있습니다. 이러한 경우에는 격자의 대부분의 요소가 강 바깥에 존재하고 계산에서 부담으로 작용합니다.
Difference Equations are Simpler
Another pro for a rectangular grid is that difference equations are generally simpler than they are in a non-rectangular grid. For instance, in three dimensions an approximation to the Navier-Stokes equation for the velocity in an element need only involve the six adjacent elements, that is, two neighbors in each of three coordinate directions. In contrast, a non-rectangular grid typically requires a coupling to all the surrounding elements in a 3x3x3=27 array surrounding the central element.
차분 방정식의 단순화
사각형 격자의 또 다른 장점은 일반적으로 사각형이 아닌 격자에 비해 차분 방정식이 간단하다는 것입니다. 예를 들어, 3 차원에서는 요소의 속도에 관한 나비에 – 스토크스 방정식의 근사에 필요한 것은 인접한 6 개의 요소, 즉 3 개의 좌표 각각의 방향에있는 2 개의 이웃 요소만 포함하면됩니다. 이에 대해 사각형이 아닌 격자의 경우, 중심 요소를 둘러싸는 3x3x3 = 27의 배열에 있는 모든 주변 요소에 결합해야합니다.
Numerical Accuracy is Best When Grid Elements are Uniform
As a general rule, numerical accuracy associated with finite difference equations is best when grid elements are uniform. This is because numerical approximations to partial differential equations, by definition, involve the rate of change of spatial and temporal values of physical quantities. Evaluating the change between values of quantities on either side of an element is most accurate when the elements are uniform because higher order terms will then, as a rule, cancel by symmetry. When non-uniform grid elements are used, more complicated numerical approximations are usually needed to preserve accuracy (see the Appendix for an example).
수치적 정확도는 격자 요소가 균일한 경우가 최적의 상태
일반적으로 격자 요소가 균일 한 때 유한 차분 방정식에 관련된 수치적 정확도가 최적의 상태로됩니다. 이것은 편미분 방정식의 수치 근사 정의에 의해 물리량의 공간과 임시값의 변화율이 관계되기 때문입니다. 하나의 요소 양쪽의 양 사이의 값의 변화를 평가하는 요소가 균일 한 때 가장 정확도가 높아집니다. 이것은 높은값 다음 항목은 일반적으로 대칭에 의해 상쇄되기 때문입니다. 균일 격자 요소를 사용하면 정확도를 유지하기 위해서는 일반적으로 더 복잡한 수치 근사가 필요합니다 (부록 참조).
Weighing the Pros and Cons of Rectangular Grids
By weighing the pros and cons it can be seen that simple rectangular grids have many good properties, but the limitations they have for accommodating complex geometric shapes can limit their usefulness. In the remainder of this article, several conceptually simple techniques are described that greatly extend the usefulness of rectangular grids without sacrificing their good properties. For simplicity of presentation only two-dimensional situations will be described, however, the extension to three-dimensions is completely straightforward.
사각형 격자의 장단점 비교 검토
장단점을 비교 검토해보면 간단한 직사각형 격자에 우수한 특성이 많은 것을 알 수 있을 것입니다. 그러나 복잡한 기하학적 형상에 대응하기 위해 부과되는 제한으로 인해 유용성이 제한 될 수 있습니다. 이 책의 나머지 부분에서는 우수한 특성을 희생하지 않고 사각형 격자의 유용성을 크게 확대하기위한 개념적으로 간단한 기법들을 설명합니다. 알기 쉽게하기 위해 2차원의 경우만 설명하고 있지만, 3차원으로의 확장도 매우 간단합니다.
Notation for Rectangular Grids
In a rectangular (2D) grid, the elements are typically labeled by integers i and j in the x and y coordinate directions, respectively. An element (i,j) has principal neighbors (i-1,j), (i+1,j), (i,j-1) and (i,j+1). Physical properties in a cell are stored as values of two-dimensional arrays such as p(i,j) for the pressure of element (i,j). When programming difference equations, the use of repeated indexed arrays requires the compiler to perform the index shifts, e.g., i+1 or j-1, as arithmetic operations in order to evaluate the memory locations of these quantities.
To save computational time it is useful to replace multiple-indexed quantities by single-indexed arrays. Multiple array locations are computed only once at the beginning of a string of computations, for instance, the notation ipj=i+1,j or ijm=i,j-1 are short, simple and easy to read single indices. They are easy to read by remembering that ip means i plus 1 and jm means j minus 1, etc. Thus, a double-indexed quantity P(i+1,j-1) would be replaced by the single-indexed quantity P(ipjm), and so forth. Not only is this notation easy to use and saves computational time, it will be seen below that it has another very useful property.
사각형 격자의 표기법
직사각형 (2D) 격자 요소에는 일반적으로 x와 y 좌표 방향에 대해 각각 정수 i와 j의 라벨을 붙일 수 있습니다. 요소 (i, j)의 주요 인접 요소는 (i-1, j) (i + 1, j), (i, j-1) (i, j + 1)입니다. 셀의 물리적 특성은 2 차원 배열의 값으로 저장됩니다. 예를 들어, 요소 (i, j)의 압력은 p (i, j)입니다. 차분 방정식을 프로그래밍할 때 인덱스 배열을 반복 사용하는 경우는 이러한 양의 메모리 위치를 구하기 위해 산술로 i + 1과 j-1과 같은 인덱스 변화를 컴파일러에서 실행해야 할 수 있습니다.
계산 시간을 단축하기 위해 여러 인덱스 양을 단일 인덱싱 된 배열로 대체하면 편리합니다. 여러 배열 위치는 인스턴스 계산의 처음 한 번만 계산됩니다. 예를 들어, ipj = i + 1, j와 ijm = i, j-1 등의 표기는 짧고 간단하고 읽기 쉬운 단일 인덱스입니다. 이들은 ip가 i 플러스 1을 의미하고 jm이 j 마이너스 1을 의미하는 것 등을 기억해두면 쉽게 읽을 수 있습니다. 이처럼 이중 인덱스 첨부의 양 P (i + 1, j-1)은 단일 인덱스의 양 P (ipjm)로 대체되며 기타의 경우도 마찬가지 입니다. 이 표기법은 사용하기 쉽고, 계산 시간을 단축 할 뿐만 아니라 아래에서 보는 것과 같이 매우 유용한 특성을 가지고 있습니다.
Multiple Grid Blocks
A good way to extend the usefulness of rectangular grids is to employ multiple rectangular grids that are coupled at their boundaries. There are two simple possibilities as illustrated in Fig. 1A and Fig. 1B. The linked blocks are connected by boundary conditions where the blocks are adjacent to one another. The nested blocks are superimposed on one another and use boundary conditions to couple the nested block to the containing block.
여러 격자 블록
사각형 격자의 유용성을 확장하는 좋은 방법은 경계에 결합되는 복수의 사각형 격자를 사용하는 것입니다. 그림 1A 및 그림 1B와 같이 간단한 방법은 두 가지 가능성이 있습니다. 연결 블록은 블록이 서로 인접하는 경계 조건에 의해 결합됩니다. 중첩 블록은 서로 겹쳐져 있는 경계 조건을 사용하여 중첩 측의 블록이 외부의 블록에 결합됩니다.
The simplest case has all the grid lines at block boundaries aligned, but this is not necessary provided an interpolation scheme is used to connect overlapping elements. The advantage of this type of grid enhancement is that numerical solver routines remain the same as what is used for a single grid block. Only boundary conditions coupling the blocks are new, and, any data connected to individual block must be updated when passing between blocks. Both of these requirements can be wrapped around the basic solver algorithms for a single block.
This multi-block capability greatly extends the usefulness of rectangular grids, as the linked-block feature allows for more extended geometric regions to be modeled with fewer grid elements. The nested-block feature is very useful for locally increasing the resolution of a simulation without having to endure the cost of simulating the finer resolution throughout the full region.
가장 간단한 경우에는 블록 경계 격자선이 모두 갖추어져 있지만 겹치는 요소를 보간법을 사용하여 결합하는 경우는 필요 없습니다. 이 유형의 격자 강화의 장점은 수치 해법 루틴이 단일 격자 블록에 사용되는 것과 동일한 것입니다. 블록을 결합하는 경계 조건만 새로하고, 개별 블록에 결합되어있는 데이터는 블록 사이를 왕래 할 때 업데이트해야 합니다. 이러한 요구 사항은 모두 단일 블록의 기본 해법 알고리즘에 추가 할 수 있습니다.
이 멀티 블록 기능은 사각형 격자의 유용성을 크게 확대합니다. 연결 차단 기능을 통해, 보다 광범위한 기하 영역을 적은 격자 요소로 모델링 할 수있게 되기 때문입니다. 중첩 블록 기능은 시뮬레이션의 해상도를 국소적으로 높이는데 매우 유용합니다. 높은 비용을 들여 전 영역에 걸쳐 높은 해상도로 시뮬레이션 할 필요가 없습니다.
Distributed Memory Parallelization
The multi-block feature also offers a natural way of domain decomposition for distributed memory parallelization. Updating of solution data at inter-block boundaries then requires an exchange of that data between compute nodes of the cluster using an interconnect.
분산 메모리 병렬 처리
멀티 블록 기능을 사용하면 분산 메모리 병렬 처리를위한 영역 분할을 자연적인 방법으로 할 수 있습니다. 그 후, 블록 간의 경계에서 계산 데이터를 업데이트하려면 클러스터의 계산 노드 간의 상호 연결을 사용하여 데이터를 교환해야합니다.
Unstructured Grid Blocks
A further generalization can be made that allows considerably more efficiency in the gridding of complex geometric regions. If the simple, rectangular ordering of elements is replaced by lists that define which elements are adjacent to one another, then all unneeded elements can be eliminated from the grid. This frees up memory and forces solver routines to simply run through a list of active grid elements, further saving computational time. A simple illustration of such an “unstructured” grid is illustrated in Fig. 2.
비 구조 격자 블록
좀 더 일반화함으로써 복잡한 기하 영역의 격자 생성의 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 요소의 단순한 직사각형 순서는 요소가 서로 인접하여 있는지를 정의하는 목록에 옮겨 놓으면 불필요한 요소는 모든 격자에서 제거 할 수 있습니다. 이에 따라 메모리가 해제되고 솔버 루틴은 유효한 격자 요소의 목록만 처리하면 되기 때문에 계산 시간은 더욱 단축됩니다. 이런 ‘비 구조”격자를 간단한 그림으로 그림 2에 나타냅니다.
Figure 2. Unstructured rectangular grid example.
Changing from a structured, rectangular grid, where neighboring elements have memory locations that are easy to compute, to an unstructured set of elements may seem at first sight to be a daunting task. However, using the single index notation described earlier where, for example, location (i, j+1) is replace by ijp, makes this transition quite easy. All that is necessary is to redefine the single-indexed values using the list of neighboring elements and then all solver algorithms and routines can be used without further changes.
구조화 사각형 격자는 인접하는 요소의 메모리 위치를 쉽게 계산할 수 있지만, 그때 비 구조 요소에 변경하는 것은보기 어려운 작업이라고 생각 될지도 모릅니다. 그러나, 앞에서 설명한 단일 인덱스 표기법을 사용하면, 예를 들어 (i, j + 1)라는 곳이 ijp로 대체하여 매우 쉽게 전환 할 수 있습니다. 필요한 것은 인접한 요소 목록을 사용하여 단일 인덱스 값을 재 정의하는 것뿐입니다. 그러면 솔버의 알고리즘과 루틴 모두 더 이상의 변경없이 사용할 수 있습니다.
As with any unstructured grid, additional storage is required to be able to quickly find neighbor cell indices and other mesh-related quantities. A two-way mapping of the structured and unstructured grids onto each other provides an efficient way to navigate the unstructured grid without using significant memory resources.
어떤 비 구조 격자에서도 마찬가지입니다 만, 인접 셀의 인덱스 및 기타 메쉬 관련 양을 신속하게 찾을 수 있도록 하려면 추가 스토리지가 필요합니다. 구조 격자와 비 구조 격자 사이의 양방향 매핑을 사용하면 대량의 메모리 리소스를 사용하지 않고, 비 구조 격자에 효율적으로 탐색 할 수 있습니다.
Other variations of this idea are easy to imagine. For instance, if more than one set of physical properties are required in a given element, because it contains some mixture of materials (e.g., both fluid and solid), then an additional element could be added to the element list that is defined at the same location. The coincident elements would be identified in a special list intended for processing mixed elements.
이 아이디어의 다른 변형은 쉽게 상상할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 요소에 물질이 혼합되어 포함되어 있기 때문에 (유체와 고체 등) 여러 물리적 특성이 필요한 경우에는 같은 장소에서 정의 된 다른 요소를 요소 목록에 추가 할 수 있습니다. 일치하는 요소는 혼합 요소의 처리를 목적으로하는 특수 목록에서 식별됩니다.
Summary of the Simplest Gridding System
A short discussion has been given of what might be viewed as an evolutionary development of the simplest gridding system, a rectangular grid. Several stages of relatively easy adaptations are outlined as a means of addressing the demands for more sophisticated simulations while maintaining the many advantages of the original simple grid system.
가장 간단한 격자 시스템 정리
가장 간단한 격자 생성 시스템의 진화적 발전 형으로 간주 될 것이다 직사각형 격자 대해 여기까지 간단하게 설명했습니다. 원래 간단한 격자 시스템의 많은 장점을 유지하면서 보다 정교한시뮬레이션을 요구를 해결하기 위한 수단으로 여러 단계의 비교적 쉽게 적응하는 방법의 개요가 기술되어 있습니다.
Appendix: Illustration of Accuracy Considerations for Non-Uniform Grids
The following account has been adapted from the paper “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries,” by C.W. Hirt and B.D. Nichols, J. Comp. Phys. 39, 201 (1981).
다음 설명은 C.W. Hirt 및 B.D.의 “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries,” 논문에서 채택되었습니다. Nichols, J. Comp. Phys. 39, 201 (1981).
A simple illustration of the difficulties that can occur in non-uniform grids is given by numerically approximating the term for advection of momentum of an incompressible fluid, which in divergence form is ∇•uu. The constant density of the fluid has been divided out from this expression.
불균일 그리드에서 발생할 수있는 어려움에 대한 간단한 설명은 비압축성 유체의 운동량 이류 항을 수치 적으로 근사화하여 제공되며, 발산 형태는 ∇•uu입니다. 유체의 일정한 밀도는이 표현에서 분리되었습니다.
In one dimension this term is
Here u is the fluid velocity in the x-direction. The divergence form is usually desirable because it is a simple way to insure a conservation of momentum. This may be seen by considering the control volume used for the discrete value of u located at the boundary between two grid elements as shown in Fig. A1 by the dashed lines. Placing the velocity at the boundary between two elements is referred to as the staggered grid arrangement often used for incompressible flow modeling.
여기서 u는 x 방향의 유체 속도입니다. 발산 형태는 운동량 보존을 보장하는 간단한 방법이기 때문에 일반적으로 바람직합니다. 이는 그림 A1에서 점선으로 표시된 두 그리드 요소 사이의 경계에 있는 u의 이산 값에 사용되는 제어 볼륨을 고려하여 볼 수 있습니다. 두 요소 사이의 경계에 속도를 배치하는 것을 비압축성 흐름 모델링에 자주 사용되는 엇갈린 격자 배열이라고합니다.
Figure A1. Control volume (dashed rectangle) used for constructing a difference approximation for the u velocity at the boundary of an element.
In the divergence form, Gauss’ theorem may be used to convert the integrated values of the advective flux over the control volume to boundary fluxes at its sides. Then, the flux leaving one control volume will automatically be gained by the adjacent one and conservation during advection is guaranteed.
발산 형태에서 가우스 정리를 사용하여 제어 체적에 대한 능동 플럭스의 통합 값을 측면의 경계 플럭스로 변환 할 수 있습니다. 그런 다음 하나의 제어 볼륨을 떠나는 플럭스는 인접한 볼륨에 의해 자동으로 얻어지고 이류 중 보존이 보장됩니다.
However, conservation in a non-uniform grid, does not automatically imply accuracy. To see this, suppose an upstream or donor difference approximation is used to approximate the advective flux (assuming all u values are positive for simplicity), which is known to provide a conditionally stable algorithm,
The notation ui+1/2 stands for the velocity assigned to the right edge of the ith element.
그러나 균일하지 않은 그리드의 보존이 자동으로 정확도를 의미하지는 않습니다.이를 확인하기 위해 업스트림 또는 기증자 차이 근사를 사용하여 조건부 안정 알고리즘을 제공하는 것으로 알려진 전방 플럭스 (모든 u 값이 단순성을 위해 양수라고 가정)를 근사한다고 가정합니다.
표기법 ui + 1 / 2는 i 번째 요소의 오른쪽 가장자리에 할당 된 속도를 나타냅니다.
To check that this approximation is “consistent” with the original partial differential equation we expand all terms in the difference equation in a Taylor series about the location x=xi+1/2 where the u equation is evaluated (see Heuristic Analysis),
Clearly, the right side does not agree with the left side to order δx when the element sizes are not equal. In other words, the difference approximation is not “consistent” since it does not agree with the original differential expression at zeroth order. It may be noted that, if instead of the upstream or donor approximation, a centered value for the fluxed velocity had been used, then the approximation would be first-order accurate in a non-uniform grid, instead of second-order as it is in a uniform grid. In other words, what seems like a straightforward approximation is one order less accurate in a non-uniform grid than in one that is uniform.
이 근사가 원래 편미분 방정식과 “일치”하는지 확인하기 위해 u 방정식이 평가되는 위치 x = xi + 1 / 2에 대한 Taylor 시리즈의 차이 방정식의 모든 항을 확장합니다 (휴리스틱 분석 참조).
분명히 오른쪽은 요소 크기가 같지 않을 때 δx를 주문하는 왼쪽과 일치하지 않습니다. 즉, 차이 근사는 0 차에서 원래의 미분 표현과 일치하지 않기 때문에 “일관되지”않습니다. 상류 또는 기증자 근사 대신 유속에 대한 중심 값이 사용 된 경우 근사치는 2 차가 아닌 불균일 그리드에서 1 차 정확할 것입니다. 균일 한 그리드에서. 다시 말해서, 간단한 근사처럼 보이는 것은 균일하지 않은 그리드보다 균일하지 않은 그리드에서 1 차 덜 정확합니다.
It does not necessarily follow that non-uniform grids are always less accurate because they may allow for finer zoning in localized regions where flow variables are expected to vary most rapidly. Nevertheless, non-uniform grids must be used with care. It is best, for example, to allow for gradual variations in element sizes to minimize the reduction in approximation order. It is also worthwhile to look for other approximations that do not lose their accuracy in a non-uniform grid. In this regard, it should be observed that the reason the conservation form of the advection term is less accurate is because the control volume is not centered about the position where the u variable is located. To avoid losing one order of approximation, the numerical approximation should have been corrected to account for the difference in locations of the variable being updated and the centroid of its control volume.
유동 변수가 가장 빠르게 변할 것으로 예상되는 지역화 된 지역에서 더 미세한 구역화를 허용 할 수 있기 때문에 불균일 그리드가 항상 덜 정확하다는 것을 반드시 따르는 것은 아닙니다. 그럼에도 불구하고 균일하지 않은 그리드는 주의해서 사용해야합니다.
예를 들어, 근사 순서의 감소를 최소화하기 위해 요소 크기의 점진적인 변화를 허용하는 것이 가장 좋습니다. 균일하지 않은 그리드에서 정확도를 잃지 않는 다른 근사치를 찾는 것도 가치가 있습니다.
이와 관련하여, 이류 항의 보존 형태가 덜 정확한 이유는 제어 볼륨이 u 변수가 위치한 위치를 중심으로하지 않기 때문입니다. 하나의 근사 차수를 잃지 않으려면 업데이트되는 변수의 위치와 제어 볼륨의 중심의 차이를 고려하여 수치 근사를 수정해야합니다.
본 자료는 국내 사용자들의 편의를 위해 원문 번역을 해서 제공하기 때문에 일부 오역이 있을 수 있어서 원문과 함께 수록합니다. 자료를 이용하실 때 참고하시기 바랍니다.
Free Surface Fluid Flow
Fluid flow problems often involve free surfaces in complex geometry and in many cases are highly transient. Examples in hydraulics are flows over spillways, in rivers, around bridge pilings, flood overflows, flows in sluices, locks, and a host of other structures. A capability to computationally model these types of flows is attractive if such computations can be done accurately and with reasonable computational resources. To be useful, simulations should be much faster and less expensive than using physical models.
자유 표면 유체 흐름
유체 흐름 문제는 복잡한 기하학적 구조의 자유 표면과 관련되는 경우가 많으며 대부분 매우 일시적입니다. 수력학의 예로는 배수로, 강, 교각 주변, 홍수 범람, 수문, 잠금 장치 및 다수의 기타 구조물의 흐름이 있습니다. 이러한 유형의 흐름을 계산적으로 모델링 하는 능력은 이러한 계산이 정확하고 합리적인 계산 자원으로 수행될 수 있다면 매력적입니다. 유용하게 사용하려면 시뮬레이션은 물리적 모델을 사용하는 것보다 훨씬 빠르고 저렴해야 합니다.
Many computer programs can solve the partial differential equations describing the dynamics of fluids. Not many programs are capable of including free surfaces in their simulations. The difficulty is a classical mathematical one often referred to as the free-boundary problem. A free boundary poses the difficulty that on the one hand the solution region changes when its surface moves, and on the other hand, the motion of the surface is in turn determined by the solution. Changes in the solution region include not only changes in size and shape, but in some cases, may also include the coalescence and break up of regions (i.e., the loss and gain of free surfaces).
많은 컴퓨터 프로그램은 유체의 역학을 설명하는 편미분 방정식을 풀 수 있습니다. 시뮬레이션에 자유 표면을 포함 할 수있는 프로그램은 많지 않습니다. 그 이유는 Free Surface 경계 문제로 잘 알려진 수학적인 문제입니다. 자유 경계 문제는 다루기 어려운 표면이 이동함에 따라 계산 영역이 변화하는 한편, 그 표면 이동 자체가 계산에 의해 결정된다는 점에 있습니다. 계산 영역의 변화는 그 크기와 모양의 변화뿐만 아니라, 경우에 따라서는 영역의 결합과 분리(즉, 자유 표면의 발생과 소멸)을 포함합니다.
In this note a computational modeling technique for fluid flows with arbitrary free surfaces is discussed. The technique is based on the Volume-of-Fluid (VOF) technique. This technique has many unique properties that make it especially applicable to flows having free surfaces. The goal of this discussion is to show why the VOF approach offers a natural way to capture free surfaces and their evolution with great efficiency.
이 책에서는 모든 자유 표면을 고려한 유체흐름 현상을 수치 해석용으로 모델링하는 방법에 대해 설명합니다. 이 기술은 VOF (Volume-of-Fluid) 법에 근거한 것으로, 특히 자유 표면 흐름에 적합한 다양한 기능을 제공합니다. 이 책에서는 VOF 법이 자유 표면과 그 발생과 소멸을 해석하는데 가장 자연스럽고 매우 효율적인 방법을 제시합니다.
A good recommendation for the VOF method is to demonstrate its capabilities on a simple hydraulic flow problem, one that is far from trivial. The example selected is of flow over a step. This flow has conceptual simplicity and good experimental data available for validation (see N. Rajaratnam and M.R. Chamani, “Energy Loss at Drops,” J. Hydraulic Res. Vol. 33, p.373, 1995).
VOF 법의 특징을 잘 보여주기 위해 간단하지만 매우 중요한 유동 현상에 관한 문제를 다룹니다. 여기에서는 계단 낙차형상의 낙하류를 예로 들어 있습니다. 개념적으로 간단한 흐름인 동시에 결과의 타당성을 확인하기위한 좋은 실험 데이터도 제공되어 있습니다 (N. Rajaratnam and MR Chamani “Energy Loss at Drops”J. Hydraulic Res. Vol. 33 p.373,1995 참조).
Prototype Hydraulic Flow with Free Surfaces
Figure 1a shows the flow problem after it has reached a steady-state condition. The overflow (sheet of liquid or nappe) leaving the top of the step has both an upper and lower free surface. At the bottom of the overflow a pool has formed between the overflow and the face of the step, while downstream, liquid is flowing to the right with a flat, steady surface. Strictly speaking, the flow conditions in the pool region are not steady because turbulent mixing is generated in the pool by the impinging fluid. There is, however, an average configuration and that is what is reported in the experiments.
자유 표면을포함한 유동 현상의 프로토타입
그림 1a는 정상 상태에 도달 한 후 흐름의 문제를 보여줍니다. 계단 낙차형상 상부로부터의 월류(액체 또는 스냅 시트)에는 상하 모두의 자유 표면이 있습니다. 월류의 아래쪽에는 월류와 계단 가공면 사이에 웅덩이가 형성되어 있으며, 하류에서는 액체는 평평한 정상 표면에서 오른쪽으로 흐르고 있습니다. 엄밀히 말하면, 웅덩이 영역의 흐름 상태는 정상입니다. 이것은 충돌하는 액체에 의해 풀에 난류 혼합이 발생하고 있기 때문입니다. 그러나 평균적인 구성이 존재하고 그것은 실험에서도 보고됩니다.
For all practical purposes the flow is two-dimensional, that is, it does not have any significant variation in the direction normal to the illustration in Fig. 1a. In actuality, to have an air space above the pool there must be some opening to the atmosphere otherwise it would close up.
실용 목적은 흐름은 항상 2 차원입니다. 즉, 그림 1a에서 수직 방향에서는 큰 변화는 없습니다. 현실에서는 웅덩이 위쪽으로 공간을 만들기 위해서는 대기에 여유공간이 필요하고, 그게 없으면 닫힐 것입니다.
The flow speed at the top of the step is critical, that is, it has a speed equal to or greater than the speed of surface waves, so that no disturbances from downstream can penetrate through this region to affect flow upstream (to the left of the step), which is why the flow is exceptionally smooth and steady in that region.
계단 낙차형상 상단의 유속은 중요합니다. 즉, 이것은 표면파와 같거나 그 이상의 속도이기 때문에 하류에서의 교란이 영역을 관통하고 상류 흐름 (계단 낙차형상의 왼쪽)에 영향을 줄 수 없습니다. 따라서 이 영역에서의 흐름은 예외적으로 원활하고 정상입니다.
There are many geometric features in this problem that can be compared with a numerical simulation; such as flow heights before and after the step, the angle of the overflow stream when it strikes the bottom and the depth of the pool formed under the overflow. Additionally, an important comparison for practical applications is the amount of energy (i.e., kinetic plus potential) lost by the flow in passing over the step.
이 문제는 수치 시뮬레이션과 비교할 수 있는 기하 형상 기능이 많이 있습니다. 예를 들어, 계단 낙차형상의 전후 흐름의 높이, 월류가 바닥에 충돌 할 때의 각도, 월류 아래에 형성되는 웅덩이의 깊이 등입니다. 또한 실용화를 위한 중요한 비교 항목으로는, 계단 낙차형상을 통해 떨어지는 낙하 류에 의해 손실되는 에너지의 양 (운동 에너지와 위치 에너지의 합)가 있습니다.
Simulation of Prototype Problem
Figure 1a is from a simulation. For this example all of the geometric and material properties used in the experiments were used in the simulation. The height of the step used in the laboratory test is 62cm and the fluid is ordinary water (density=1.0 gm/cc and dynamic viscosity=0.01dynes/cm). The depth of water entering the computational region was 15.5cm and was given a near critical velocity of 123.0cm/s. Of course, gravity was in the vertical direction with magnitude g=-980cm/s^2.
프로토 타입 문제의 시뮬레이션
그림 1a는 시뮬레이션의 결과입니다. 이 예에서는 실험에 사용된 모든 기하 형상 및 물질의 특성이 시뮬레이션에 사용되었습니다. 실험실 테스트에서 사용한 계단 낙차형상의 높이가 62cm에서 액체는 보통의 물 (밀도 = 1.0gm / cc 어떻게 점성 = 0.01dynes / cm)입니다. 계산 영역에 들어가는 물의 깊이는 15.5cm에서 속도가 임계에 가까운 123.0cm/s 였습니다. 물론, 중력은 수직 방향으로 크기는 g = -980cm / s^2입니다.
Figure 1a. Simulation of flow over a step. Figure 1b. Grid used in simulation.
Because some turbulence was expected to develop in the pool to the left of the overflow, a turbulence model (the Renormalization Group or RNG model) was used in the simulation. Subsequent simulations without a turbulence model produced very similar results, which is not too surprising since most of the important elements of the flow are smooth (i.e., non-turbulent) inflow, overflow and outflow streams.
월류 왼쪽에 있는 웅덩이에 난류가 발생 할 것으로 예상 되었기 때문에, 시뮬레이션에서는 난류 모델 (the Renormalization Group, 즉 RNG 모델)을 사용했습니다. 그 후, 난류 모델을 사용하지 않고 한 시뮬레이션에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있었지만, 이것은 그다지 놀라운 일이 아닙니다. 흐름의 중요한 요소의 대부분은 매끄러운 (즉 난류가 아닌) 유입, 유출, 월류 때문입니다.
The simulation region shown in Fig. 1b is 170cm wide and 100cm high and has been subdivided into a grid of equal sized rectangular cells consisting of 80 cells in the horizontal direction and 60 cells in the vertical direction, for a total of 4800 cells. This grid is used as the basis for finite-difference approximations of the governing differential equations of fluid dynamics (the Navier-Stokes equations). The number and size of the grid cells was chosen with the goal of capturing the smallest expected features of the flow. The number can be easily increased or decreased if the results seem to warrant some adjustment. In fact, it is often a good idea to repeat a simulation with a change of resolution to make sure that the solution is not too sensitive to such changes.
그림 1b 시뮬레이션 영역은 폭 170cm, 높이 100cm에 가로 80 개, 세로 60 개, 총 4800 개의 셀로 구성되는 같은 크기의 사각형 셀의 격자로 세분화되어 있습니다. 이 격자는 유체 역학의 지배 미분 방정식 (나비에 – 스토크스 방정식)의 유한 차분 근사의 기초로 사용됩니다. 격자 셀의 수와 크기는 흐름 속에서 예측되는 최소의 특성을 파악하는 목적으로 선택되었습니다. 결과를보고 어떤 조정이 필요하다고 생각되는 경우는 숫자를 쉽게 늘리거나 줄일 수 있습니다. 사실, 해상도를 바꾸어 시뮬레이션을 반복하여 계산이 그러한 변화에 영향을 많이 들어 있지 않은지 확인하는 것이 좋습니다.
The left boundary was a specified velocity boundary (also with a specified fluid height). The right boundary was an outflow boundary where all flow quantities have a zero gradient normal to the boundary to encourage a uniform outflow. The top and bottom boundaries are rigid walls, while in the third direction the boundaries were treated as planes of symmetry (i.e., walls with zero viscous drag). The surface of the step was also treated as a free-slip boundary.
왼쪽의 경계는 지정된 속도 경계입니다 (유체의 높이도 지정). 오른쪽의 경계는 유출 경계에서 모든 유량이 경계에 수직 제로 기울기이며, 균일 한 유출이 촉진됩니다. 상하 경계는 단단한 벽으로 세 번째 방향의 경계는 대칭면 (점성 저항 제로의 벽)으로 처리되었습니다. 계단 낙차형상의 표면도 자유-미끄럼(free slip) 경계로 처리되었습니다.
Initial conditions could have been set to roughly approximate the expected flow arrangement, but since the flow configuration is one of the things that one would like to compute, especially for situations where one doesn’t know what the distribution of fluid is likely to be, a simpler approach is needed. Because a transient flow simulator was used for this example a simple initial condition could be defined that consisted of just a block of fluid on top of the step, Fig. 1a with the same horizontal velocity and height assigned to the left boundary. The simulation then followed the development of the steady flow, which occurs after about 8.0s. The simulation was run out to a time of 10.0s to assure that steady conditions had been reached. Figure 2 shows two intermediate times; 2.b at 0.2s and 2.c at 0.5s plus the final time in 2.d at 10.0s.
초기 조건은 예측되는 흐름의 배열을 대략적으로 근사하도록 설정할 수 있었지만, 흐름의 구성은 계산하고 싶은 것 중 하나이기 때문에 유체가 어떻게 분포되는지를 모르는 경우에는 간단한 방법이 필요합니다. 이 예제에서는 비정상 흐름 시뮬레이터를 사용했기 때문에 그림 1a의 계단 낙차형상에 유체의 블록만 있고 왼쪽 경계의 같은 수평 속도와 높이가 할당된 간단한 초기 조건을 정의할 수 있습니다. 시뮬레이션은 이후 정상 흐름으로 발전하고 있지만, 이것은 약 8.0 초 후에 발생합니다. 시뮬레이션은 정상 상태에 도달 한 것을 보장하기 위해, 10.0 초의 시간까지 실행되었습니다. 그림 2는 중간 시간을 두 보여줍니다. 도 2b는 0.2 초, 그림 2c는 0.5 초 시점에서 그림 2d는 마지막 10.0 초 시점을 보여줍니다.
Figures 2a-2d. Simulation times of 0.0, 0.2, 0.5 and 10.0s.
It should be noted that what starts as a single, connected free surface changes to two independent free surfaces (upper and lower nappe surfaces) after the fluid strikes the bottom. No difficulties are experienced with this separation of the flow into portions flowing to the left and right of the impact point on the bottom boundary. This will be discussed at further length in the next section.
처음에는 단일 결합하고 있는 자유 표면이었던 것이 액체가 바닥에 충돌한 후 2 개의 독립적인 자유 표면 (상하 스냅 표면)으로 변화하는 것에 주목하십시오. 아래 경계의 충격점의 좌우로 흐름이 분리되도 문제는 없습니다. 이에 대해서는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.
Comparisons between experiment and simulation are given in the following table and are in excellent agreement.
실험과 시뮬레이션의 비교는 다음 표와 같으며 매우 잘 일치하고 있습니다.
Comparison Table
Experimental Results
Simulation Results
Outflow Height/Step Height
0.094
0.094
Pool Height/Step Height
0.41
0.41
Angle of Nappe at Bottom
57°
59°
Energy Loss/Initial Energy
0.29
0.296
In view of these results it might be expected that a considerable amount of computational time would be required to achieve such accuracy. In fact, the total cpu time on a desktop Pentium 4, 3.20GHz computer was only 88s. Such a short computational time requires explanation and that is the purpose of the following sections.
이러한 결과를 고려하면이 같은 정밀도를 달성하려면 상당한 계산시간이 필요할 것으로 생각될지도 모릅니다. 그러나 실제로는 Pentium 4, 3.20GHz의 데스크톱 컴퓨터의 총 CPU 시간은 단 88 초였습니다. 계산시간이 너무 짧은 것은 설명이 필요하며, 이것은 다음 섹션의 목적입니다.
Figures 2a-2d. Simulation times of 0.0, 0.2, 0.5 and 10.0s.
Why the VOF Technique Works Well / VOF 법이 적합한 이유
There are a few general concepts about computational methods and the VOF technique in particular that can be used to gain an understanding of how and why VOF works so efficiently.
VOF 법의 구조와 그것이 매우 효율적인 방법인 이유를 이해하기 위해 다양한 계산법 중에서도 특히 VOF 법에 대한 몇 가지 기본 개념을 나타냅니다.
Basic Theory
All numerical methods must use some simplification to reduce a fluid flow problem to a finite set of numerical values that can then be manipulated using elementary arithmetical operations. A typical procedure for approximating a continuous fluid by a discrete set of numerical values is to subdivide the space occupied by the fluid into a grid consisting of a set of small, often rectangular “bricks.” Within each element an averaging process is applied to obtain representative element values for the fluid’s pressure, density, velocity and temperature.
모든 수치해석 방법에서 흐름의 문제를 단순하게 산술 계산하도록 유한의 수치 세트로 단순화해야합니다. 연속 유체를 이산화된 수치 세트에 근사하기 위해서 일반적으로 사용되는 것이 유체가 차지하는 공간을 격자로 분할하는 방법입니다. 이 격자는 일반적으로 다수의 작은 직사각형의 블록(요소)로 구성됩니다. 이러한 각 요소에 대해 평균화 처리를 실시함으로써 그 요소의 유체의 압력, 밀도, 속도 및 온도의 대표 값을 얻을 수 있습니다.
Simple equations can be devised to approximate how each element’s values interact with neighboring elements over time. For instance, the density of an element can only change when there is a net flow of mass exchanged between an element and its neighbors (i.e., conservation of mass). The material velocity that carries mass between elements is computed from the conservation of momentum principal, usually expressed in the form of the Navier-Stokes equations, which uses the pressures and viscous stresses acting between neighboring elements to approximate the changing fluid velocities in the elements.
간단한 수식을 사용해, 어느 시간에 걸친 각 요소 값과 인접한 요소의 상호 작용을 근사할 수 있습니다. 예를 들어, 요소의 밀도는 그 요소와 인접 요소 사이에서 (질량 보존에 의한) 질량 유량이 교환된 경우에만 변경됩니다. 요소 사이에서 질량이 교환되는 물질의 속도는 운동량 보존 법칙에 의해 계산되며 일반적으로 나비에-스토크스 방정식으로 표현됩니다. 나비에-스토크스 방정식은 인접한 요소 사이에 작용하는 압력과 점성 응력을 이용하여 요소에서 변화하는 유체 속도를 근사합니다.
This idea of an element interacting with its neighbors is essentially what is meant by a partial differential equation; that is, evaluating the effects of small changes caused by the variation in quantities nearby. Partial differential equations are typically derived in engineering text books as the limit of approximations made with small control volumes whose sizes are then reduced to infinitesimal values. In a numerical simulation the same thing is done except that the control volume sizes cannot be taken to the limit because that would require too many elements to keep track of. In practice, the goal is to use enough elements to resolve the phenomena of interest, and no more, so that computing times are kept to a minimum.
이러한 요소와 인접 요소 사이의 상호 작용에 따른 아이디어는 편미분 방정식 근방의 양의 변화에 의해 생기는 작은 변화의 효과를 평가하는 것과 본질적으로 동일합니다. 공학계의 교과서에서 파생된 작은 컨트롤 볼륨을 사용하여 그 크기를 무한대까지 작게 한 근사치의 극한으로 편미분 방정식이 유도됩니다. 수치 시뮬레이션에서도 같은 방식을 취하고 있지만, 요소 수가 너무 많으면 추적이 어렵게 되어 컨트롤 볼륨의 크기를 최대한 작게 만들 수 없습니다. 실제 시뮬레이션 현상을 해결하는데 충분하고 계산 시간을 최소한으로 억제 할 수 있는 요소수를 설정하는 것이 목표입니다.
Arithmetical operations associated with an element generally involve only simple addition, subtraction, multiplication and division. For instance, the change of mass in an element involves the addition and subtraction of mass entering and leaving through the faces of the element over a fixed interval of time. A simulation requires that these operations be done for thousands or even millions of elements as well as repeated for many small time intervals. Computers are ideal for performing these types of repetitive operations very rapidly.
요소에 사용되는 연산은 기본적으로 더하기, 빼기, 곱하기 및 나누기만 포함된 간단한 것입니다. 예를 들어, 요소의 질량의 변화는 일정한 시간 간격에 걸쳐 요소의 측면에서 유입 및 유출된 질량의 가산 및 감산에서 구할 수 있습니다. 그러나 시뮬레이션에서는 이러한 연산을 수천, 때로는 수백만 요소에 대해 매우 짧은 시간 간격에 대해 반복 계산해야합니다. 따라서 이러한 반복 계산의 고속 처리는 컴퓨터가 적합합니다.
Simulating fluid motion with free surfaces introduces the complexity of having to deal with solution regions whose shapes are changing. A convenient way to deal with this is to use the Volume of Fluid (VOF) technique described next.
자유 표면을 수반하는 유체 운동의 시뮬레이션에서는 형상이 변화하는 계산 영역을 다루어야합니다. 이 복잡성에 대응할 수있는 분석 방법이 아래에서 설명하는 VOF 법입니다.
The VOF Concept
The VOF technique is based on the idea of recording in each grid cell the fractional portion of the cell volume that is occupied by liquid. Typically the fractional volume is represented by the quantity F. Because it is a fractional volume, F must have a value between 0.0 and 1.0.
VOF 법은 각 격자 셀의 체적 중 액체가 차지하는 비율, 즉 체적 점유율을 기록한다는 생각에 근거합니다. 일반적으로 부피 점유율은 F로 표시됩니다. F는 부피 점유율이기 때문에 값이 취할 수있는 범위는 0.0 ~ 1.0입니다.
In interior regions of liquid the value of F would be 1.0, while outside of the liquid, in regions of gas (air for example), the value of F is zero. The location of a free surface is where F changes from 0.0 to 1.0. Thus, any element having an F value lying between 0.0 and 1.0 must contain a surface.
액체 내부의 영역에서는 F 값은 1.0이 액체의 외부, 즉 (공기 등) 기체 영역에서 F 값은 0입니다. F 값이 0.0과 1.0 사이에서 변화하는 장소가 자유 표면이 존재하는 위치입니다. 즉 0.0보다 크고 1.0보다 작은 F 값을 가지는 요소는 반드시 표면을 가지고 있습니다.
It is important to emphasize that the VOF technique does not directly define a free surface, but rather defines the location of bulk fluid. It is for this reason that fluid regions can coalesce or break up without causing computational difficulties. Free surfaces are simply a consequence of where the fluid volume fraction passes from 1.0 to 0.0. This is a very desirable feature that makes the VOF technique applicable to just about any kind of free surface problem.
여기서 유의해야 할 것은 VOF 법에서 자유 표면을 직접적으로 정의하는 것이 아니라 벌크 유체의 위치를 정의한다는 점입니다. 이렇게하면 계산상의 어려움을 초래하지 않고 유체 영역을 결합 또는 분할 할 수 있습니다. 자유 표면은 단순히 유체의 체적 점유율이 1.0과 0.0 사이에서 변화하는 장소로 정의됩니다. 이것은 자유 표면을 수반하는 거의 모든 문제에 적용 할 수 VOF 법의 뛰어난 특징이기도합니다.
Another important feature of the VOF technique is that it records the location of fluid by assigning a single numerical value (F) to each grid element. This is completely consistent with the recording of all other fluid properties in an element such as pressure and velocity components by their average values.
또한 격자의 각 요소에 단일 수치 (F)를 할당하여 유체의 위치를 기록 할 수 있는 점도 VOF 법의 중요한 특징입니다. 이것은 평균값을 기준으로 압력과 속도 등 다른 모든 유체 물성의 기록과 완전히 일치합니다.
Some Details of the VOF Technique
Figure 3. Surface in 1D column of elements.
For accuracy purposes it is desirable to have a way to locate a free surface within an element. Considering the F values in neighboring elements can easily do this. For example, imagine a one-dimensional column of elements in which a portion of the column is filled with liquid, Fig. 3. The liquid surface is in an element in the central region of the column, which will be referred to as the surface element. Because we assume the values of F must be either 0.0 or 1.0, except in the surface element, we can use this to locate the exact position of the surface. First a test is made to see if the surface is a top or bottom surface. If the element above the surface element is empty of liquid, the surface must be a top surface. It the element above is full of liquid then, of course, the surface is a bottom surface. For a top surface we compute its exact location as lying above the bottom edge of the surface element by a distance equal to F times the vertical size of the element. A bottom surface is similarly located a distance equal to F times the vertical size of the element below the top edge of the surface element. Locating the surface within an element in this way follows from the definition of F as a fractional volume of liquid in the element.
정확도를 위해 요소 내에 자유 표면을 배치하는 방법을 갖는 것이 바람직합니다. 인접 요소의 F 값을 고려하면 이를 쉽게 할 수 있습니다. 예를 들어, 열의 일부에 액체가 충전되어있는 1 차원 요소를 상상하십시오 (그림 3). 액체의 표면은 열 중앙 영역의 요소에 있습니다. 이것을 표면 요소라고합니다. 여기에서는 표면 요소를 제외하고 F 값은 0.0 또는 1.0이어야한다고 가정하고 있기 때문에 이를 사용하여 표면의 정확한 위치를 파악할 수 있습니다. 우선, 표면이 표면 또는 바닥을 확인하는 테스트를 실시합니다. 표면요소에 대해 액체가 없을 경우에는 표면으로 간주합니다. 위의 요소에 액체가 들어있는 경우는 물론, 그 표면은 바닥입니다. 윗면에 관해서는 정확한 위치는 표면 요소의 아래쪽에서 위쪽으로 요소의 세로 크기를 F 배 한 거리에있는로 계산합니다. 바닥도 마찬가지로 표면 요소의 상단에서 아래로, 요소의 세로 크기를 F 배 한 거리에 있습니다. 이 방법에 의한 요소의 표면 위치의 특정은 요소 내의 액체의 부피 점유율로 F를 정의한 후에 합니다.
Calculating surface locations in one-dimensional columns is simple, accurate and requires very little arithmetic. In two and three dimensional situations, however, computing a location is a little more complicated because there is a continuous range of surface orientations possible within a surface cell. Nevertheless, dealing with this is not difficult. A two-dimensional example, Fig. 4, will illustrate a simple way to not only compute the location of the surface, but also to get a good idea of its slope and curvature.
1 차원 열의 표면 위치 계산은 간단하고 정확하며 계산이 거의 필요없습니다. 그러나 2 차원 및 3 차원의 경우 하나의 표면 셀에 연속적인 표면 방향이 존재할 가능성이 있기 때문에 위치 계산은 조금 복잡해집니다. 그럼에도 불구하고 이를 취급하는 것은 어렵지 않습니다. 그림 4의 이차원의 예는 표면의 위치를 계산할 뿐만 아니라 경사와 곡률도 이해할 수 있는 쉬운 방법을 보여줍니다.
Figure 4. Surface in 2D grid of elements.
As in the one-dimensional case, it is first necessary to find the approximate orientation of the surface by testing the neighboring elements. In Fig. 4 the outward normal would be closest to the upward direction because the difference in neighboring values in that direction is larger than in any other direction. Next, local heights of the surface are computed in element columns that lie in the approximate normal direction. For the two-dimensional case in Fig. 4 these heights are indicated by arrows. Finally, the height in the column containing the surface element gives the location of the surface in that element, while the other two heights can be used to compute the local surface slope and surface curvature.
1 차원의 경우처럼 먼저 인근 요소를 테스트하여 표면의 대략적인 방향을 찾아야합니다. 그림 4는 바깥 쪽의 법선이 상승 방향에 가장 가깝게 됩니다. 이것은 그 방향 밖의 값의 차이가 다른 방향보다 크기 때문입니다. 그럼 거의 수직으로 있는 요소 열에서 표면의 국소적인 높이가 계산됩니다. 그림 4의 2 차원의 경우에는 이러한 높이가 화살표로 표시되어 있습니다. 마지막으로, 표면 요소를 포함하는 컬럼의 높이에 따라 그 요소의 표면의 위치를 확인합니다. 다른 2 개의 높이를 사용하면 국소적인 표면 경사와 표면 곡률을 계산할 수 있습니다.
In three-dimensions the same procedure is used although column heights must be evaluated for nine columns around the surface element. Although a little more computation is needed, it consists primarily of simple summations in the columns and then sums and differences of column heights for evaluating the slope and curvature. Based on this discussion, the reader should now see how the fractional fluid volume can be used to quickly and easily evaluate all the information needed to define free surfaces.
3 차원에서도 동일한 절차를 사용하지만, 표면 요소의 주위에 있는 9개의 열에 대해 열 높이를 요구해야합니다. 필요한 계산은 조금 더 걸리지만, 주된 내용은 열의 간단한 덧셈과 경사와 곡률을 추구하는 열의 높이의 합과 차이가 있습니다. 이 토론을 토대로, 이제 자유 표면을 정의하는 데 필요한 모든 정보를 빠르고 쉽게 평가하기 위해 부분 유체 체적을 사용하는 방법을 알아야합니다.
There are two remaining issues to deal with. One issue is that a simulation like that in Figs. 1 and 2 is only solving for the fluid dynamics in regions where there is fluid. This is another reason for the computational efficiency of the VOF method. The region occupied by fluid in the flow over a step problem is much less than half of the open region in the computational grid. If it were necessary to also solve for the flow of gas surrounding the liquid, then considerably more computational time would be required. In order to perform solutions only in the liquid, however, it is necessary to specify boundary conditions at free surfaces. These conditions are the vanishing of the tangential stress and application of a normal pressure at the surface that equals the pressure of the gas.
다루어야 할 문제가 앞으로 2 개 남아 있습니다. 하나는 그림 1 및 2와 같은 시뮬레이션은 유체가 존재하는 영역에는 유체 역학만으로 해결합니다. 이것은 VOF 법의 계산 효율이 높은 또 하나의 이유입니다. 계단 형상의 낙하류의 문제로 유체가 차지하는 영역은 계산 격자의 오픈 공간의 절반 이하입니다. 액체를 둘러싼 기체의 흐름을 계산할 필요가 있다면 필요한 계산 시간이 크게 늘어납니다. 그러나 액체만으로 계산을 할 경우 자유 표면 경계 조건을 지정해야합니다. 이 조건은 접선 응력의 소실과 기체의 압력에 동일한 표준 압력을 표면에 추가하는 것입니다.
A second issue is that movement and deformation of a free surface must be computed by solving for the fraction of fluid variable, F, as it moves with the fluid. Because the variable F is discontinuous (i.e., primarily 0.0 or 1.0) some care must be taken to maintain this discontinuity as it moves through a computational grid. In the VOF method, special advection algorithms are used for this purpose.
두 번째 문제는 자유 표면이 유체와 함께 움직일 때의 움직임과 변형을 유체 점유율 변수 F를 구함으로써 계산해야 한다는 것입니다. 변수 F는 불연속 (주로 0.0 또는 1.0)이기 때문에 계산 격자를 이동할 때 이 불연속성이 유지되도록주의해야합니다. VOF 법은이 목적으로 특수 이류(advection) 알고리즘이 사용되고 있습니다.
Illustration of Free-Surface Tracking by VOF Technique
Figure 6a is an illustration of how well this works; the fluid volume fraction is colored uniformly in each grid element to represent its value in that element. The free surface is sharply defined nearly everywhere. Only in the lowest and narrowest part of the nappe is there any noticeable loss of a sharp fluid fraction distribution, Fig. 5b. This was expected because in this region the nappe is less than three elements in thickness and this allows some of the smaller F values associated with partially filled surface elements to mix in with the central element, which should have a value of 1.0. For computational purposes this doesn’t really matter because the simulation method treats elements interior to the liquid as though they are pure liquid elements.
그림 6a는 이것의 적합 여부를 보여줍니다. 유체의 체적 점유율은 격자 요소마다 균일하게 분류되고 그 요소의 값을 나타냅니다. 자유 표면은 거의 모든 곳에서 선명하게 정의되어 있습니다. 스냅의 가장 낮은 가장 좁은 부분에만 선명한 유체 분포의 손실을 확인할 수 있습니다 (그림 5b). 이것은 예상대로입니다. 이 영역에서는 스냅의 두께는 3 가지 요소보다 작고, 따라서 부분 충전된 표면 요소에 연결된 작은 F 값이 어떤 중심 요소 (값 1.0)에 혼입하기 때문입니다. 계산 목적으로 이 것은 별로 문제가 되지 않습니다. 이 시뮬레이션 방법은 액체 내부의 요소는 순수한 액체 성분과 같은 방식으로 처리되기 때문입니다.
It should also be pointed out that in the region shown in Fig. 5b turbulence and air entrainment are observed in actual experiments. Thus, the appearance of fluid fraction values a little less than unity is somewhat realistic. This is not entirely accidental because the intersection of jet of liquid with a pool, which is responsible for turbulence and air entrainment, is also responsible for the “entrainment” of fluid fraction values into the interior of the liquid.
그림 5b에 나타내는 영역에서는 실제 실험에서 난류 및 공기 혼입이 관찰된 것도 지적해 두지 않으면 안됩니다. 따라서 유체 점유율의 값을 1보다 조금 작게 보이는 것이 다소 현실적입니다. 이것은 전혀 의외라는 것은 없습니다. 난류와 공기 유입을 담당하는 풀의 액체 제트의 교점은 난류와 공기 유입의 원인이 되지만, 유체 점유율 값(fluid fraction values )은 액체 내부에 “유입” 원인이 되기 때문에 실수가 아닙니다.
Figure 5a (left): Fluid fraction values in elements, showing sharpness of surface definition. Figure 5b (right): Close up of fluid fraction values where the overflow hits bottom.
Summary
At first it may seem somewhat magical that a computer can simply perform repeated arithmetic operations on arrays of numbers and produce a realistic simulation of a complex, time-dependent, fluid dynamics problem. It was the purpose of this discussion to explain an approach that does this with relatively elementary procedures.
Using a simple, but non-trivial, hydraulic flow example it has been demonstrated that computational simulations can produce detailed results in excellent agreement with physical measurements. It has been further demonstrated that the simulation, which was based on the Volume of Fluid (VOF) technique, uses simple approximation methods that are both accurate and efficient.
Clearly, real world examples involving complex hydraulic structures such as those used in hydroelectric power stations, must consume more than the few seconds of computational time used in our example to obtain useful results. Nevertheless, those results can be generated in reasonable times (both man and computer) and contain a richness of detail rarely possible in physical experiments. For examples visit our water and environmental application pages. In addition, the ability to easily test the influence of just about any kind of change in geometry, flow condition or fluid property is another powerful reason to employ simulations. Current software and hardware for hydraulic flow simulations offer a significant cost advantage over traditional physical modeling.
처음에는 컴퓨터가 단순히 반복적인 산술 연산을 수행하고, 복잡하고 시간에 의존적인 유체 역학 문제에 대해, 현실적인 시뮬레이션을 할 수 있다는 것이 다소 마술처럼 보일 수 있습니다. 이 논의의 목적은 비교적 기본적인 절차로 이를 수행하는 접근법을 설명하는 것입니다.
간단하지만 사소한 유압 흐름 예제를 사용하여 계산된 시뮬레이션이 물리적인 측정 결과와 매우 일치하는 세부 결과를 생성 할 수 있음이 입증되었습니다. VOF (Volume of Fluid) 기술을 기반으로 한 시뮬레이션은 정확하고, 매우 효율적인 것이 추가로 입증되었습니다.
분명하게, 수력 발전소에서 사용되는 것과 같은 복잡한 유압 구조와 관련된 실제 예는 유용한 결과를 얻기 위해서는 이 예에서 사용되는 몇 초 이상의 많은 계산 시간을 소비해야합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 결과는 합리적인 시간 (사람과 컴퓨터 모두)에서 수행 될 수 있으며, 실제 실험에서는 거의 불가능한 세부 사항들을 포함합니다. 또한, 지오메트리, 유동 조건 또는 유체 특성의 거의 모든 종류의 변화의 영향을 쉽게 테스트 할 수있는 능력은 시뮬레이션을 사용하는 또 다른 강력한 이유입니다. 기술의 발전에 따라 hydraulic flow 시뮬레이션을 위한 현재 소프트웨어 및 하드웨어는 기존의 물리적 모델링에 비해 상당한 비용 이점을 제공합니다.
Postscript
The first detailed description of the VOF method was in 1981 by C.W. Hirt and B.D. Nichols, J. Comp. Phys., 39, p.201. All simulations appearing in this article were performed with the commercial software package FLOW-3D developed by Flow Science, Inc. This program uses an enhanced variant of the VOF concept called TruVOF.
