세계 최강의 자유표면 수치해석 소프트웨어
이 예는 제트 전투기 연료 탱크 내 연료 슬로싱을 나타냅니다. 이 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 탱크 내 연료 모션을 제어하는 배플의 성능을 평가하고 적절한 제어 시스템을 설계할 수 있습니다.
자세한 내용이 궁금하시면 언제든지 기술지원팀에 연락주시기 바랍니다.
This example represents fuel sloshing in a jet fighter fuel tank. The simulation allows engineers to evaluate the performance of the baffles in controlling the fuel motion in the tank and to design appropriate control systems.
FLOW-3D HYDRO 2025R1은 새로운 이산 요소 방법(DEM) 모델을 도입했습니다. 이 모델은 사용자가 충돌 및 마찰과 같은 입자-입자 상호작용을 고려할 수 있게 하여 표준 라그랑지안 입자 모델을 넘어서는 유용성을 제공합니다.
물과 환경 프로젝트의 다양한 시나리오에는 암석이나 립랩이 포함됩니다. 예를 들어, 자연 채널 베드나 채널 및 구조물 보호 시스템의 일부가 포함됩니다. DEM 모델은 다양한 흐름 조건에서 암석의 안정성에 대한 통찰력을 제공하여 강둑 및 기타 구조물의 독특한 보호 시스템에 대한 비용 절감과 위험 감소의 흥미로운 가능성을 열어줄 수 있습니다.
이 모델은 또한 사용자가 그릿 분리 시스템, 빗물 분리기 및 작은 물체들이 서로 상호작용하는 다른 시나리오에 대한 통찰력을 얻는 데 도움을 줄 수 있습니다.
참고: 이 모델은 별도의 라이선스 토큰이 필요하며, 추가 비용을 지불하고 추가할 수 있습니다.
FLOW-3D HYDRO 2024R1의 흥미로운 새로운 발전은 지형 및 수심과 같은 물체를 지리적 좌표계(예: UTM)에 정의하고 다른 물체를 편리한 로컬 좌표계(예: BIM 좌표)에 정의할 수 있도록 하여 지리적 좌표계 작업을 용이하게 하는 사이트 좌표 시스템(일명 로컬 또는 프로젝트 좌표 시스템이라고도 함)의 도입입니다. 이 새로운 기능은 사이트 좌표 시스템을 설정하기 위한 명확하고 간단한 인터페이스와 Revit 공유 좌표 파일에서 읽기만 하면 모델 설정 중 수동 좌표 변환과 관련된 시간, 노력 및 위험을 줄입니다.
FLOW-3D HYDRO의 두 번째 개발은 LandXML과 삼각형 래스터 표면을 EXODUS II 기반 출력 파일에 포함하는 것입니다. 따라서 후처리 시 전체 지형/수심 측정을 사용할 수 있으므로 모델링 세부 사항이 아닌 스토리에 초점을 맞춘 방식으로 청중에게 결과를 더 쉽게 전달할 수 있습니다.
FLOW-3D POST 2023R2는 EXODUS II 형식을 기반으로 하는 완전히 새로운 결과 파일 형식을 도입하여 더 빠른 후처리를 가능하게 합니다. 이 새로운 파일 형식은 크고 복잡한 시뮬레이션의 후처리 작업에 소요되는 시간을 크게 줄이는 동시에(평균 최대 5배!) 다른 시각화 도구와의 연결성을 향상시킵니다.
FLOW-3D POST 2023R2 에서 사용자는 이제 선택한 데이터를 flsgrf 또는 EXODUS II 파일 형식으로 쓸 수 있습니다 . 새로운 EXODUS II 파일 형식은 각 개체에 대해 유한 요소 메시를 활용하므로 사용자는 다른 호환 가능한 포스트 프로세서 및 FEA 코드를 사용하여 FLOW-3D HYDRO 결과를 열 수도 있습니다. 새로운 워크플로우를 통해 사용자는 크고 복잡한 사례를 신속하게 시각화하고 임의 슬라이싱, 볼륨 렌더링 및 통계를 사용하여 보조 정보를 추출할 수 있습니다.
새로운 결과 파일 형식은 hydr3d 솔버의 성능을 저하시키지 않으면서 flsgrf 에 비해 시각화 작업 흐름에서 놀라운 속도 향상을 자랑합니다. 이 흥미로운 새로운 개발은 결과 분석의 속도와 유연성이 향상되어 원활한 시뮬레이션 경험을 제공합니다.
FLOW-3D POST 의 새로운 시각화 기능 에 대해 자세히 알아보세요 .
FLOW-3D HYDRO 2023R2는 2방정식(RANS) 난류 모델에 대한 동적 혼합 길이 계산을 크게 개선했습니다. 거의 층류 흐름 체계와 같은 특정 제한 사례에서는 이전 버전의 코드 계산 제한기가 때때로 과도하게 예측되어 사용자가 특정 혼합 길이를 수동으로 입력해야 할 수 있습니다.
새로운 동적 혼합 길이 계산은 이러한 상황에서 난류 길이와 시간 규모를 더 잘 설명하며, 이제 사용자는 고정(물리 기반) 혼합 길이를 설정하는 대신 더 넓은 범위의 흐름에 동적 모델을 적용할 수 있습니다.
사용자가 미리 정의된 유체 영역에서 정수압을 초기화해야 하는 경우가 많습니다. 이전에는 대규모의 복잡한 시뮬레이션에서 정수압 솔버의 수렴 속도가 느려지는 경우가 있었습니다. FLOW-3D HYDRO 2023R2는 정수압 솔버의 성능을 크게 향상시켜 전처리 단계에서 최대 6배 빠르게 수렴할 수 있도록 해줍니다.
2023R2 릴리스에서 FLOW-3D HYDRO는 기본적으로 래스터 지형 및 수심 측량을 위한 GeoTIFF(.tif) 파일 형식을 지원합니다. 이제 사용자는 GeoTIFF 파일을 사용자 인터페이스로 직접 가져올 수 있습니다.
측량 데이터가 균일하지 않거나 래스터 표면의 해상도가 충분하지 않은 경우 TIN 표면은 LandXML(.xml) 파일 형식을 통해 향상된 지형 지도를 제공합니다. FLOW-3D HYDRO 2023R2는 기본적으로 LandXML 파일을 가져옵니다.
래스터 파일은 고해상도에서 넓은 지형 영역을 다루는 경우가 많으므로 사용자 인터페이스에서 3D 표현의 상호 작용 속도가 느려질 수 있습니다. 이제 사용자는 3D 표현의 품질을 제어하여 렌더링 시간을 크게 줄이고 상호 작용성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
FLOW-3D 소프트웨어 제품군의 모든 제품은 2023R1에서 IT 관련 개선 사항을 받았습니다.
FLOW-3D HYDRO 2023R1은 이제 Windows 11 및 RHEL 8을 지원합니다. Linux 설치 프로그램은 누락된 종속성을 보고하도록 개선되었으며 더 이상 루트 수준 권한이 필요하지 않으므로 설치가 더 쉽고 안전해집니다. 그리고 워크플로를 자동화한 분들을 위해 입력 파일 변환기에 명령줄 인터페이스를 추가하여 스크립트 환경에서도 워크플로가 업데이트된 입력 파일로 작동하는지 확인할 수 있습니다.
난류는 물과 환경 흐름장의 주요 측면이며, 특히 천수(shallow water) 근사치로 모델링된 영역에서는 더욱 그렇습니다. 우리는 모델링 위험을 줄이고 더 나은 결과를 제공하기 위해 세 가지 새로운 난류 모델, 일정한 확산도, 혼합 길이 및 Smagorinsky 모델을 포함하도록 천수(shallow water) 모델의 난류 처리를 개선했습니다.
FLOW-3D HYDRO 2022R2 출시로 Flow Science는 FLOW-3D HYDRO 의 워크스테이션과 HPC 버전을 통합하여 단일 노드 CPU 구성에서 다중 노드에 이르기까지 모든 유형의 하드웨어 아키텍처를 활용할 수 있는 단일 솔버 엔진을 제공했습니다. 병렬 고성능 컴퓨팅 실행. 추가 개발에는 향상된 공기 동반 기능과 물 및 환경 응용 분야에 대한 경계 조건 정의 개선이 포함됩니다.
우리는 FLOW-3D 제품을 단일 통합 솔버로 마이그레이션하여 로컬 워크스테이션이나 고성능 컴퓨팅 하드웨어 환경에서 원활하게 실행했습니다.
많은 사용자가 노트북이나 로컬 워크스테이션에서 모델을 실행하지만, 고성능 컴퓨팅 클러스터에서도 더 큰 모델을 실행합니다. 2022R2 릴리스에서는 통합 솔버를 통해 사용자가 HPC 솔루션의 OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화와 동일한 이점을 활용하여 워크스테이션과 노트북에서 실행할 수 있습니다.
다중 소켓 워크스테이션은 이제 매우 일반적이며 대규모 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 새로운 통합 솔버를 사용하면 이러한 유형의 하드웨어를 사용하는 사용자는 일반적으로 HPC 클러스터 구성에서만 사용할 수 있었던 OpenMP/MPI 하이브리드 병렬화를 활용하여 모델을 실행할 수 있어 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있습니다.
대부분의 테스트 사례에서 10~20% 정도의 성능 향상이 관찰되었으며 일부 사례에서는 20%를 초과하는 런타임 이점이 나타났습니다.
시간 단계 안정성 제한은 모델 런타임의 주요 동인이며, 2022R2에서는 새로운 시간 단계 안정성 제한인 3D 대류 안정성 제한을 숫자 위젯에서 사용할 수 있습니다. 실행 중이고 대류가 제한된(cx, cy 또는 cz 제한) 모델의 경우 새 옵션은 일반적인 속도 향상을 30% 정도 보여줍니다.
경우에 따라 까다로운 흐름 구성의 경우 과도한 압력 솔버 반복으로 인해 실행 시간이 길어질 수 있습니다. 이러한 어려운 경우 2022R2에서는 모델이 너무 많이 반복되면 FLOW-3D가 자동으로 새로운 사전 조절기를 활성화하여 압력 수렴을 돕습니다. 테스트의 런타임은 1.9에서 335까지 더 빨라졌습니다!
점탄성 유체에 대한 새로운 솔버 옵션을 사용자가 사용할 수 있으며 특히 높은 Weissenberg 수에 효과적입니다.
FLOW-3D HYDRO 2022R2 에서는 물 적용 경계 조건에 대한 두 가지 개선 사항을 사용할 수 있습니다 . 천수(shallow water)의 유량 경계 조건이 개선되어 보다 현실적이고 공간적으로 변화하는 속도 프로파일을 생성하므로 사용자는 정확도를 잃지 않고 도메인 크기를 줄일 수 있습니다. 자연적인 입구 경계 조건의 경우 정격 곡선 완화 시간 옵션을 사용하여 과도 조건에 대한 응답을 향상시킬 수 있습니다.
디퓨저 및 유사한 기포 흐름 응용 분야의 경우 이제 질량 공급원을 사용하여 물기둥에 공기를 유입할 수 있습니다. 또한, 동반 공기 및 용존 산소의 난류 확산에 대한 기본값이 업데이트되었습니다.
F LOW-3D HYDRO 2022R1 의 새로운 기능
최근 FLOW Science, Inc에서는 토목 및 환경 엔지니어링 산업을위한 완벽한 CFD 모델링 솔루션인 FLOW-3D HYDRO 제품을 출시했습니다. 기존 FLOW-3D 사용자이거나 유압 엔지니어링 관행에 CFD 모델링 기능을 사용하시는 것에 관심이 있는 경우, 언제든지 아래 연락처로 연락주세요.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
FLOW-3D HYDRO 는 더 높은 수준의 정확도와 모델 해상도를 제공하기 위해 3D 비 유압 모델링 기능이 필요한 경우 고급 모델링 도구로 사용할 수 있습니다. 일반적인 모델링 응용 분야는 소형 댐 / 인프라, 운송 수력학, 복잡한 3D 하천 수력학, 열 부력 연기, 배수구 및 오염 물질 수송과 관련됩니다.
FLOW-3D HYDRO의 핵심 기능은 전체 3D 모델과 동적으로 연결될 수있는 천수(shallow water) 모델입니다.
이 기능을 통해 사용자는 멀티 스케일 모델링 애플리케이션을위한 모델 도메인을 확장하여 필요한 모델 해상도로 계산 효율성을 극대화 할 수 있습니다. FLOW-3D HYDRO 또한 강 및 환경 응용 분야에 특화된 추가 기능과 고급 물리학을 포함합니다.
FLOW-3D HYDRO 의 작업 공간 템플릿으로 시간을 절약하고 실수를 방지하며 일관된 모델을 실행하십시오 . 작업 공간 템플릿은 일반적인 응용 분야에 대한 유체 속성, 물리적 모델, 수치 설정 및 시뮬레이션 출력을 미리로드합니다.
작업 공간 템플릿은 7 가지 모델 클래스에 사용할 수 있습니다.
FLOW-3D HYDRO 의 40 개 이상의 사전로드 된 물 중심 예제 시뮬레이션 라이브러리는 애플리케이션 모델링을위한 훌륭한 시작점을 제공합니다. 사전로드 된 예제 시뮬레이션은 모델러에게 모델 설정 및 모범 사례의 로드맵뿐만 아니라 대부분의 애플리케이션에 대한 자세한 시작점을 제공합니다.이전다음
비디오 자습서는 새로운 사용자가 다양한 응용 프로그램을 모델링하는 방법을 빠르게 배울 수있는 훌륭한 경로를 제공합니다. FLOW-3D HYDRO 비디오 튜토리얼 기능 :
새로운 Tailings Model은 tailings dam failure로 인한 tailings runout을 시뮬레이션하기위한 고급 기능을 제공합니다. tailings정의에 대한 다층 접근 방식과 함께 미세하고 거친 입자 구성을 나타내는 이중 모드 점도 모델은 모든 방법으로 건설 된 tailings 댐의 모델링을 허용합니다.
천수(shallow water), 3D 및 하이브리드 3D / 천수(shallow water) 메싱을 포함한 유연한 메싱을 통해 얕은 지역에서 빠른 솔루션을 제공하면서 다층 tailings의 복잡성을 정확하게 모델링 할 수 있습니다. 점성 경계층의 정확한 표현을 위해 천수(shallow water) 메시에 2 층 Herschel-Bulkley 점도 모델을 사용할 수 있습니다.
FLOW-3D HYDRO 의 천수(shallow water) 모델링 기능은 3D 메시를 천수(shallow water) 메시와 결합하여 탁월한 모델링 다양성을 제공하는 고유 한 하이브리드 메시를 사용합니다. 압력 솔버의 수치 개선으로 더 안정적이고 빠른 시뮬레이션이 가능합니다. 하이브리드 메쉬의 하단 전단 응력 계산이 크게 향상되어 정확도가 더욱 향상되었습니다. 지형에 거칠기를 적용하는 새로운 방법에는 Strickler, Chezy, Nikuradse, Colebrook-White, Haaland 및 Ramette 방정식이 포함됩니다.
sharp 인터페이스가 있거나 없는 압축 가능 또는 비압축성 2 유체 모델은 항상 1 유체 자유 표면 모델과 함께 FLOW-3D 에서 사용할 수 있습니다 . 사실, sharp 인터페이스 처리는 TruVOF 기술을 자유 표면 모델과 공유하며 상용 CFD 소프트웨어에서 고유합니다. 최근 개발에는 2- 필드 온도 및 인터페이스 슬립 모델이 포함되었습니다. 이 모델은 오일 / 물, 액체 / 증기, 물 / 공기 및 기타 2 상 시스템에 성공적으로 적용되었습니다.
FLOW-3D HYDRO 는 2- 유체 솔루션의 정확성과 안정성에서 두 가지 중요한 발전을보고 있습니다. 운동량과 질량 보존 방정식의 강화 된 결합은 특히 액체 / 기체 흐름에서 계면에서 운동량 보존을 향상시킵니다. 연속성 방정식에서 제한된 압축성 항의 확장 된 근사값은 더 빠르고 안정적인 2 유체 압력 솔버를 만듭니다.
예를 들어, 터널 및 드롭 샤프트 설계와 같은 유압 응용 분야에서 공기가 종종 중요한 역할을 하기 때문에 두 개발 모두 FLOW-3D HYDRO 릴리스에 적시에 적용됩니다. 일반적으로 낮은 마하 수로 인해 이러한 경우 물과 공기에 제한된 압축성이 사용됩니다.
일반 워크스테이션 또는 랩톱으로 많은 작업을 수행 할 수 있지만, 대형 시뮬레이션과 고화질 시뮬레이션은 더 많은 CPU 코어를 활용함으로써 엄청난 이점을 얻을 수 있습니다. FLOW-3D CLOUD 및 고성능 컴퓨팅은 더 빠르고 정확한 모델을 실행할 수있는 더 빠른 런타임과 더 많은 선택권을 제공합니다.
![컴팩트 디스크 ELISA 칩 [2]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/컴팩트-디스크-ELISA-칩-2.jpg)
미세 유체 장치 사용자의 증가하는 기대를 충족하려면 작은 미세 유체 장치에서 제한된 공간을 최적화하는 것이 중요합니다. 사용자는 단일 미세 유체 장치에서 최대의 기능과 여러 병렬 작업을 기대합니다. 제한된 공간을 최적화하는 문제는 이러한 장치의 많은 물리적 이점에도 불구하고 회전하는 미세 유체 장치로 확장됩니다. 회전 에너지를 이용하여 미세 유체 작업을 수행하는 회전 장치를 컴팩트 디스크 (CD) 미세 유체 장치라고합니다.
10 년 넘게 CD는 혈액 진단을위한 신속한 면역 분석 및 임상 생화학에서 지속적으로 장점을 보여 왔습니다. 마이크로 토탈 분석 시스템 (μTAS)으로 사용되며, 여러 개별 분석이 내장되어 단일 칩에서 동시에 실행됩니다. 핸즈프리 제어를 위해 프로그래밍 된 간단하고 저렴한 모터에서 작동하며 자석이나 표면 처리와 같은 외부 액추에이터가 필요하지 않습니다. 기본적으로 CD는 훌륭합니다! 그러나 공짜 점심 같은 것은 없습니다. 단방향 (방사형) 원심력으로 인해 CD는 회전하지 않는 미세 유체 장치보다 빠르게 공간이 부족합니다. 유체는 방사형으로 바깥쪽으로 만 이동하므로 CD가 수행 할 수있는 분석 단계의 수가 제한됩니다.
Gorkin 등 [3]에서는 CD의 단 방향성 제약을 극복하기 위해 공압 펌핑이 제안되었습니다. 아이디어는 원심 에너지를 압축 에너지로 저장하고 다시 풀어서 유체를 중심으로 발사하는 것입니다. 아래 이미지는 로딩 챔버, 흡입 하위 구획 및 압축 하위 구획의 세 개의 챔버가있는 비교적 간단한 미세 유체 칩을 보여줍니다.
유체가 로딩 챔버로 들어간 다음, 흡입 하위 구획을 통해 공기가 갇힌 압축 하위 구획으로 이동합니다. 공기가 갇 히면 CD가 특정 각속도로 회전하여 갇힌 공기가 압축됩니다. 공기가 더 이상 압축 할 수없는 경우 (안정 상태에 도달했기 때문에), 회전 속도가 감소하거나 완전히 꺼져 (누군가이 작업을 수행하고 있습니까? 아니면 장치가 수행하고 있습니까?) 유체가 로딩 챔버로 다시 펌핑됩니다. 이 마지막 단계는 이완 단계입니다. 공압 펌핑 공정의 5 단계는 다음과 같습니다.
![그림 6. CD의 5 단계 공압 펌핑 [3]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/그림-6.-CD의-5-단계-공압-펌핑-3.jpg)
회전 속도가 다르면 압축 하위 구획에서 공기의 압축 수준이 다릅니다. 회전 속도가 높을수록 유체가 공기에 더 세게 밀려 공기가 더 많이 압축됩니다. 그러나 공기가 압축 될 수있는 양에는 한계가 있습니다. 사실, 공기의 압축은 특정 회전 속도 이상으로 점진적으로 증가합니다. 압축 하위 구획의 부피는 회전 속도가 증가함에 따라 감소합니다. 흡입구의 액체 위치는 디스크 중앙에서 흡입 하위 구획의 유체 수준까지의 거리입니다. 이 거리는 증가합니다. 즉, 회전 속도가 증가함에 따라 유체가 중심에서 멀어집니다.
![그림 7. 회전 주파수가 증가하면 압축이 증가합니다. [3]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/그림-7.-회전-주파수가-증가하면-압축이-증가.jpg)
실험은 미세 유체 장치 설계의 핵심입니다. 그러나 충분한 실험을 수행하고 각 실험에 대한 완벽한 제어 환경을 유지하는 것은 불가능할 수 있습니다. 복잡한 설계에는 복잡한 실험 설정 및 분석이 필요합니다. FLOW-3D 의 정확하고 포괄적 인 다중 물리 모델링 기능 은 미세 유체 설계에 대한 통찰력과이를 최적화하는 방법을 제공합니다. FLOW-3D가 위에서 논의한 CD 미세 유체 장치에 대한 실험적 및 이론적 결과와 어떻게 비교되는지 보여 드리겠습니다 .
이미지 시퀀스는 실험 및 FLOW-3D 시뮬레이션 결과 의 시각적 비교를 제공합니다 . 두 유체 (공기 및 물) 압축 가능 모델을 사용하여 서로 다른 회전 속도에 대해 챔버 내부의 유체 역학을 시뮬레이션했습니다. 회귀 분석을 사용하여 아래 플롯에서 이러한 시각적 비교를 정량화하면 FLOW-3D 와 실험 결과, FLOW-3D 및 분석 결과 간에 탁월한 상관 관계 (R 2 > 0.99)가 제공 됩니다.
시뮬레이션은 또한 다양한 회전 속도에 대한 정상 상태에 대한 접근 방식을 보여줍니다. 아래의 애니메이션은 CD의 운동 에너지 변동을 1000rpm nd 7000rpm에서 보여줍니다. 더 빠른 속도는 더 빠른 정상 상태를 강제하지만 정상 상태에 도달할 때까지 수위를 빠르게 변동시킵니다. 저속 시뮬레이션의 경우 그 반대입니다.
전반적으로 FLOW-3D 는 실험 결과를 정확하게 검증합니다. 사소한 오류는 부정확 한 지오메트리 (CAD) 생성 및 / 또는 물과 공기 사이의 인터페이스를 엄격하게 정의하기 때문일 수 있습니다. 이 사례 연구는 FLOW-3D 가 실험 결과를 검증하고 컴팩트 디스크 설계의 신뢰도를 높이는 데 효과적으로 사용될 수 있음을 보여줍니다 .
[1] He, Hongyan et al. “Design and Testing of a Microfluidic Biochip for Cytokine Enzyme-Linked Immunosorbent Assay”. Biomicrofluidics 3(2):22401 February 2009
[2] Roy, Emmanuel, et al. “From Cellular Lysis to Microarray Detection, an Integrated Thermoplastic Elastomer (TPE) Point of Care Lab on a Disc.” Lab on a Chip, vol. 15, no. 2
[3] Gorkin III, Robert et al. “Pneumatic pumping in centrifugal microfluidic platforms”. February 2010 Springerlink.com
폐수 처리 플랜트 (WWTP) 내부의 생화학 적 반응 및 유체 역학에 대한 자세한 이해는 설계자와 엔지니어가 새로운 플랜트 설계를 평가하고, 관리 결정을 정량화하고, 새로운 제어 계획을 개발하고, 안전한 작업자 교육을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 블로그에서는 독자들에게 대규모 생화학 반응 시스템을 동적으로 해결 하는 FLOW-3D 의 새로운 ASM (Activated Sludge Model)을 소개합니다.
폭기조는 대부분의 생화학 반응이 WWTP의 2 차 처리 부분에서 발생하는 곳입니다. 일반적으로 폭기 탱크는 대부분의 생화학 반응이 완료되는 데 걸리는 시간을 허용하는 긴 경로를 가지고 있습니다. 종이 폭기조의 전체 길이를 횡단하는 데 걸리는 시간을 잔류 시간이라고합니다. 폭기조에 산소가 주입되어 폐수에서 박테리아가 증식합니다. 박테리아는 산소를 사용하여 물에있는 폐기물을 분해하고 그렇게하면서 플록 또는 슬러지 블랭킷이라고하는 응집체를 형성합니다. 활성화 된 슬러지의 일부는 폐수의 생화학 적 처리를 더욱 촉진하기 위해 폭기조로 다시 재활용됩니다.
국제 물 협회 (IWA)는 지난 40 년간 생화학 적 반응을 설명하는 세 가지 주요 수학적 시스템을 제안했다. 이러한 각 시스템 인 ASM-1, ASM-2 및 ASM-3은 폭기조 내부의 다양한 종의 성장 및 붕괴 역학을 다양한 세부 수준으로 포착합니다. ASM-3이 가장 포괄적입니다. 첫 번째 시스템 인 ASM-1은 아래 표 형식과 확장 형식으로 표시됩니다.
대부분의 생화학 반응은 Monod 모델 또는 유사한 모델을 기반으로합니다. Monod 모델은 미생물의 성장 및 붕괴 속도를 예측하는 수학적 모델이며 간단한 방정식으로 설명됩니다.
여기서 a 와 k 는 최대 비 성장률 상수이고 기질 농도는 최대 비 성장률의 절반에 해당합니다. C 는 시간에 따라 변화하는 미생물 종의 농도 t 입니다. Monod 모델은 종의 농도에 따라 반응의 순서를 동적으로 변경하는 특성이 있습니다.
For C >> A는 , 변화율 C는 0 차에 접근한다.
For C << a는 , 변화율 C는 일차 접근한다.
이 모든 것은 미생물 종의 농도가 높으면 썩고 자라는 속도가 빨라지고, 종의 양이 적으면 썩거나 자라는 속도가 느리다는 것입니다. Monod 방정식의 해는 다음과 같이 Lambert 함수에 의해 제공됩니다.
생화학 반응을 설명하는 표준 시스템에는 Monod 용어의 긴 사슬이 포함되어 있습니다. FLOW-3D 의 ASM 모델은 WWTP에서 박테리아 종의 Monod 기반 성장 및 붕괴를 완벽하게 추적 할 수 있습니다. ASM 모델은 FLOW-3D 의 유체 역학 솔버 와 통합되어 속도 및 압력 장을 기반으로 한 박테리아의 움직임이 성장 및 붕괴 속도와 결합 될 수 있습니다.
FLOW-3D 의 ASM 솔버 결과가 벨기에 Zele의 폐수 처리장 (WWTP)에서 배출 될 때 다양한 유입수 종 농도의 붕괴 및 성장에 대해 보여줄 것 입니다. 종 및 유체 역학 계산을 정확하게 추적하면 폐수 처리 전문가가 정량적으로 뒷받침되는 설계 및 운영 결정을 내릴 수 있습니다.
Zele WWTP는 1983 년 50,000 명의 주민을 위해 벨기에에서 건설되었습니다. 일반적으로이 WWTP의 유입수는 가정용 폐수 40 %와 산업 폐수 60 %로 구성됩니다. 1 차 처리 공정 후 유입수는 생물학적 활성 슬러지 처리장으로 흘러 재활용 활성 슬러지와 혼합됩니다.
![벨기에 Zele에서 나온 WWTP의 개략도 [2]. 녹색 상자는 2 차 처리 과정을 나타냅니다.](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/벨기에-Zele에서-나온-WWTP의-개략도-2.jpg)
활성 오니 조 또는 폭기조는 약 400 m의 레인 6으로 분할되어 하나의 플러그 유동 폭기조 구성 3 각. 폭기조에서 나오는 유출 물은 각각 2050 m 3 용적의 2 개의 2 차 정화기 (SC1 및 SC2)로 이동합니다 . 최종 폐수는 인근 하천으로 배출됩니다. 2 차 정화기 아래에서 활성 슬러지의 일부는 폭기조로 다시 재활용되어 2 차 처리의 효율성을 높입니다.
우리는 2 차 처리 구성 요소의 기하학적 구조와 다양한 종의 유입 농도에 대한 자세한 정보를 이용할 수 있기 때문에 사례 연구를 위해이 WWTP를 선택했습니다. 정보는 상세하지만 완전하지는 않으며이 불완전한 정보는 폐수 농도에 중대한 영향을 미칠 것이며 나중에 논의 할 것입니다.
지오메트리 생성 및 메싱은 간단했습니다. FLOW-3D 에는 완전한 WWTP를 완전히 정의하는 데 사용 된 기본 지오메트리 모양 모음이 있습니다. 이러한 모양은 생성하기 쉽고 외부 CAD 소프트웨어를 사용하여 생성 된 일부 지오메트리와 달리 오류가 없습니다. 마찬가지로, 구조화 된 그리드를 사용하면 구조화되지 않은 그리드 생성과 관련된 일반적인 오류를 처리하는 시간이 절약되었습니다.
폭기조 내부의 물리학은 복잡하며 질량 및 운동량 보존 방정식 (Navier-Stokes 방정식), 종 수송, 반응 역학, 산소 용해 및 연속 밀도 평가의 완전한 시스템을 해결해야합니다. FLOW-3D 는 가장 정확한 계산을 위해 완전히 결합 된 방식으로 이러한 모든 물리학을 설명합니다.
세 가지 표준 수학적 모델 인 ASM-1, ASM-2 및 ASM-3 중에서 연구자들은이 WWTP에서 ASM-1 수학적 모델을 사용합니다. 이는 간단하면서도 많은 중요한 생화학 과정을 다루기 때문입니다. ASM-1 모델은 일반적으로 폐수에서 발견되거나 처리 과정에서 생성되는 13 종의 진화를 고려합니다 [표 1].
| 종 | 종 ID | Zele의 초기 유입 농도 (mg / l) |
|---|---|---|
| 가용성 불활성 유기물 | SI | 7.5 |
| 쉽게 생분해되는 기질 | SS | 400.0 |
| 미립자 불활성 유기물 | XI | 40.0 |
| 천천히 생분해되는 기질 | XS | 40.0 |
| 활성 종속 영양 바이오 매스 | XB, H | 120.0 |
| 활성 독립 영양 바이오 매스 | XB, A | 5.0 |
| 바이오 매스 붕괴로 인한 미립자 제품 | XP | 0.0 |
| 산소 | SO | 0.0 |
| 질산염 및 아질산염 질소 | SNO | 0.0 |
| 암모늄 질소 | SNH | 15.0 |
| 용해성 생분해 성 유기 질소 | SND | 8.2 |
| 미립자 생분해 성 유기 질소 | XND | 11.3 |
| 알칼리도 | SALK | Not included |
표 1. 표준 ASM-1 수학 시스템의 종 목록과 Zele WWTP에서 측정 된 초기 유입수 농도. 이러한 초기 농도 중 일부는 추론되며 큰 불확실성이 관련 될 수 있습니다. S와 X는 각각 용해성 물질과 미립자 물질을 나타냅니다.
이들 종 각각은 반응하지 않는 불활성 종 (SI 및 XI)을 제외하고 하나 이상의 생화학 적 과정에 의존합니다. 불활성 종의 유입 및 유출 농도는 XI의 경우와 같이 침전으로 인해 달라질 수 있습니다. SALK는 WWTP에서 측정되지 않았기 때문에이 사례 연구에서 무시되었습니다.
폐수 엔지니어가 관심을 갖는 주요 유출량은 총 화학적 산소 요구량 (COD tot ), 암모늄 질소 (SNH) 농도, 아질산염 및 질산염 질소 (SNO) 및 총 킬달 질소 (TKN)입니다.
이 양은 처리 된 물의 전반적인 품질을 나타냅니다.
| 유출량 | 측정 된 유입 농도 (mg / l) | FLOW-3D 유출 농도 (mg / l) |
|---|---|---|
| CODtot | 600 | 264.04 |
| SNH | 15 | 30.34 |
| SNO | 0 | 1.86 |
| TKN | 35 | 37.28 |
총 COD, SNH 및 TKN의 농도는 폐수가 폭기조를 통과하여 WWTP를 빠져 나 가면서 감소해야합니다. 이 동작은 총 COD [표 2]에 대해 올바르게 예측되지만 SNH 및 TKN에 대해서는 그렇지 않습니다. SNO의 농도는 증가 할 것으로 예상되며 이는 ASM 솔버에 의해 정확하게 예측됩니다. 모든 폐수 종의 농도는 아래 애니메이션에 표시됩니다.
애니메이션은 Zele WWTP에있는 모든 종의 진화에 대한 시뮬레이션 결과를 보여줍니다.
나는 폐수에서 일부 종의 잘못된 진화를 모델링의 가정과 누락된 WWTP 데이터에 기인합니다. 유입수에서 측정 된 종 농도의 불확실성; 초기 농도에 대한 정보 누락; 그리고 입자상 물질의 침강 특성에 대한 누락 된 데이터는 폐수의 종 농도에 영향을 미쳤을 가능성이 있습니다.
마찬가지로 불완전한 지오메트리 사양은 WWTP 내부의 유체 역학 계산의 정확성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 폭기조에 산소를 살포하는 것에 대한 정보는 부분적으로 만있었습니다. 산소는 다른 종의 부패와 성장에 큰 영향을 미치는 중요한 구성 요소입니다.
WWTP의 모든 데이터를 항상 측정 할 수있는 것은 아닙니다. 이러한 경우 보정 된 수치 모델을 가상 실험실로 효과적으로 사용하여 다양한 WWTP 설계를 테스트 할 수 있습니다. 이 사례 연구는 특히 폭기조에서 WWTP의 2 차 처리 부분에서 종의 농도를 추적 할 수 있음을 보여줍니다. 그리고 이것은 유체 역학 효과를 고려하면서 할 수 있습니다. 완전한 WWTP 데이터와 문제 사양이 존재하는 경우 엔지니어와 설계자는 WWTP 플랜트 운영 및 설계 최적화에 대해 더 나은 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 있습니다.
우리는 활성 슬러지 모델을 추가로 개발하고 보정하기 위해 폐수 처리 산업의 연구원 및 전문가와 협력 할 수 있습니다. 귀하의 WWTP 프로젝트 및 연구에 대해 논의하려면 adwaith@flow3d.com 으로 이메일을 보내 주십시오 .
[1] Henze M., Lossdrecht M.C.M., Ekama G.A., Brdjanovic D., Biological Wastewater Treatment, Principles, Modelling and Design, IWA publishing 2008.
[2] Peterson B., Vanrollenghem P.A., Gernaey K., Henze M. (2002) Evaluation of an ASM-1 model calibration procedure on a municipal–industrial wastewater treatment plant, Journal of Hydroinformatics, 4(1): 15-38.
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D. K. H. Ho, S. M. Donohoo, K. M. Boyes and C. C. Lock
Advanced Analysis, Worley Pty Limited
L7, 116 Miller Street, North Sydney, NSW 2060 Australia
Tel: +61 2 8923 6817 e-mail: david.ho@worley.com.au
엔지니어링 설계에서 유한 요소, 유한 차분 및 전산 유체 역학 분석 소프트웨어와 같은 수치 도구의 일상적인 사용이 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 소프트웨어 및 하드웨어 기술의 발전은보다 비선형적이고 복잡한 3 차원 분석이 수행되고 있음을 의미합니다.
그러나 본질적으로 “블랙 박스”인 이러한 강력한 소프트웨어는 “컴퓨팅”기술을 보유하고 있지만 광범위한 엔지니어링 경험이 필요하지 않은 분석가의 손에 “컴퓨터 보조 재해”로 이어질 수 있습니다. 품질 보증 절차의 엄격한 구현은 수치 모델이나 분석 기법이 정확한지 확인할 필요가 없을 수 있습니다.
이 백서에서는 복잡성이 증가하는 세 가지 실제 토목 공학 응용 프로그램에서 수치 분석 결과를 검증하는 방법을 설명합니다. 여기에는 유한 요소법을 이용한 수조 탱크의 구조 해석, 전산 유체 역학법을 이용한 수력 구조물 위의 홍수 조사, 유한 차분법을 이용한 안벽 시공 시뮬레이션 등이 있습니다. 입력 데이터의 불확실성 수준과 각 사례에 대한 계산 결과의 신뢰성에 대해 논의합니다. 분석 과정에서 몇 가지 흥미로운 결과가 발견되었습니다.
첫 번째 사례 연구는 시공의 질이 구조물의 성능에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 그러나 설계자는 설계 단계에서 이러한 상황을 수량화하고 분석하지 못할 수도 있습니다. 필요할 경우 향후 역분석은 물론 설계 검증의 기준점이 될 수 있도록 공사 종료 시 모니터링의 중요성이 필수적입니다. 유한 요소 분석은 복잡한 문제를 분석할 수 있는 강력한 수치 도구이지만, 분석가들은 문제의 행동이 단순하고 잘 이해되는 것처럼 보일 수 있는 상황에서 예상치 못한 결과를 만날 수 있도록 준비해야 합니다.
두 번째 사례 연구에서는 중요한 배수로 구조에 전산 유체 역학 분석이 처음으로 적용 되었기 때문에 엄격한 검증 프로세스가 강조됩니다. 그것은 2D ogee 방수로 프로파일로 시작하여 문제의 방수로의 3D 모델을 분석하기 위해 진행되는 방식으로 수행되었습니다.
계산된 결과를 각 단계에서 이론 및 물리적 테스트 데이터와 비교했습니다. 유체 흐름 문제의 비선형적 특성에도 불구하고, 분석은 확신을 가지고 실제 설계 목적에 적합한 결과를 제공할 수 있었습니다.
최종 사례 연구에서는 안벽의 거동이 시공 이력과 매립 방식에 영향을 받은 것으로 나타났습니다. 벽의 움직임은 매우 가변적인 토양 속성에도 불구하고 질적으로도 단순한 비선형 토양 모델을 사용하여 정확하게 예측되었습니다. 지속적인 모니터링 기록이 없기 때문에 검증은 어려웠습니다. 계산된 결과를 검증하는 열쇠는 수치 소프트웨어 도구를 사용하지 않는 독립적인 계산을 찾는 것입니다. 대부분의 경우 이러한 솔루션을 사용할 수 있습니다. 그러나 다른 경우에는 실험실 또는 현장 관찰에만 의존할 수 있습니다.
오늘날 수치 해석은 대부분의 엔지니어링 설계에서 필수적인 부분을 형성합니다. 따라서 결과 검증의 필요성은 분석 기술 / 방법론을 신뢰할 수 있고 설계자가 계산 된 결과에 대한 확신을 가질 수 있도록 설계 프로세스 전반에 걸쳐 매우 중요합니다.
일반적인 관행은 고전 이론, 실험 데이터, 게시 된 데이터, 유사한 구조의 성능 및 다른 사람이 수행 한 수치 계산에 대해 결과를 검증하는 것입니다. 때때로 소프트웨어 개발자가 제공 한 벤치 마크 또는 검증 예제가 이러한 목적으로 사용될 수 있지만 전체 범위의 문제를 포괄 할만큼 포괄적 인 경우는 거의 없습니다.
수치 해석을 시작하기 전에 분석가는 입력 데이터의 신뢰성, 소프트웨어 도구가 문제의 문제를 해결할 수 있는지 여부 및 결과를 검증하는 방법을 결정해야합니다. 검증 프로세스가 많은 실무자들에 의해 품질 보증 절차의 일부로 채택되었지만 비용이 많이 드는 실패가 여전히 발생했습니다 [1].
결과 검증의 필요성은 수치 분석의 사용 (남용)에서 일부 나쁜 업계 관행을 관찰함으로써 강화 될 수 있습니다. 수치 계산을 수행하기 위해 고용 된 일부 엔지니어 / 분석가는 계산 뒤에있는 기본 이론을 완전히 이해하지 못하거나 숨겨진 함정을 처리 할 수있는 실제 엔지니어링 경험이 충분하지 않을 수 있습니다.
일부 소프트웨어가 “CAD와 유사”해지고 많은 사람들이 작동하기 쉽다고 주장하기 때문에 엔지니어링 회사가 대학원 엔지니어 대신 초보를 고용하여 수치 모델링 및 분석을 수행하는 경향이 점차 증가하고 있습니다.
사용자는 복잡한 지오메트리 모델을 생성하고, 적절한 요소와 메시를 만들고, 각 하중 케이스에 대한 경계 조건 (접촉, 하중 및 고정)을 적용하고, 속성을 할당하고, 제출에 필요한 모든 플래그 / 스위치 / 버튼을 설정하는 데 상당한 노력을 기울일 것입니다.
분석이 실행됩니다. 자체 검사를위한 일부 품질 보증 절차는 전처리 단계에서 따를 수 있지만 계산이 완료되고 결과가 후 처리 될 때까지 많은 사용자는 출력이 어느 정도 정확하다고 쉽게 믿을 것입니다. 지오메트리 생성은 수치 모델링 프로세스의 일부일뿐입니다. 가장 어려운 문제 중 하나는 전체 설계 프로세스에서 불확실성을 다루는 것입니다. 재료 속성 및 로딩 순서와 같은 입력과 관련된 불확실성이 있습니다.
예를 들어 모델이 선형 또는 비선형 방식으로 동작하는지 여부와 같이 솔루션 유형의 적절성과 관련된 불확실성이 있습니다. 마지막으로 결과 해석과 관련된 불확실성이 있습니다. 수치 분석에서 결과를 검증하고 문제를 발견하는 데있어 분석가를위한 좋은 방법에 대한 간단한 지침은 없습니다. 그러나 다음 방법을 통해 점차적으로 달성 할 수 있습니다.
• 수치 적 방법 과정에 대한 좋은 이해 – 이것은 학부 및 / 또는 대학원 수준의 공식 교육을 통해 얻을 수 있으며 지속적인 전문성 개발의 일환으로 자습을 통해 더욱 향상 될 수 있습니다.
• 특정 유형의 문제에 대한 기본 이론과 해결책의 범위를 잘 이해합니다. 이 역시 위와 같은 교육을 통해 이루어질 수 있습니다.
• 실제 문제를 해결하는 데 공학적 판단을 사용하고 수치 분석을 수행 한 경험이 있습니다. 이는 숙련 된 엔지니어가 분석가를 적절하게 감독하는 환경에서 작업함으로써 얻을 수 있습니다.
품질 보증 시스템의 구현이 실행 가능한 솔루션으로 이어지는 엔지니어링 판단을 대체하는 것은 아니라는 점에 유의해야합니다. 복잡한 대규모 모델을 분석하기 전에 시뮬레이션 기술과 문제의 근본적인 동작을 완전히 이해하기 위해 간단한 테스트 모델을 사용하여 수치 “실험”을 수행해야하는 경우가 매우 많습니다.
경험에 따르면 때때로 테스트 모델 자체가 분석가가 최종 설계 솔루션에 도달 할 수있는 충분한 정보를 제공 할 수 있습니다. 해당 대형 복합 모델의 분석은 설계 기대치를 확인하는 것입니다. 다음 사례 연구는 결과 검증이 수행 된 방법과 신뢰 수준 및 불확실성이 해결된 방법을 보여줍니다.
일반적인 토목 공학 프로젝트에서 수치 분석은 구조 역학, 기하학 및 유체 역학의 세 가지 기본 분야 중 하나 또는 조합을 포함 할 수 있습니다. 문제의 성격은 토양-구조 상호 작용, 유체-구조 상호 작용 또는 토양-유체 상호 작용 중 하나로 분류 될 수 있습니다.
어떤 경우에는 세 가지 모두를 포함 할 수 있습니다. 잠재적 인 복잡성을 고려하여, 정확도를 잃지 않고 실제 목적을 위해 중요한 동작을 캡처하지 않고 문제를 단순화하기 위해 몇 가지 가정과 이상화가 이루어져야합니다. 이러한 문제를 해결할 수있는 범용 및 특수 수치 분석 소프트웨어가 있습니다. 두 가지 유형의 소프트웨어가 사례 연구에 사용되었습니다.
직경 약 90m의 대형 원형 강철 물 탱크는 처음 채울 때 큰 벽면이 휘어지면서 탱크의 장기적인 구조적 무결성에 대한 우려를 불러 일으켰습니다.
물의 높이는 전체 저장 용량에서 약 10m였습니다. 지붕 구조는 탱크 내부에있는 기둥으로 거의 전적으로지지되었습니다. 스트레이크(strakes)는 벽의 바닥 1/3이 더 두꺼운 고급 강판으로 구성되었습니다. 1 차 윈드 거더는 탱크 상단 주위에 용접되었고 2 차 윈드 거더는베이스 위 2/3에 위치했습니다. 하단 스트레이 크는 환형베이스 플레이트에 필렛 용접되었습니다. 내부 기둥의 기초를 제외한 전체 바닥은 용접 된 강판으로 덮여있었습니다.
이 탱크는 유능한 중간층 사암과 미사암 기반암 위에 압축된 채움물 위에 세워졌습니다. 일련의 축 대칭 유한 요소 분석 (FEA)을 수행하여 관찰된 처짐을 예측할 수 있는지 여부를 결정하고 매일 물을 채우고 비울 때 피로 파괴가 발생할 가능성으로 인해 벽 바닥의 응력 상태를 계산했습니다.
내부 기둥과 지붕 빔을 포함하는 탱크의 12 분의 1 섹터에 대한 3 차원 모델을 처음에 분석하여 벽이 얼마나 많은 지붕 자중을지지하고 축 대칭 가정의 타당성을 조사했는지 조사했습니다. 이 분석의 결과는 지붕 구조의 강성 기여도가 중요하지 않아 후속 축 대칭 모델에 포함되지 않았 음을 보여주었습니다.
그러나 지붕 자체 무게의 작은 부분이 벽에 적용됩니다. 축 대칭 모델은 모든 강철 섹션, 필렛 및 맞대기 용접 및 기초로 구성되었습니다 (그림 1). 그것들은 몇 개의 3 노드 삼각형 축 대칭 요소가있는 4 노드 비 호환 모드 사변형으로 이산화되었습니다.
용접 재료를 통해서만 하중 전달이 허용되도록 용접이 모델링되었습니다. 용접 연결부에 미세한 메시를 사용하여 응력 상태를 정확하게 포착했습니다. 롤러 지지대는 모델의 측면 및 하단 경계에 적용되었습니다. 다음과 같은 하중이 적용되었습니다 :
철골 구조물의 자중, 지붕 자중, 벽의 정수압, 수위에 따른 바닥의 균일 한 압력. 한 모델은 용접 또는베이스의 강판이 플라스틱 힌지를 형성하기 위해 항복되었다고 가정했습니다. 이 경우 벽 바닥에서 핀 연결이 모델링되었습니다.
벽 처짐은 그림 2에 나와 있습니다. 측정 범위와 계산 된 결과는 비교 목적으로 표시됩니다. 계산 된 벽 처짐을 검증하기 위해 두 벽 두께에 대한 Timoshenko 및 Woinowsky-Krieger [2]에 기반한 고전 이론도 그림에 표시되었습니다. 계산 된 편향은 이론적 계산에 의해 제한됨을 관찰 할 수 있습니다.
벽 두께의 변화로 인한 전이가 분석에서 포착되었습니다. 이것은 유한 요소 모델에 대한 확신을 제공했습니다. 윈드 거더와 구속 된베이스의 영향도 볼 수 있습니다. 윈드 거더 설치로 인해 초기 변형이 발생하여 공사가 끝날 때 벽 상단이 안쪽으로 당겨질 수 있습니다. 굽힘 동작이 발생한베이스 근처를 제외하고는 후프 동작이 벽 동작을 지배했습니다.
계산된 최대 처짐이 측정된 순서와 동일하더라도 최대 돌출이 발생한 높이는 예측되지 않았습니다. 실제로 조사 데이터는 몇 가지 가능한 시나리오를 제안했습니다.베이스에 플라스틱 힌지 형성 (그러나이 영역에서 계산 된 응력은 항복 강도를 초과하지 않았습니다). 지반 재료의 국부적 인 베어링 고장 (다시 현장에서 균열과 같은 명백한 지시 신호가 보이지 않음); 또는 탱크 건설이 끝날 때 내장 된 기하학적 결함이있었습니다. 사전 변형 된 탱크에서 역 분석을 수행하여 측정 된 처짐이 정수압 하에서 “회복”되었습니다. 그러나 계산된 응력은 수율을 훨씬 초과했습니다. 불행히도 탱크는 완성 후 첫 번째 충전 전에 즉시 조사되지 않았습니다.
탱크의 원래 디자인과 건설이 2000 년대 초에 수행되었다는 점은 흥미 롭습니다. 설계 계산에 관련 표준 [3]을 사용했습니다. 이 표준은 탱크 벽이 후프 동작만으로 작용한다고 가정하고이 구조의 경우가 아닌베이스의 제약 조건을 무시합니다. 벽 처짐의 크기는 기초 강성을 고려한 Rish [4]가 개발 한 고전 이론 [2] 또는 FEA와 같은 수치 분석에 의해 결정될 수 있습니다. 고급 강철을 사용하면 설계자는 강도에는 적합하지만 서비스 가능성에는 필요하지 않은 더 얇은 섹션을 선택해야합니다. 굽힘 강성은 큐브 두께에 의해 결정됩니다. 수중 부하에서 후속 벽 변형 프로파일은 제작 품질에 영향을받습니다. 이것은 설계 단계에서 추정하기 어려웠을 것입니다.
호주의 많은 댐 구조는 제한된 수 문학적 정보로 1950 년대와 60 년대에 설계 및 건설되었습니다. 이러한 기존 방수로 구조는 수정 된 가능한 최대 홍수 수준에 대처하기 위해 크기가 작습니다. 증가 된 홍수 조건 하에서 방수로 꼭대기에 대한 음압 생성과 같은 잠재적 인 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 방수로 및 게이트 구조에 불안정성 또는 캐비테이션 손상을 유발할 수 있습니다. 역사적으로 스케일링 된 물리적 모델은 이러한 동작을 연구하기 위해 수력 학 실험실에서 구성되었지만 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며 스케일링 효과와 관련된 많은 어려움이 있습니다. 오늘날 고성능 컴퓨터와보다 효율적인 전산 유체 역학 (CFD) 코드를 사용하여 수리적 구조의 동작을 합리적인 시간과 비용으로 수치 적으로 조사 할 수 있습니다. 이 분석 기법은 대도시 지역에 주요 상수원을 제공하는 가장 큰 콘크리트 중력 댐에 호주에서 처음으로 적용 되었기 때문에 검증을 수행 할 필요가있었습니다. 이것은 그림 3과 같이 조사 프로세스에 통합되었습니다. 순서도는 간단한 2D에서 상세한 3D 방수로 모델로 어떻게 발전했는지 보여줍니다.
미 육군 공병대 [5]에서 발표 한 광범위한 데이터가 있기 때문에 검증을 위해 ogee 방수로 프로필 (그림 4 참조)이 선택되었습니다. 계산 된 결과는 조사의 각 단계에서 검토되었습니다. 게시 된 데이터에서 크게 벗어나면 프로젝트가 중단됩니다. 이것은 프로젝트가 시작되기 전에 고객과 상호 합의되었습니다.
이러한 종류의 분석의 초기 어려움 중 하나는 개방 채널 중력 흐름 문제에서 자유 표면의 정확한 계산이었습니다. 자유 표면을 추적하는 데 적응 형 메싱 및 반복 방법을 사용하는 것은 일부 유한 체적 CFD 코드에서 사용되었지만 성공은 제한적이었습니다. 본 연구에 사용 된 코드는 SOLA-VOF 방법으로 Navier-Stokes 방정식을 해결합니다. 유체 운동의 과도 동작을 해결하기 위해 유한 차분 방법이 사용되었습니다. 유체의 부피 (VOF) 함수는 자유 표면 운동을 계산하는 데 사용됩니다 [6].
분석에 대한 자세한 내용은 [7]에 설명되어 있습니다. 계산 된 파고 압력 분포, 자유 표면 프로파일 및 정상 상태에서의 배출 속도는 검증 목적으로 사용되었습니다. 다른 상류 수두 (H) 아래의 배수로 꼭대기를 따라 압력 분포가 그림 5에 나와 있습니다. 일부 압력 진동은 코드가 일반 메시와 곡선 배수로 장애물 사이의 인터페이스에서 계산을 처리하는 방식에 기인 할 수 있습니다. 훨씬 더 미세한 메쉬는 이러한 불규칙성을 부드럽게 만들었습니다. 압력 분포에 대한 교각의 영향은 3D 모델에서 올바르게 예측되었습니다 (그림 6).
계산된 자유 표면 프로파일 (그림 7)도 게시 된 데이터와 잘 일치했습니다. Savage와 Johnson [8]은 분석 기법에 대한 신뢰도를 높이는 동일한 CFD 코드를 사용하여 유사한 유효성 검사를 수행했습니다. 문제의 배수로에 대한 후속 분석은 스케일링 된 물리적 모델 테스트에서 얻은 결과와 비교할 때 상당히 좋은 결과를 제공했습니다.
분석에서 배수로의 기하학적 구조와 물 속성이 잘 정의되었습니다. 물은 비압축성이며 고정 된 온도에서 일정한 특성을 가지고 있다고 가정했습니다. 실제로 좋은 품질의 콘크리트 표면 마감을 얻을 수 있기 때문에 배수로 경계는 매끄럽다 고 가정했습니다. 불확실성은 메쉬 밀도와 적절한 난류 모델의 선택이라는 두 가지 소스에서 비롯됩니다. 메쉬 크기는 메모리 양과 컴퓨터의 클럭 속도에 의해 제한됩니다.
높은 레이놀즈 수의 난류 흐름은 소용돌이와 소용돌이의 형성을 포착 할 수있는 매우 미세한 메시로 계산할 수 있지만 현재 메시 밀도는 검증 및 설계 목적에 필요한 변수를 예측하기에 충분히 미세했습니다. 조사 결과는 큰 와류, k-ε 및 RNG 모델과 같은 난류 모델의 선택에 의해 크게 영향을받지 않는 것으로 나타났습니다. 분명히 벽 거칠기와 난류 모델의 도입은 방전율을 감소시킬 것입니다. 그러나 다시 분석 결과는 사용 된 메시에 거의 영향을 미치지 않음을 보여줍니다. 향후 분석은 다른 메쉬 밀도로 인한 이산화 오류를 조사 할 것입니다.
사례 3 – 안벽 건설
주요 컨테이너 항구 시설은 설계 단계에서 최소한의 수치 분석을 수행하여 약 25 년 전에 건설되었습니다. 당시에는 이러한 분석 도구를 사용하는 것이 비용 효율적이지 않은 것으로 간주되었습니다. 다수의 컨테이너 크레인이 측면을 따라 이어지는 2km 길이의 안벽을 건설하기 위해 광범위한 준설 및 매립 작업이 수행되었습니다.
시설이 완공 된 이후 일련의 콘크리트 카운터 포트 유닛으로 구성된 안벽과 후방 크레인 빔은 크레인이 할 수 있도록 후방 빔에 대한 레벨 조정 작업이 수행 될 정도로 지속적으로 이동하고 있습니다. 정상적으로 작동합니다. 그러나 영향을받는 두 구조물의 움직임을 저지하기 위해보다 영구적 인 해결책을 모색했습니다. 토양-구조 상호 작용 및 시공 시뮬레이션을 처리 할 수있는 명시 적 유한 차이 분석을 사용하여 다양한 교정 옵션의 순위를 지정했습니다.
그라우트 기둥, 타이백 앵커 및 말뚝 지지대와 같은 다양한 제안 된 개선을 분석하기 전에, 토양 및 구조적 특성과 시공 과정의 선택이 적절하도록 계산 모델을 관찰에 대해 보정해야한다고 결정했습니다. 지질 및 지질 공학 정보는 현장 및 실험실 테스트 데이터를 포함하는 현장 조사 보고서에서 평가되었습니다. 시설의 범위를 고려할 때 현장에서 만나는 특정 토양 유형에 대해 상당한 분산 테스트 데이터가 예상됩니다. 수력 모래 충전재에 대한 표준 침투 테스트 (SPT) 블로우 횟수 (N) 및 콘 침투 테스트 (CPT) 저항 (qc)에 대한 몇 가지 일반적인 기록이 그림 8과 9에 나와 있습니다.
이 결과로부터 평균 해수면 위와 아래에있는 모래 채우기의 강도와 강성의 대비를 관찰 할 수 있습니다. 이 현상은 배치 방법에 기인한다고 제안되었다 [9]. 또한 기초 수준에서 진동 압축 된 모래의 특성에도 변동이있었습니다. 분석을 위해 선택된 토양 특성은 테스트 데이터, 인근 사이트의 경험 및 유사한 토양 조건에 대한 발표 된 데이터를 기반으로합니다. 그것들은 표 1에 요약되어 있습니다. 일반적으로 시설의 건설 순서는 다음과 같습니다.
Table 1 Soil properties used in the construction
simulation of the quay wall
2D 평면 변형 모델의 수치 시뮬레이션에서 구성 순서 (그림 10)와 하중은 다음 단계에 따라 단순화 / 이상적입니다.
분석에서는 침수 된 물질과 평균 해수면 위에있는 물질을 나타 내기 위해 적절한 밀도를 사용했습니다. 안벽의 장기적인 움직임이 중요했기 때문에 배수 된 토양 매개 변수가 사용되었습니다. 토양은 분석에서 Mohr-Coulomb 실패 기준을 따르는 것으로 가정되었습니다. 단순한 탄성-완전 소성 응력-변형 거동이 가정되었습니다. 일련의 강체 다이어그램으로 표현 된 안벽 이동의 역사는 그림 11에 나와 있습니다. 벽의 상단과 바닥에서 계산 된 수직 및 수평 이동은 그림 12와 13에 표시됩니다. 수치는 모니터링 된 데이터와 해당 상한 및 하한 (해당 상자에 표시됨)입니다. 측정에서 산란의 양에도 불구하고 벽 건설에 대해 계산 된 움직임은 합리적으로 잘 비교되었습니다. 조사 데이터와 예측을 일치시키기 위해 분석에서 토양 속성을 변경하려는 시도가 없었습니다. 반복되는 크레인 하중의 래칫 효과를 관찰 할 수 있습니다. 불행히도 반복적 인 크레인 하중 하에서 벽 이동에 대한 기준이 없었기 때문에 이러한 예상 이동을 비교할 수 없었습니다. 문제의 복잡성과 고도로 가변적 인 토양 특성을 고려할 때 계산 된 결과는 매우 고무적입니다.
토양에서 플라스틱 구역의 발달도 분석에서 계산되었습니다. 벽의 발가락 아래의 토양이 여러 번 과도하게 압박을받는 것으로 밝혀졌습니다. 접촉 압력은 경사 하중으로 인한 베어링 고장에 대한 안전 지표 (FOS)를 결정하는 데 사용되었습니다. 지지력은 계산 방법에 의해 크게 영향을 받았다고보고되었습니다 [10]. 원래의 기초 디자인은 덴마크 코드 [11]를 기반으로했기 때문에이 경우 일관성을 위해 사용되었습니다. 편심의 함수로서 FOS의 발전과 수평 대 수직 추력 (H / V)의 비율이 각각 그림 14와 15에 나와 있습니다.
그림은 벽이 추가 요금과 반복적 인 적재 단계 동안 국부적 인 베어링 고장에 가까웠음을 보여줍니다. 크레인 하중 하에서 FOS의 명백한 증가는 벽에 대한 수직 하중이 증가하는 반면 유지된 토양의 수평 압력이 다소 일정하게 유지됨에 따라 편심이 감소했기 때문입니다.
끝 맺는 말
세 가지 매우 다른 실제 응용 프로그램의 유효성 검사 프로세스가 설명되었습니다. 각 사례의 주요 특징과 결과는 표 2에 요약되어 있습니다. 재료 및 하중 불확도 및 예상 결과가 강조 표시됩니다. 건설 품질은 구조의 성능에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
이는 분석가가 프로젝트의 설계 단계에서 정량화하고 정확하게 분석하지 못할 수도 있습니다. 구조가 완료된 직후 모니터링의 중요성을 간과해서는 안됩니다. 이것은 미래의 역 분석을위한 유용한 자료가 될 것입니다. 수치 도구가 이러한 복잡한 문제를 분석 할 수 있다는 사실에도 불구하고 분석가는 어떤 매개 변수가 중요하거나 중요하지 않은지 식별 할 준비가되어 있어야합니다.
익숙하지 않은 문제를 분석 할 때 유효성 검사 프로세스를 점진적으로 수행해야합니다. 아마도 검증 방법을 찾는 핵심은 수치 분석 도구를 사용하지 않고 솔루션에 도달 할 수있는 다른 방법이 있는지 묻는 것입니다. 많은 경우 이러한 솔루션은 광범위한 문헌 검색 후에 존재합니다. 그러나 다른 경우에는 실험실 테스트와 현장 관찰이 유일한 대안이 될 것입니다.
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[11] DS 415 (1984) Code of Practice for Foundation Engineering. Table 2 Summary of findings for the three case studies
낮은 수두 수력 – 설계 및 경제적 잠재력
Jana Hadler1,*, Klaus Broekel1
1 University of Rostock, Institute of Engineering Design, Rostock, Germany
초록 :
FSEC (Free Stream Energy Converter)의 대규모 모델이 구축되었으며 보호 지역과 조수 지역에 설치할 수 있습니다. 이것은 FP7이 자금을 지원하는 EU-Project HYLOW의 결정된 목표 중 하나입니다. 로프 윈치와 견인 보트를 사용한 첫 번째 현장 테스트가 수행되었습니다.
또한, Rostock 근처의 보호 지역과 조수 조건 및 선박 교통 하에서 Ems 강에 설치하는 것은 2011 년 상반기에 계획되어 있습니다. 또한 FSEC에 대한 영구적인 설계 제어는 행동 모니터링만큼 필요합니다.
모든 사이트에 배치 된 모델의 설계 변경이나 수정이 필요한 경우에는 각각 가까운 철강 건설 회사에서 현장에서 직접 수행 할 수 있습니다.
그러나 이것이 실행에 적합한지는 여전히 다른 요인에 의해 좌우됩니다. 조사는 주로 기술적, 생태학적 수준에 한정되어 있습니다.
이제는 비용 측면의 개발도 살펴볼 필요가 있습니다. 설계 및 재료 비용에 이르는 비용 편익 분석에 대한 자금 조달 및 경제적 효율성에 대한 고려를 시작으로, 유럽의 필요성은 낮은 잠재력을 위해 수력 발전소에서 결정되어야 합니다. 수력 발전 계획의 실현에는 오랜 시간이 걸립니다.
설계 변경 또는 변경이 필요한 경우, 이 작업은 가까운 철강 건설 회사에서 현장에서 직접 수행할 수 있습니다.
Hylow 프로젝트의 한 가지 이유는 에너지 수요 증가 때문입니다. 또 다른 하나는 천연 자원의 감소를 고려할 때 부인할 수없는 중요성 때문에 재생 가능한 에너지를 구현해야한다는 것입니다. 소수력은 이미 제한되어있는 화석 연료를 대체 할 수 있습니다. 유럽위원회는 재생 에너지로의 변화를 시작하기 위해 특정 목표를 정했습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 경제적으로 매력적이지 않았던 에너지 생성 시스템에 더 큰 우선 순위를 부여했습니다. Hylow 프로젝트는 낮은 수두 차이를위한 모바일 에너지 변환기 개발에 초점을 맞추고 있습니다.
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An interface between a gas and liquid is often referred to as a free surface. The reason for the “free” designation arises from the large difference in the densities of the gas and liquid (e.g., the ratio of density for water to air is 1000). A low gas density means that its inertia can generally be ignored compared to that of the liquid. In this sense the liquid moves independently, or freely, with respect to the gas. The only influence of the gas is the pressure it exerts on the liquid surface. In other words, the gas-liquid surface is not constrained, but free.
기체와 액체 사이의 계면은 종종 자유 표면이라고합니다. ‘자유’라는 호칭이 된 것은 기체와 액체의 밀도가 크게 다르기 때문입니다 (예를 들어, 물 공기에 대한 밀도 비는 1000입니다). 기체의 밀도가 낮다는 것은 액체의 관성에 비해 기체의 관성은 일반적으로 무시할 수 있다는 것을 의미합니다. 이러한 의미에서, 액체는 기체에 대해 독립적으로, 즉 자유롭게 움직입니다. 기체의 유일한 효과는 액체의 표면에 대한 압력입니다. 즉, 기체와 액체의 표면은 제약되어있는 것이 아니라 자유롭다는 것입니다.
In heat-transfer texts the term ‘Stephen Problem’ is often used to describe free boundary problems. In this case, however, the boundaries are phase boundaries, e.g., the boundary between ice and water that changes in response to the heat supplied from convective fluid currents.
열전달에 관한 문서는 자유 경계 문제를 묘사할 때 “Stephen Problem’”라는 용어가 자주 사용됩니다. 그러나 여기에서 경계는 상(phase) 경계, 즉 대류적인 유체의 흐름에 의해 공급된 열에 반응하여 변화하는 얼음과 물 사이의 경계 등을 말합니다.
Whatever the name, it should be obvious that the presence of a free or moving boundary introduces serious complications for any type of analysis. For all but the simplest of problems, it is necessary to resort to numerical solutions. Even then, free surfaces require the introduction of special methods to define their location, their movement, and their influence on a flow.
이름이 무엇이든, 자유 또는 이동 경계가 존재한다는 것은 어떤 유형의 분석에도 복잡한 문제를 야기한다는 것은 분명합니다. 가장 간단한 문제를 제외한 모든 문제에 대해서는 수치 해석에 의존할 필요가 있습니다. 그 경우에도 자유 표면은 위치, 이동 및 흐름에 미치는 영향을 정의하기 위한 특별한 방법이 필요합니다.
In the following discussion we will briefly review the types of numerical approaches that have been used to model free surfaces, indicating the advantages and disadvantages of each method. Regardless of the method employed, there are three essential features needed to properly model free surfaces:
다음 설명에서는 자유 표면 모델링에 사용되어 온 다양한 유형의 수치적 접근에 대해 간략하게 검토하고 각 방법의 장단점을 설명합니다. 어떤 방법을 사용하는지에 관계없이 자유롭게 표면을 적절히 모델화하는 다음의 3 가지 기능이 필요합니다.
Conceptually, the simplest means of defining and tracking a free surface is to construct a Lagrangian grid that is imbedded in and moves with the fluid. Many finite-element methods use this approach. Because the grid and fluid move together, the grid automatically tracks free surfaces.
개념적으로 자유 표면을 정의하고 추적하는 가장 간단한 방법은 유체와 함께 이동하는 라그랑주 격자를 구성하는 것입니다. 많은 유한 요소 방법이 이 접근 방식을 사용합니다. 격자와 유체가 함께 움직이기 때문에 격자는 자동으로 자유 표면을 추적합니다.
At a surface it is necessary to modify the approximating equations to include the proper boundary conditions and to account for the fact that fluid exists only on one side of the boundary. If this is not done, asymmetries develop that eventually destroy the accuracy of a simulation.
표면에서 적절한 경계 조건을 포함하고 유체가 경계의 한면에만 존재한다는 사실을 설명하기 위해 근사 방정식을 수정해야합니다. 이것이 수행되지 않으면 결국 시뮬레이션의 정확도를 훼손하는 비대칭이 발생합니다.
The principal limitation of Lagrangian methods is that they cannot track surfaces that break apart or intersect. Even large amplitude surface motions can be difficult to track without introducing regridding techniques such as the Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) method. References 1970 and 1974 may be consulted for early examples of these approaches.
라그랑지안 방법의 주요 제한은 분리되거나 교차하는 표면을 추적 할 수 없다는 것입니다. ALE (Arbitrary-Lagrangian-Eulerian) 방법과 같은 격자 재생성 기법을 도입하지 않으면 진폭이 큰 표면 움직임도 추적하기 어려울 수 있습니다. 이러한 접근법의 초기 예를 보려면 참고 문헌 1970 및 1974를 참조하십시오.
The remaining free-surface methods discussed here use a fixed, Eulerian grid as the basis for computations so that more complicated surface motions may be treated.
여기에서 논의된 나머지 자유 표면 방법은 보다 복잡한 표면 움직임을 처리할 수 있도록 고정된 오일러 그리드를 계산의 기준으로 사용합니다.
Low amplitude sloshing, shallow water waves, and other free-surface motions in which the surface does not deviate too far from horizontal, can be described by the height, H, of the surface relative to some reference elevation. Time evolution of the height is governed by the kinematic equation, where (u,v,w) are fluid velocities in the (x,y,z) directions. This equation is a mathematical expression of the fact that the surface must move with the fluid:
낮은 진폭의 슬로 싱, 얕은 물결 및 표면이 수평에서 너무 멀리 벗어나지 않는 기타 자유 표면 운동은 일부 기준 고도에 대한 표면의 높이 H로 설명 할 수 있습니다. 높이의 시간 진화는 운동학 방정식에 의해 제어되며, 여기서 (u, v, w)는 (x, y, z) 방향의 유체 속도입니다. 이 방정식은 표면이 유체와 함께 움직여야한다는 사실을 수학적으로 표현한 것입니다.
Finite-difference approximations to this equation are easy to implement. Further, only the height values at a set of horizontal locations must be recorded so the memory requirements for a three-dimensional numerical solution are extremely small. Finally, the application of free-surface boundary conditions is also simplified by the condition on the surface that it remains nearly horizontal. Examples of this technique can be found in References 1971 and 1975.
이 방정식의 유한 차분 근사를 쉽게 실행할 수 있습니다. 또한 3 차원 수치 해법의 메모리 요구 사항이 극도로 작아지도록 같은 높이의 위치 값만을 기록해야합니다. 마지막으로 자유 표면 경계 조건의 적용도 거의 수평을 유지하는 표면의 조건에 의해 간소화됩니다. 이 방법의 예는 참고 문헌의 1971 및 1975을 참조하십시오.
The earliest numerical method devised for time-dependent, free-surface, flow problems was the Marker-and-Cell (MAC) method (see Ref. 1965). This scheme is based on a fixed, Eulerian grid of control volumes. The location of fluid within the grid is determined by a set of marker particles that move with the fluid, but otherwise have no volume, mass or other properties.
시간 의존성을 가지는 자유 표면 흐름의 문제에 대해 처음 고안된 수치 법이 MAC (Marker-and-Cell) 법입니다 (참고 문헌 1965 참조). 이 구조는 컨트롤 볼륨 고정 오일러 격자를 기반으로합니다. 격자 내의 유체의 위치는 유체와 함께 움직이고, 그 이외는 부피, 질량, 기타 특성을 갖지 않는 일련의 마커 입자에 의해 결정됩니다.
Grid cells containing markers are considered occupied by fluid, while those without markers are empty (or void). A free surface is defined to exist in any grid cell that contains particles and that also has at least one neighboring grid cell that is void. The location and orientation of the surface within the cell was not part of the original MAC method.
마커를 포함한 격자 셀은 유체로 채워져있는 것으로 간주되며 마커가 없는 격자 셀은 빈(무효)것입니다. 입자를 포함하고, 적어도 하나의 인접 격자 셀이 무효인 격자의 자유 표면은 존재하는 것으로 정의됩니다. 셀 표면의 위치와 방향은 원래의 MAC 법에 포함되지 않았습니다.
Evolution of surfaces was computed by moving the markers with locally interpolated fluid velocities. Some special treatments were required to define the fluid properties in newly filled grid cells and to cancel values in cells that are emptied.
표면의 발전(개선)은 국소적으로 보간된 유체 속도로 마커를 이동하여 계산되었습니다. 새롭게 충전된 격자 셀의 유체 특성을 정의하거나 비어있는 셀의 값을 취소하거나 하려면 특별한 처리가 필요했습니다.
The application of free-surface boundary conditions consisted of assigning the gas pressure to all surface cells. Also, velocity components were assigned to all locations on or immediately outside the surface in such a way as to approximate conditions of incompressibility and zero-surface shear stress.
자유 표면 경계 조건의 적용은 모든 표면 셀에 가스 압력을 할당하는 것으로 구성되었습니다. 또한 속도 성분은 비압축성 및 제로 표면 전단 응력의 조건을 근사화하는 방식으로 표면 위 또는 외부의 모든 위치에 할당되었습니다.
The extraordinary success of the MAC method in solving a wide range of complicated free-surface flow problems is well documented in numerous publications. One reason for this success is that the markers do not track surfaces directly, but instead track fluid volumes. Surfaces are simply the boundaries of the volumes, and in this sense surfaces may appear, merge or disappear as volumes break apart or coalesce.
폭넓게 복잡한 자유 표면 흐름 문제 해결에 MAC 법이 놀라운 성공을 거두고 있는 것은 수많은 문헌에서 충분히 입증되고 있습니다. 이 성공 이유 중 하나는 마커가 표면을 직접 추적하는 것이 아니라 유체의 체적을 추적하는 것입니다. 표면은 체적의 경계에 불과하며, 그러한 의미에서 표면은 분할 또는 합체된 부피로 출현(appear), 병합, 소멸 할 가능성이 있습니다.
A variety of improvements have contributed to an increase in the accuracy and applicability of the original MAC method. For example, applying gas pressures at interpolated surface locations within cells improves the accuracy in problems driven by hydrostatic forces, while the inclusion of surface tension forces extends the method to a wider class of problems (see Refs. 1969, 1975).
다양한 개선으로 인해 원래 MAC 방법의 정확성과 적용 가능성이 증가했습니다. 예를 들어, 셀 내 보간 된 표면 위치에 가스 압력을 적용하면 정 수력으로 인한 문제의 정확도가 향상되는 반면 표면 장력의 포함은 방법을 더 광범위한 문제로 확장합니다 (참조 문헌. 1969, 1975).
In spite of its successes, the MAC method has been used primarily for two-dimensional simulations because it requires considerable memory and CPU time to accommodate the necessary number of marker particles. Typically, an average of about 16 markers in each grid cell is needed to ensure an accurate tracking of surfaces undergoing large deformations.
수많은 성공에도 불구하고 MAC 방법은 필요한 수의 마커 입자를 수용하기 위해 상당한 메모리와 CPU 시간이 필요하기 때문에 주로 2 차원 시뮬레이션에 사용되었습니다. 일반적으로 큰 변형을 겪는 표면의 정확한 추적을 보장하려면 각 그리드 셀에 평균 약 16 개의 마커가 필요합니다.
Another limitation of marker particles is that they don’t do a very good job of following flow processes in regions involving converging/diverging flows. Markers are usually interpreted as tracking the centroids of small fluid elements. However, when those fluid elements get pulled into long convoluted strands, the markers may no longer be good indicators of the fluid configuration. This can be seen, for example, at flow stagnation points where markers pile up in one direction, but are drawn apart in a perpendicular direction. If they are pulled apart enough (i.e., further than one grid cell width) unphysical voids may develop in the flow.
마커 입자의 또 다른 한계는 수렴 / 발산 흐름이 포함된 영역에서 흐름 프로세스를 따라가는 작업을 잘 수행하지 못한다는 것입니다. 마커는 일반적으로 작은 유체 요소의 중심을 추적하는 것으로 해석됩니다. 그러나 이러한 유체 요소가 길고 복잡한 가닥으로 당겨지면 마커가 더 이상 유체 구성의 좋은 지표가 될 수 없습니다. 예를 들어 마커가 한 방향으로 쌓여 있지만 수직 방향으로 떨어져 있는 흐름 정체 지점에서 볼 수 있습니다. 충분히 분리되면 (즉, 하나의 그리드 셀 너비 이상) 비 물리적 공극이 흐름에서 발생할 수 있습니다.
One way to limit the memory and CPU time consumption of markers is to keep marker particles only on surfaces and not in the interior of fluid regions. Of course, this removes the volume tracking property of the MAC method and requires additional logic to determine when and how surfaces break apart or coalesce.
마커의 메모리 및 CPU 시간의 소비를 제한하는 방법 중 하나는 마커 입자를 유체 영역의 내부가 아니라 표면에만 보존하는 것입니다. 물론 이는 MAC 법의 체적 추적 특성이 배제되기 때문에 표면이 분할 또는 합체하는 방식과 시기를 특정하기위한 논리를 추가해야합니다.
In two dimensions the marker particles on a surface can be arranged in a linear order along the surface. This arrangement introduces several advantages, such as being able to maintain a uniform particle spacing and simplifying the computation of intersections between different surfaces. Surface markers also provide a convenient way to locate the surface within a grid cell for the application of boundary conditions.
2 차원의 경우 표면 마커 입자는 표면을 따라 선형으로 배치 할 수 있습니다. 이 배열은 입자의 간격을 균일하게 유지할 수있는 별도의 표면이 교차하는 부분의 계산이 쉽다는 등 몇 가지 장점이 있습니다. 또한 표면 마커를 사용하여 경계 조건을 적용하면 격자 셀의 표면을 간단한 방법으로 찾을 수 있습니다.
Unfortunately, in three-dimensions there is no simple way to order particles on surfaces, and this leads to a major failing of the surface marker technique. Regions may exist where surfaces are expanding and no markers fill the space. Without markers the configuration of the surface is unknown, consequently there is no way to add markers. Reference 1975 contains examples that show the advantages and limitations of this method.
불행히도 3 차원에서는 표면에 입자를 정렬하는 간단한 방법이 없으며 이로 인해 표면 마커 기술이 크게 실패합니다. 표면이 확장되고 마커가 공간을 채우지 않는 영역이 존재할 수 있습니다. 마커가 없으면 표면의 구성을 알 수 없으므로 마커를 추가 할 방법이 없습니다.
참고 문헌 1975이 방법의 장점과 한계를 보여주는 예제가 포함되어 있습니다.
The last method to be discussed is based on the concept of a fluid volume fraction. The idea for this approach originated as a way to have the powerful volume-tracking feature of the MAC method without its large memory and CPU costs.
마지막으로 설명하는 방법은 유체 부피 분율의 개념을 기반으로합니다. 이 접근 방식에 대한 아이디어는 대용량 메모리 및 CPU 비용없이 MAC 방식의 강력한 볼륨 추적 기능을 갖는 방법에서 시작되었습니다.
Within each grid cell (control volume) it is customary to retain only one value for each flow quantity (e.g., pressure, velocity, temperature, etc.) For this reason it makes little sense to retain more information for locating a free surface. Following this reasoning, the use of a single quantity, the fluid volume fraction in each grid cell, is consistent with the resolution of the other flow quantities.
각 격자 셀 (제어 체적) 내에서 각 유량 (예 : 압력, 속도, 온도 등)에 대해 하나의 값만 유지하는 것이 일반적입니다. 이러한 이유로 자유 표면을 찾기 위해 더 많은 정보를 유지하는 것은 거의 의미가 없습니다. 이러한 추론에 따라 각 격자 셀의 유체 부피 분율인 단일 수량의 사용은 다른 유량의 해상도와 일치합니다.
If we know the amount of fluid in each cell it is possible to locate surfaces, as well as determine surface slopes and surface curvatures. Surfaces are easy to locate because they lie in cells partially filled with fluid or between cells full of fluid and cells that have no fluid.
각 셀 내의 유체의 양을 알고 있는 경우, 표면의 위치 뿐만 아니라 표면 경사와 표면 곡률을 결정하는 것이 가능합니다. 표면은 유체 가 부분 충전 된 셀 또는 유체가 전체에 충전 된 셀과 유체가 전혀없는 셀 사이에 존재하기 때문에 쉽게 찾을 수 있습니다.
Slopes and curvatures are computed by using the fluid volume fractions in neighboring cells. It is essential to remember that the volume fraction should be a step function, i.e., having a value of either one or zero. Knowing this, the volume fractions in neighboring cells can then be used to locate the position of fluid (and its slope and curvature) within a particular cell.
경사와 곡률은 인접 셀의 유체 체적 점유율을 사용하여 계산됩니다. 체적 점유율은 계단 함수(step function)이어야 합니다, 즉, 값이 1 또는 0 인 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이 것을 안다면, 인접 셀의 부피 점유율을 사용하여 특정 셀 내의 유체의 위치 (및 그 경사와 곡률)을 찾을 수 있습니다.
Free-surface boundary conditions must be applied as in the MAC method, i.e., assigning the proper gas pressure (plus equivalent surface tension pressure) as well as determining what velocity components outside the surface should be used to satisfy a zero shear-stress condition at the surface. In practice, it is sometimes simpler to assign velocity gradients instead of velocity components at surfaces.
자유 표면 경계 조건을 MAC 법과 동일하게 적용해야 합니다. 즉, 적절한 기체 압력 (및 대응하는 표면 장력)을 할당하고, 또한 표면에서 제로 전단 응력을 충족 시키려면 표면 외부의 어떤 속도 성분을 사용할 필요가 있는지를 확인합니다. 사실, 표면에서의 속도 성분 대신 속도 구배를 지정하는 것이보다 쉬울 수 있습니다.
Finally, to compute the time evolution of surfaces, a technique is needed to move volume fractions through a grid in such a way that the step-function nature of the distribution is retained. The basic kinematic equation for fluid fractions is similar to that for the height-function method, where F is the fraction of fluid function:
마지막으로, 표면의 시간 변화를 계산하려면 분포의 계단 함수의 성질이 유지되는 방법으로 격자를 통과하고 부피 점유율을 이동하는 방법이 필요합니다. 유체 점유율의 기본적인 운동학방정식은 높이 함수(height-function) 법과 유사합니다. F는 유체 점유율 함수입니다.
A straightforward numerical approximation cannot be used to model this equation because numerical diffusion and dispersion errors destroy the sharp, step-function nature of the F distribution.
이 방정식을 모델링 할 때 간단한 수치 근사는 사용할 수 없습니다. 수치의 확산과 분산 오류는 F 분포의 명확한 계단 함수(step-function)의 성질이 손상되기 때문입니다.
It is easy to accurately model the solution to this equation in one dimension such that the F distribution retains its zero or one values. Imagine fluid is filling a column of cells from bottom to top. At some instant the fluid interface is in the middle region of a cell whose neighbor below is filled and whose neighbor above is empty. The fluid orientation in the neighboring cells means the interface must be located above the bottom of the cell by an amount equal to the fluid fraction in the cell. Then the computation of how much fluid to move into the empty cell above can be modified to first allow the empty region of the surface-containing cell to fill before transmitting fluid on to the next cell.
F 분포가 0 또는 1의 값을 유지하는 같은 1 차원에서이 방정식의 해를 정확하게 모델링하는 것은 간단합니다. 1 열의 셀에 위에서 아래까지 유체가 충전되는 경우를 상상해보십시오. 어느 순간에 액체 계면은 셀의 중간 영역에 있고, 그 아래쪽의 인접 셀은 충전되어 있고, 상단 인접 셀은 비어 있습니다. 인접 셀 내의 유체의 방향은 계면과 셀의 하단과의 거리가 셀 내의 유체 점유율과 같아야 한다는 것을 의미합니다. 그 다음 먼저 표면을 포함하는 셀의 빈 공간을 충전 한 후 다음 셀로 유체를 보내도록 위쪽의 빈 셀에 이동하는 유체의 양의 계산을 변경할 수 있습니다.
In two or three dimensions a similar procedure of using information from neighboring cells can be used, but it is not possible to be as accurate as in the one-dimensional case. The problem with more than one dimension is that an exact determination of the shape and location of the surface cannot be made. Nevertheless, this technique can be made to work well as evidenced by the large number of successful applications that have been completed using the VOF method. References 1975, 1980, and 1981 should be consulted for the original work on this technique.
2 차원과 3 차원에서 인접 셀의 정보를 사용하는 유사한 절차를 사용할 수 있지만, 1 차원의 경우만큼 정확하게 하는 것은 불가능합니다. 2 차원 이상의 경우의 문제는 표면의 모양과 위치를 정확히 알 수없는 것입니다. 그래도 VOF 법을 사용하여 달성 된 다수의 성공 사례에서 알 수 있듯이 이 방법을 잘 작동시킬 수 있습니다. 이 기법에 관한 초기의 연구 내용은 참고 문헌 1975,1980,1981를 참조하십시오.
The VOF method has lived up to its goal of providing a method that is as powerful as the MAC method without the overhead of that method. Its use of volume tracking as opposed to surface-tracking function means that it is robust enough to handle the breakup and coalescence of fluid masses. Further, because it uses a continuous function it does not suffer from the lack of divisibility that discrete particles exhibit.
VOF 법은 MAC 법만큼 강력한 기술을 오버 헤드없이 제공한다는 목표를 달성 해 왔습니다. 표면 추적이 아닌 부피 추적 기능을 사용하는 것은 유체 질량의 분할과 합체를 처리하는 데 충분한 내구성을 가지고 있다는 것을 의미합니다. 또한 연속 함수를 사용하기 때문에 이산된 입자에서 발생하는 숫자를 나눌 수 없는 문제를 겪지 않게 됩니다.
One feature of the VOF method that requires special treatment is the application of boundary conditions. As a surface moves through a grid, the cells containing fluid continually change, which means that the solution region is also changing. At the free boundaries of this changing region the proper free surface stress conditions must also be applied.
VOF 법의 특수 처리가 필요한 기능 중 하나는 경계 조건의 적용입니다. 표면이 격자를 통과하여 이동할 때 유체를 포함하는 셀은 끊임없이 변화합니다. 즉, 계산 영역도 변화하고 있다는 것입니다. 이 변화하고있는 영역의 자유 경계에는 적절한 자유 표면 응력 조건도 적용해야합니다.
Updating the flow region and applying boundary conditions is not a trivial task. For this reason some approximations to the VOF method have been used in which flow is computed in both liquid and gas regions. Typically, this is done by treating the flow as a single fluid having a variable density. The F function is used to define the density. An argument is then made that because the flow equations are solved in both liquid and gas regions there is no need to set interfacial boundary conditions.
유체 영역의 업데이트 및 경계 조건의 적용은 중요한 작업입니다. 따라서 액체와 기체의 두 영역에서 흐름이 계산되는 VOF 법에 약간의 근사가 사용되어 왔습니다. 일반적으로 가변 밀도를 가진 단일 유체로 흐름을 처리함으로써 이루어집니다. 밀도를 정의하려면 F 함수를 사용합니다. 그리고, 흐름 방정식은 액체와 기체의 두 영역에서 계산되기 때문에 계면의 경계 조건을 설정할 필요가 없다는 논증이 이루어집니다.
Unfortunately, this approach does not work very well in practice for two reasons. First, the sensitivity of a gas region to pressure changes is generally much greater than that in liquid regions. This makes it difficult to achieve convergence in the coupled pressure-velocity solution. Sometimes very large CPU times are required with this technique.
공교롭게도 이 방법은 두 가지 이유로 인해 실제로는 그다지 잘 작동하지 않습니다. 하나는 압력의 변화에 대한 기체 영역의 감도가 일반적으로 액체 영역보다 훨씬 큰 것입니다. 따라서 압력 – 속도 결합 해법 수렴을 달성하는 것은 어렵습니다. 이 기술은 필요한 CPU 시간이 매우 커질 수 있습니다.
The second, and more significant, reason is associated with the possibility of a tangential velocity discontinuity at interfaces. Because of their different responses to pressure, gas and liquid velocities at an interface are usually quite different. In the Variable-Density model interfaces are moved with an average velocity, but this often leads to unrealistic movement of the interfaces.
두 번째 더 중요한 이유는 계면에서 접선 속도가 불연속이되는 가능성에 관련이 있습니다. 압력에 대한 반응이 다르기 때문에 계면에서 기체와 액체의 속도는 일반적으로 크게 다릅니다. 가변 밀도 모델은 계면은 평균 속도로 동작하지만, 이는 계면의 움직임이 비현실적으로 되는 경우가 많습니다.
Even though the Variable-Density method is sometimes referred to as a VOF method, because is uses a fraction-of-fluid function, this designation is incorrect. For accurately tracking sharp liquid-gas interfaces it is necessary to actually treat the interface as a discontinuity. This means it is necessary to have a technique to define an interface discontinuity, as well as a way to impose the proper boundary conditions at that interface. It is also necessary to use a special numerical method to track interface motions though a grid without destroying its character as a discontinuity.
가변 밀도 방법은 유체 분율 함수를 사용하기 때문에 VOF 방법이라고도하지만 이것은 올바르지 않습니다. 날카로운 액체-가스 인터페이스를 정확하게 추적하려면 인터페이스를 실제로 불연속으로 처리해야합니다. 즉, 인터페이스 불연속성을 정의하는 기술과 해당 인터페이스에서 적절한 경계 조건을 적용하는 방법이 필요합니다. 또한 불연속성으로 특성을 훼손하지 않고 격자를 통해 인터페이스 동작을 추적하기 위해 특수한 수치 방법을 사용해야합니다.
A brief discussion of the various techniques used to numerically model free surfaces has been given here with some comments about their relative advantages and disadvantages. Readers should not be surprised to learn that there have been numerous variations of these basic techniques proposed over the years. Probably the most successful of the methods is the VOF technique because of its simplicity and robustness. It is this method, with some refinement, that is used in the FLOW-3D program.
여기에서는 자유 표면을 수치적으로 모델링 할 때 사용하는 다양한 방법에 대해 상대적인 장점과 단점에 대한 설명을 포함하여 쉽게 설명하였습니다. 오랜 세월에 걸쳐 이러한 기본적인 방법이 많이 제안되어 온 것을 알고도 독자 여러분은 놀라지 않을 것입니다. 아마도 가장 성과를 거둔 방법은 간결하고 강력한 VOF 법 입니다. 이 방법에 일부 개량을 더한 것이 현재 FLOW-3D 프로그램에서 사용되고 있습니다.
Attempts to improve the VOF method have centered on better, more accurate, ways to move fluid fractions through a grid. Other developments have attempted to apply the method in connection with body-fitted grids and to employ more than one fluid fraction function in order to model more than one fluid component. A discussion of these developments is beyond the scope of this introduction.
VOF 법의 개선은 더 나은, 더 정확한 방법으로 유체 점유율을 격자를 통과하여 이동하는 것에 중점을 두어 왔습니다. 기타 개발은 물체 적합 격자(body-fitted grids) 관련 기법을 적용하거나 여러 유체 성분을 모델링하기 위해 여러 유체 점유율 함수를 채용하기도 했습니다. 이러한 개발에 대한 논의는 여기에서의 설명 범위를 벗어납니다.
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원자로 격리 건물에서 파편 운송
이 기사는 FLOW-3D가 원자력 시설에서 봉쇄 시설의 성능을 모델링하는데 사용된 방법을 설명하며, Alion Science and Technology의 Tim Sande & Joe Tezak이 기고 한 바 있습니다.
가압수형 원자로 원자력 발전소에서 원자로 노심을 통해 순환되는 물은 약 2,080 psi 및 585°F의 압력과 온도로 유지되는 1차 배관 시스템에 밀폐됩니다. 수압이 높기 때문에 배관이 파손되면 격납건물 내에 여러 가지 이물질 유형이 생성될 수 있습니다. 이는 절연재가 장비와 균열 주변 영역의 배관에서 떨어져 나가기 때문에 발생합니다. 생성될 수 있는 다양한 유형의 이물질의 일반적인 예가 나와 있습니다(오른쪽).
파이프 파손 후 ECCS (비상 코어 냉각 시스템)가 활성화됩니다. 격리 건물 압력을 낮추고 대기에서 방사성 물질을 제거하기 위해 격리 스프레이를 켤 것입니다. 물은 부식 열을 제거하고 용융을 방지하기 위해 코어에 주입됩니다. 이 물은 이후 파이프 파손 부위에서 흘러 나옵니다. 격납 스프레이와 부식 열 제거에서 나온 물은 외부 탱크에서 ECCS 펌프에 의해 격납용기로 펌핑됩니다. 스프레이 및 브레이크 흐름을 통해 격리실로 펌핑된 물의 양은 격리실 바닥에 모이고 풀을 형성합니다.
외부 탱크의 물이 고갈된 후에는 ECCS 펌프에 대한 흡입기가 격납건물 내 하나 이상의 섬프로 전환됩니다(두 개의 섬프 스트레이너 예가 왼쪽에 표시됨). 섬프의 기능은 원자로 건물 풀에서 펌프 흡입구로 물을 재순환하는 것입니다. 각 섬프에는 이물질이 ECCS 펌프로 빨려 들어가 막힘이나 손상이 발생하는 것을 방지하기 위해 스트레이너 시스템이 있습니다. 그러나 스트레이너에 쌓인 이물질로 인해 펌프가 요구하는 순정 흡수헤드(NPSH)를 초과하는 헤드 손실이 발생하여 펌프가 고장을 일으키고 발전소를 안전하게 정지시킬 수 없습니다. 원자력규제위원회 일반안전문제(GSI) 191의 핵심입니다.
FLOW-3D는 격납용기 풀을 모델링하고 스트레이너에 도달할 수 있는 이물질의 양을 결정하는 데 사용됩니다. 파이프 파손, 직접 분무 구역(분무기가 비처럼 POOL에 유입되는 지역), 유출 분무 구역(분무수가 더 높은 고도에서 바닥에서 흘러나와 폭포처럼 POOL에 유입되는 지역)은 질량-모멘텀 소스 입자가 밀집된 지역으로 모델링되며, 적절한 유량과 속도가 할당됩니다. 후자는 POOL 표면까지의 자유 낙하 거리에 따라 달라집니다. 여과기 영역은 격납용기 POOL에서 물을 끌어오는 흡입구로 모델링됩니다.
모델을 자유 표면으로 실행하여 (풀의 섬프 흡입 또는 초크 포인트로 인한) 상당한 수위 변화를 식별하고, RNG 모델을 활성화하여 풀의 난류를 예측합니다. 파괴된 절연체가 격납용기 풀을 통해 이동할 수 있는 능력은 정착 속도(정지 상태에서 이동할 수 있는 기능)와 텀블링 속도(바닥을 가로질러 이동할 수 있는 기능)의 기능입니다. 안착 속도는 절연체를 고정하는 데 필요한 운동 에너지의 양과 관련이 있습니다. 이러한 안착 및 텀블링 속도는 연도 및 탱크 테스트를 통해 결정되며, FLOW-3D 모델에 의해 계산된 값입니다.
모델이 정상 상태 상태에 도달한 후에는 FLOW-3D 결과가 후처리되어 다양한 이물질 유형을 POOL 바닥(빨간색으로 표시됨)으로 넘어뜨릴 수 있을 정도로 속도가 높은 영역 또는 난류가 서스펜션의 이물질을 운반할 수 있을 정도로 높은 영역(노란색으로 표시됨)을 결정합니다.
그런 다음 속도 벡터를 빨간색 및 노란색 영역과 함께 사용하여 흐름이 이물질을 스트레이너 쪽으로 운반하는지 여부를 확인합니다. 그런 다음 이러한 영역을 초기 이물질 분포 영역과 비교하여 각 이물질의 유형 및 크기에 대한 운송 분율을 결정합니다.
이물질 잔해 수송 테스트를 CFD 모델링과 결합하면 ECCS 스트레이너가 견딜 수 있어야하는 잔해 부하를 다른 방법으로는 가정해야하는 지나치게 보수적인 값에서 크게 줄일 수 있습니다. CFD는 또한 수두 손실 테스트를 지원하기 위해 ECCS 스트레이너 주변의 흐름 패턴, 수두 손실 테스트 및 플랜트 설계 수정을 식별하는 데있어 격납용 POOL 수위 변화를 식별하는데 유용함이 입증되었습니다.
1Alion Science and Technology is a consulting engineering company with the ITS Operation comprised of engineering professionals skilled at developing and completing diverse projects vital to power plant operations. Alion ITSO provides engineering, program management, system integration, human-systems integration, design review, testing, and analysis for nuclear, electrical and mechanical systems, as well as environmental services. Alion ITSO has developed a meticulous Quality Assurance Program, which is compliant with 10CFR50 Appendix B, 10CFR21, ASME NQA-1, ANSI N45.2 and applicable daughter standards. Alion ITSO has provided a myriad of turnkey services to customers, delivering the highest levels of satisfaction for almost 15 years.
기계적, 유체적, 광학적 및 전자적 기능을 매우 작은 패키지에 통합한 현대적인 마이크로 유체 장치는 비용, 규모 및 대규모 시스템에 직접 통합하는 능력 면에서 기존 장치에 비해 중요한 장점을 가지고 있다. 3D모델링 및 시각화는 풍부한 기능을 제공하는 효율적인 도구이다. Ivy분석을 통해 연구 시간, 설계 및 생산 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 마이크로, 바이오 및 나노 유체 역학은 FLOW-3D의 자유 표면 및 다중 유체 모델링 기능으로 쉽고 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 섹션의 시뮬레이션을 통해 보다 잘 이해할 수 있는 다양한 애플리케이션과 프로세스를 살펴보시기 바랍니다.
FLOW-3D는 시각적 관찰과 양호한 정량적 추세 예측을 바탕으로 우수한 정성적 합의를 제공했습니다. 마찬가지로 중요한 것은 소프트웨어가 설계 민감도를 정확하게 예측한다는 점이다. 그 결과, FLOW-3D는 Kodak의 고급 연구 개발 작업을 지원하는 데 유용한 통찰력을 제공했습니다.
FLOW-3D는 시각적 관찰과 양호한 정량적 추세 예측을 바탕으로 우수한 정성적 합의를 제공했습니다. 마찬가지로 중요한 것은 소프트웨어가 설계 민감도를 정확하게 예측한다는 점이다. 그 결과, FLOW-3D는 Kodak의 고급 연구 개발 작업을 지원하는 데 유용한 통찰력을 제공했습니다.
Christopher Delametter, Senior Research Scientist, Eastman Kodak Company
 Acoustophoresis |  Cell Behavior |  Continuous Flow Microfluidics |
 Digital Microfluidics |  Droplet Based Microfluidics |  Optofluidics |
 Phase Change |
육안으로 볼 수 있는 것보다 더 작은 도전은 FLOW-3D를 사용하여 미세 유체 소자 응용 프로그램을 모델링하는 고객들이 매일 직면하는 과제입니다. FLOW-3D를 통해 이러한 엔지니어와 과학자들은 실험실에서 복제할 수 없는 것을 모델링하고, 생명을 구하는 의료 기기를 검증하고, 잉크젯 형성을 연구하며, 경우에 따라 육안 모델을 제작할 수 있습니다. 때로는 가장 작은 문제가 가장 큰 문제이기도 하지만, FLOW-3D가 도움이 될 수 있습니다.
FLOW-3D is an industry leader in free-surface flow modeling and is used extensively by civil engineering professionals for the design and analysis of stormwater collection and treatment systems. Highly accurate 3D simulations provide advanced investigations of conveyance through hydraulic control structures, sewers and wet tunnel designs. FLOW-3D is optimized for modeling both free-surface and constrained flow patterns and seamlessly models situations that switch between free-surface, pressurized, sub-critical, and super-critical flow conditions.
Engineers can seamlessly navigate the transition between flow regimes with advanced analysis of combined sewer overflow structures with complex shifts in hydraulic controls throughout the system. FLOW-3D accurately models energy dissipating structures, including complex, highly turbulent and aerated flow features in addition to the particle tracking model used to evaluate the efficiency of hydrodynamic separator devices.
Applications include:
금속 주조물의 결함을 식별하고, 가볍고 튼튼한 주조 부품을 위해 새로운 재료로 부품을 설계하거나, 최적의 설계를 위해 반복적인 설계 작업을 수행하는 것은 고객이 당사의 소프트웨어를 사용하여 작업 요구 사항을 충족하고, 고철 비율을 줄임으로써 조직의 비용을 절감하는 일부 방법입니다.
이를 통해 제품 개발 시간을 단축함으로써 제품의 시장 출시 및 경쟁 우위를 위한 시간 확보가 용이해 집니다.
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.
33-20 Eric Riedel, Martin Liepe Stefan Scharf, Simulation of ultrasonic induced cavitation and acoustic streaming in liquid and solidifying aluminum, Metals, 10.4; 476, 2020. doi.org/10.3390/met10040476
20-20 Wu Yue, Li Zhuo and Lu Rong, Simulation and visual tester verification of solid propellant slurry vacuum plate casting, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2020. doi.org/10.1002/prep.201900411
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09-20 Mingfan Qi, Yonglin Kang, Yuzhao Xu, Zhumabieke Wulabieke and Jingyuan Li, A novel rheological high pressure die-casting process for preparing large thin-walled Al–Si–Fe–Mg–Sr alloy with high heat conductivity, high plasticity and medium strength, Materials Science and Engineering: A, 776, art. no. 139040, 2020. doi.org/10.1016/j.msea.2020.139040
07-20 Stefan Heugenhauser, Erhard Kaschnitz and Peter Schumacher, Development of an aluminum compound casting process – Experiments and numerical simulations, Journal of Materials Processing Technology, 279, art. no. 116578, 2020. doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116578
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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-3D v12 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.
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.
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.
이름에서 알 수 있듯이 정상 상태 가속기는 정상 상태 솔루션에 대한 접근을 빠르게합니다.
이것은 작은 진폭 중력과 모세관 표면파를 감쇠시킴으로써 달성되며 자유 표면 흐름에만 적용 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.
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.
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.
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.
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.
유동 표면에서 생성된 추적 물질은 분자 및 난류 확산 과정에 의해 확산될 수 있으며, 예를 들어 실제 오염 물질의 동작을 모방한다.
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.
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.
하단 및 상단 경계 좌표의 정의만으로 수직 방향의 메시 설정이 단순화되었습니다.
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.
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.
활성 시뮬레이션 제어가 형상 구성 요소와 관련된 heat sources로 확장되었습니다. 히스토리 프로브로 열 방출을 제어 할 수 있습니다.
질량 및 질량 / 운동량 소스의 유체 온도는 이제 테이블 입력을 사용하여 시간의 함수로 정의 할 수 있습니다.
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.
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 |
FLOW-3D의 사용자 인터페이스가 완전히 재설계되어 사용자의 작업 흐름을 획기적으로 간소화하는 최신의 타일 구조를 제공합니다.
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.
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.
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.
사용자는 이제 새로운 FAVOR ™ 독 위젯을 통해 적합한 메쉬 블록을 시각화 할 수 있습니다 .
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-3D 의 공기 혼입 모델(air entrainment model)은 자유 표면에서 용해되지 않은 공기 혼입을 시뮬레이션하는 강력한 도구입니다. 제트 및 방수로 충돌시 관찰되는 국부적이고 난류가없는 자유 표면 혼입 기능이 있습니다. 이러한 기능은 엔지니어가 설계시 공기 유입을 예측하고, 공기유입이 안전하게 작동하도록 적절한 수정을 할 수 있게 합니다.
여수로 구조는 다양한 작동 조건을 처리 할 수 있도록 설계되어야 합니다. 유동 조건이 설계 범위의 상단에 도달하면 여수로 표면의 불규칙성으로 인해 유동이 분리 될 수 있습니다. 이는 여수로 표면의 압력이 캐비테이션을 일으킬 정도로 낮아지게 합니다. 캐비테이션은 구조물의 강도에 매우 해로우며 치명적인 손상을 초래할 수 있습니다.
공기 유입은 캐비테이션의 가능성을 줄이는 수단입니다. 물이 공기에 존재하면 캐비테이션 영역의 붕괴하는 기포에 감쇠 효과를 추가하여 캐비테이션 손상을 줄입니다. 여수로의 속도가 충분히 높으면 공기를 동반시키고 캐비테이션을 줄이기 위해 폭기 장치를 추가해야합니다.
폭기 흐름의 시뮬레이션과 폭기 장치에서 포획된 공기의 예측.
왼쪽 이미지는 거시적 인 밀도에 의해 착색됩니다. 오른쪽 그래프는 폭기 장치에 유입 된 수분의 일정한 부피와 폭기 장치 이후의 수분 및 공기의 양을 비교 한 것입니다.
아래 동영상은 FLOW-3D에서 공기 유입 과정을 시뮬레이션하는 방법을 보여줍니다. 여기에는 공기혼입 및 드리프트 플럭스 모델의 이론에 대한 세부 정보와 FLOW-3D에서 기본 공기혼입 시뮬레이션을 설정하는 방법에 대한 데모가 포함되어 있습니다.
공기가 물로 혼입되면 미생물의 성장을 유지하고 건강한 어류 개체군의 생존을 보장 할 수 있습니다. 그러나 과포화 상태의 용존 기체는 수생 생물에 부정적인 영향을 미치는 수질 문제가 됩니다. 공기 동반 모델의 또 다른 용도는 강의 하류로 방출되는 배수로에서 동반되는 공기의 농도를 결정하기 위해 해양 생물학에서 사용됩니다.
이 모델에 대한 더 자세한 정보는 Air Entrainment 의 Flow Science Report를 다운로드하십시오.
이 연구는 뉴 멕시코 대학교와 플로우 사이언스의 협력입니다. Flow Science는 연구 지원 프로그램의 일환으로 무료 CFD 소프트웨어 및 CFD 전문 지식을 제공했습니다 .
물리적, 화학적 및 환경 적 장애에 대한 박테리아의 민감성은 폐수 처리장에서 미생물 질화를 유지하는 데 어려움을줍니다. 뉴 멕시코 대학교의 연구원들은 고리 형 질화 생물막 반응기에 대한 표면 거칠기의 영향을 이해하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다 (Roveto et al., 2019). 그들의 팀은 FLOW-3D 를 사용 하여 실험 관찰에 대한 가능한 설명을 찾았습니다.
생물막은 세포가 서로 그리고 표면에 달라 붙는 박테리아 세포의 공동체입니다. 생물막은 만성 감염 및 질병을 유발할 수 있으며 근절이 어렵고 농업과 의학에서 문제가됩니다. 그러나 폐수 처리 산업에서는 생물막을 활용하여 하수에서 유기 화합물을 추출하고 소화 할 수 있습니다.
최근, 암모니아 산화 박테리아를 포함하는 특정 유형의 생물막이 폐수 시스템에서 확인되었습니다. 이러한 질화 생물막은 폐수 처리 시스템에서 질화 공정의 효율성을 개선하는 데 사용됩니다. 그들은 또한 살수 필터 (van den Akker et al., 2011) 및 이동 층 생물막 반응기 (MBBRs, Song et al., 2019)에도 사용됩니다.
환형 생물막 반응기는 표준 Taylor-Couette 흐름 설정 (그림 1, 왼쪽 하단) 인 수중 회전 내부 실린더가있는 원통형 반응기로 구성됩니다. 이 반응기는 식수 시스템에서 미생물 군집 역학을 연구하고 회전 속도 증가에 대한 성장률을 결정하는 데 사용되었습니다 (Gomez-Alvarez et al., 2014). 이 연구로 인해 고리 형 생물막 반응기는 반응기의 내부 실린더에 추가 된 스큐와 함께 사용됩니다.
‘Skewness’는 표면 특징 분포의 비대칭 성을 설명하는 거칠기 매개 변수이며 생물막 형성에 영향을 미치는 것으로 생각됩니다. 왜도의 영향을 정량화하기 위해 잘 정의 된 양수 및 음수 왜곡 표면 (그림 1, 오른쪽 하단)을 평평한 (비뚤어지지 않은) 표면에서의 생물막 성장과 비교했습니다.
Figure 1. Annular reactors (top), plan view of annular bioreactor scheme (bottom left) and detail of rotating attachment surface, and outer stationary cylinder illustrating cylindrical Couette flow (bottom right).
FLOW-3D 는 포지티브 및 네거티브 스큐 표면의 전단력 분포를 계산하는 데 사용되었습니다. 기울어 진 표면의 누적 전단 응력을 평평한 제어 표면과 서로 비교하기 위해 각 기울어 진 표면의 대표적인 300 마이크로 미터 단면을 길이에 따른 벽 전단 응력에 대해 평가했습니다 (그림 2). 실험적으로 관찰 된 0.35 Pa의 일정한 평면 값 이상의 값은 “고 전단”으로 분류되고 아래 값은 “저 전단”으로 지정되었습니다.
낮은 전단 응력 값은 대부분의 포지티브 스큐 표면을 따라 예측되었으며 대표 섹션의 86 %는 0.35 Pa 미만의 값과 높은 전단 범위에서 14 %를 나타냅니다 (그림 2c). 네거티브 스큐 표면의 경우 62 %가 평평한 표면보다 낮은 전단 값을 가졌고 38 %는 고전 단으로 분류되었습니다 (그림 2d). 음의 스큐 표면은 양의 스큐 표면에 걸쳐 높은 전단 범위에서 예측 된 전단 벽 응력 값으로 2.5 배 더 많은 면적을 가졌습니다.
실험적으로 음의 비대칭 표면은 생물막 성장 중에 가장 높은 완전 질화 속도를 나타냅니다. FLOW-3D의 CFD 시뮬레이션은 이 현상에 대한 가능한 설명을 제공합니다. 그들은 음의 기울기 표면이 양의 기울기 표면보다 전단력이 큰 영역이 더 크다는 것을 보여줍니다. 이러한 고전 단 영역은 부착 속도와 질량 전달 속도를 증가시켜 생물막의 질화 속도를 증가시킵니다.
이 연구는 폐수 처리장에서 생물막의 질화 효율을 높이는 방법을 제안합니다.
이 연구의 계산 모델링 측면에 대해 자세히 알아 보거나 현재 프로젝트에 FLOW-3D 를 통합하는 방법에 대해 논의하려면 adwaith@flow3d.com 으로 저에게 연락하십시오 .
참조
Roveto, P.M., Gupta, A., Schuler, A.J., 2019. Effects of Attachment Surface Skew on Growth and Community Dynamics of Nitrifying Biofilms. Water Research (in review)
Van den Akker, B., Holmes, M., Pearce, P., Cromar, N.J., Fallowfield, H.J., 2011. Structure of nitrifying biofilms in a high-rate trickling filter designed for potable water pre-treatment. Water Res. 45, 3489–3498. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.04.017
Song, Z., Zhang, X., Ngo, H.H., Guo, W., Song, P., Zhang, Y., Wen, H., Guo, J., 2019. Zeolite powder based polyurethane sponges as biocarriers in moving bed biofilm reactor for improving nitrogen removal of municipal wastewater. Sci. Total Environ. 651, 1078–1086. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.173
Gomez-Alvarez, V., Schrantz, K.A., Pressman, J.G., Wahman, D.G., 2014. Biofilm Community Dynamics in Bench-Scale Annular Reactors Simulating Arrestment of Chloraminated Drinking Water Nitrification. Environ. Sci. Technol. 48, 5448–5457. https://doi.org/10.1021/es5005208
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.
USGBC LEED4.1
LEED (Leadership in Energy and Environmental Design)는 제 3자가 친환경 건축물 인증을 제공하는 자발적 인증 시스템입니다. LEED 자발적 참여는 리더십, 혁신, 환경 보호 및 사회적 책임을 보여 줍니다. LEED는 건물 소유자와 운영자에게 건물의 성능과 수익에 즉시 영향을 미치는데 필요한 도구를 제공하는 동시에 건물 거주자에게 건강한 실내 공간을 제공합니다.
FLOW-3D는 보고타(콜롬비아)의 사무실 건물에서 “IEQ-Credit2–환기 증가”라는 신뢰를 얻는 데 큰 도움을 주었습니다. 이러한 인정을 받기 위해서는 실외 공기가 ASHRAE의 표준 비율인 30%를 초과한다는 것을 증명해야만 합니다. 이 건물에서 실외 공기는 태양 광선에 의해, 가열되는 지붕 위의 2개의 유리 굴뚝에 의해 발생되는 온도 차이에 의해 발생하는 열 부력의 영향으로 제공됩니다. 이것은 바람이 불지 않는 조건에서 이루어져야 합니다.
The model has been easily created using Google SketchUp® and exported directly to FLOW-3D in STL format. The STL model was imported as STL baffles in FLOW-3D.
외부 에너지 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 공간 및 열 하중(또는 손실)의 초기 조건을 파악했습니다. 이 소프트웨어는 태양열 복사, 열 관성, 단열, 내부 부하, 단열, 유리 및 건물의 열 동작을 정의하는 기타 모든 매개 변수를 고려합니다. 열 하중은 FLOW-3D에 포함되어 있어 CFD시뮬레이션이 수행될 때 최종 온도 분포를 제공합니다.
<좌측>건물 내부의 공기 흐름이 간소화됩니다. <우측>건물 내부 온도 분포
왼쪽 그림에서 2개의 열 굴뚝은 바람이 전혀 없는 상태에서도 실외 공기 유입을 유발합니다. 환기 효율, 시간당 공기 변화, 국소 난류, 공기 잔류 시간은 설계 프로세스에서 검사할 수 있는 변수 중 일부입니다. 오른쪽 그림에서 FLOW-3D는 건물 내부의 온도 분포를 제공하여 설계 과정에서 열적 쾌적성 평가를 수행할 수 있도록 합니다. 그릴 크기는 모든 공간에서 원하는 쾌적한 온도를 얻을 수 있도록 조정할 수 있습니다.
외부 공기 온도와 기압은 경계 조건(흡입 및 배출 공기 그릴)에서 설정되었습니다. 나머지는 건물 내부에서 상세한 공기 이동을 분석한 것입니다. 시뮬레이션은 에너지가 정상 상태 조건이 달성될 때까지 수행되었다.
건물 내 공기를 올바르게 분배하고 적절한 쾌적한 온도를 확보하기 위해 건물 구조와 그릴 치수를 조정해야 했습니다. 이 과정을 반복한 후 모델을 검증하여 LEED 인증 조건을 충족한 사례입니다.
Comparing HVAC System Designs
최근 프로젝트에서 Tecsult의 HVAC(난방, 냉방 및 환기)시스템 엔지니어는 강력한 에어컨 시스템의 두 가지 다른 구성을 고려해야 했고 노동자들에게 어떤 것이 가장 쾌적함을 제공하는지 보여주기를 원했습니다. FLOW-3D는 대체 설계를 시뮬레이션하고 비교하는 데 사용되었습니다.
이 발전소는 대형(길이 90m, 너비 33m, 높이 26m)건물로 변압기, 전력선, 조명 등 열 발생 장비를 갖추고 있습니다. 에어컨 시스템의 목적은 건물 내 최대 온도를 35ºC로 제한하는 것입니다. 디퓨저가 하부 레벨에 위치하고 천장 근처의 환기구가 있기 때문에 천장 근처에서 최대 공기 온도가 발생하고 바닥 레벨은 반드시 몇도 더 낮습니다.
시뮬레이션을 통해 두 대안에 대한 발전소 전체의 온도와 흐름 패턴을 상세히 비교하고 Tecsult의 HVAC시스템 엔지니어에게 중요한 데이터를 제공했습니다. 디자인 선택을 하다 이 발전소의 상세 설계의 일환으로, 기술 팀은 에어컨 시스템의 두 가지 다른 구성을 제안했고, 그 수, 크기, 분포를 결정했습니다. 각 유량, 흡기/배기 가스 속도, 투영 각도와 함께 펄스와 환기구를 사용합니다. 두 구성에서 이 시스템은 25ºC의 온도에서 파워 트레인으로 냉기를 불어넣는 덕트 3개와 천장 근처에 위치한 리턴 벤트 3개로 구성됩니다. 두 가지 대안의 차이는 공기 덕트 중 하나의 위치에 있습니다. 첫 번째 대안으로 공기 덕트는 바닥에서 5.6m위에 있는 업 스트림 벽을 따라 움직입니다. 두 번째 대안으로, 에어 덕트는 바닥에서 11.1 m높이의 하류 벽을 따라 달립니다. 그림 1은 대체 1에 해당하는 기류의 동력과 레이아웃을 보여 줍니다.
Figure 1. Alternative 1: General view of the inside of the powerhouse, heat-generating equipment (green), and ducts (light blue).
이러한 유형의 문제에서 흐름 패턴을 지배하는 가장 중요한 현상은 일반적으로 바닥에있는 열 발생 장비에 의해 유도 된 대류 전류와 온도 (즉, 부력)에 따른 공기 밀도의 변화입니다
질량/운동량 소스로 디퓨저 및 벤트 모델링
시스템 엔지니어는 FLOW-3D의 mass momentum sources 기능을 사용하여 지정된 속도와 방향으로 정의 된 영역으로 공기를 흐르게 합니다. mass momentum sources 기능은 확산 영역과 배출구가 있는 HVAC 시스템을 시뮬레이션 할 때 특히 유용합니다. 확산 영역과 배출 영역은 수없이 많으며 계산 영역의 가장자리에서 멀리 떨어져 있기 때문입니다. 이것은 구조화 된 메쉬에서 그 설정을 어렵게 만듭니다. mass momentum sources는 메쉬 경계에 대한 근접성을 고려하지 않고 임의로 도메인에 배치 할 수 있습니다.
이 시뮬레이션은 두 가지 대안 모두에 대해 강국 전체의 온도와 흐름 패턴을 상세하게 비교하고 Tecsult의 HVAC 시스템 엔지니어에게 설계 선택을 지원하는 중요한 데이터를 제공했습니다. 그림 2는 층 위 약 1m의 강국의 평면도에서의 온도 분포를 보여줍니다. 표시된 온도는 일반적으로 29 ~ 30.5ºC이며 열 발생 장비 주변의 값이 로컬 값이 높습니다. 최대 온도는 왼쪽 벽에서 약 34ºC입니다.
Figure 2: Plan view, temperature distribution and velocities (heat-generating equipment in grey)
Indianapolis Storm-Water System
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.
São Roque Hydro Power Plant
This article was contributed by Diego David Baptista de Souza, Alexandre Charles Allain, and Anaximandro Steckling Muller of Engevix Engenharia S/A.
The São Roque hydroplant project는 브라질의 카노아스 강 산타 카타리나 주에 있습니다. 롤러 압축 콘크리트 댐은 141,9MW의 설치 용량을 허용합니다. 그림 1은 프로젝트의 위치를 보여 줍니다.
Figure 1 – São Roque hydro power plant location
제트 편향은 낮은 홍수에 대해 배수로의 첫번째 단계에서 발생하며 불안전한 흐름과 진동을 일으킵니다. 수치 모델링은 제트 편향을 제한하는 첫 단계의 형상을 최적화하는데 사용될 수 있습니다. 편향이 발생하는 임계 방전을 최소화하는 기하학적 구조를 찾기 위해 여러 번의 시뮬레이션이 수행되었습니다. 처음 계단식 배수로를 따라 설치된 흐름을 스키핑 흐름이라 한다. 유량 시스템이 불안정성을 보이기 시작하면서 결국 제트가 임계 유량으로 비상할 때까지 저수지의 수위가 점차적으로 낮아지게 됩니다.
시뮬레이션한 모든 기하학적 구조는 고정 매개변수인 1.2m의 정규 계단높이와 53°의 경사를 포함합니다. 그림 2와 3은 두개의 기하학적 구조를 보여 줍니다. 수치 모델에는 TruVOF 기법을 이용한 공기 침투 및 자유 표면 추적이 포함됩니다. 색상 범례는 물의 농도를 나타내며, 물 1은 100% 물이고 0은 100% 공기입니다. 분석은 y축에 있는 단일 2D블록인 spillway의 단면 모델을 사용하여 수행되었습니다.
jet takeoff 에 따라 해당되는 유량을 사용해 관련 형상을 비교하고 가장 효율적인 형상을 결정할 수 있습니다. 제트 편향에 해당하는 임계 유량은 탱크 레벨이 낮아지는 속도와 시뮬레이션에 사용되는 메쉬의 크기에 따라 달라지게 됩니다.
Spillway Water Profile and Energy Dissipation
Jet Deflection on Upper Spillway
그림 2는 ‘생성자’ 프로파일과 단계별 섹션 사이의 전환 위치에 대한 2개의 기하학적 설계(상단과 하단)를 비교하여 보여줍니다. 좌측에는 흐름이 스키밍 체제에 있고 중앙에서 탱크 레벨이 점차 낮아지면서 플럭스가 동요되기 시작합니다. 우측에는 지속적인 상태 방출과 함께 jet takeoff 가 표시되어 있습니다.
Figure 2 – Comparison of 2 geometric designs
Figure 3 – Spillway water and energy profiles
Figure 4 – Turbulent energy dissipation on stepped spillway
발생 가능한 최대 홍수의 양에 대해 계단식 배수로와 에너지 분산이 평가되었습니다. 표준 단계는 공기 침투 모델과 함께 FLOW-3D와 비교했습니다. 그림 3은 수치 모델과 이론 모델 모두의 결과를 나타내는데 이 현상을 평가하기 위해 FLOW-3D에 단면 모델이 적용되었습니다.
수치 시뮬레이션으로 얻은 Water의 프로필은 공기 흡입을 고려할 때 이론적 모델과 잘 맞습니다. 에너지 프로필은 이론적 모델에서 수렴적인 결과로 약간의 차이가 나타납니다. 이러한 차이는 단계별 채널이 시작되기 전에 Creager프로필의 수두손실을 무시하는 것과 같은 일부 이론적 가정의 결과일 수 있습니다. 다운 스트림에서 유출되는 에너지 프로필은 유출되는 유압 점프로 인해 떨어지게 됩니다. 그림 4는 FLOW-3D의 난류 에너지 소산을 나타냅니다.
Flow Distribution at Turbine Entrance
Figure 5 – Flow trough penstocks upstream turbine entrance
물의 Head 높이는53m이고 총 방출량이333 m3/s인 동일한 3개의 강철 penstock를 통해 전달됩니다. 그 터빈들은 수직 축을 가진 Francis 타입입니다. penstock하단에는 플럭스가 터빈으로 유도되기 전 마지막 커브 뒤에 수평 부분이 남아 있습니다. 이 수평 부분은 터빈에 도달하기 전에 흐름을 안정화시키는데 필요합니다. 필요한 길이와 속도 및 압력 분포의 작동 방식을 결정하기 위해 수치 모델링이 사용되었습니다.
업 스트림 경계 조건은 유량 소스로 설정되며 물 취수구 끝에 위치합니다. 하류인 터빈 입구에는 특정 압력이 설정되어 있어 Bernoulli 방정식이 사용됩니다. 수두 손실은 이론적으로 계산되었고 이 등식에서 제외되었습니다. 마지막으로, 거칠기를 보정하여 수치모델과 이론 계산에서 헤드 손실이 동일하도록 2mm의 거칠기가 설정되었습니다. 이는 강철 penstock의 거칠기와 잘 일치합니다. 또한 메쉬 크기는 0.5m의 셀로 설정되었습니다.
이 세가지 구성은 모두 터빈 입구 바로 앞에 위치한 크로스 섹션의 하부에서 더 높은 속도를 보여 줍니다. 흐름은 단면 1과 단면 2사이에서 많은 변화는 없었습니다. 실제로 깊이 평균 속도와 압력 분포 측면에서 전체 결과는 직경이 전환된 직후에 흐름이 이미 안정화되었음을 나타냅니다. 구성 3에서 속도 분포는 수평 단면을 따라 계속 발전한다는 것은 흥미로운 사실입니다. 따라서, 이 수평적인 penstock의 길이를 증가시킬 필요가 없는 것처럼 보였습니다. 또한, 이것은 비용과 수두손실을 상당히 증가시킬 것입니다. 따라서 초기 프로젝트의 개요는 최종 프로젝트를 위해 그대로 유지되었습니다. 이 시뮬레이션은 수치 모델이 의사 결정 지원을 위한 효율적이고 빠른 도구임을 입증하게 됩니다.
Draft Tube Exit
그 draft tube는 운하의 흐름을 분산시킵니다. 하지만, 갑작스런 단면의 확장으로 인해, 흐름 체제는 난류와 수두 손실의 상당한 확산으로 인해 변화하게 됩니다. 수치 모델을 사용하여 수두손실을 확인할 수 있습니다.
상류 경계조건은 체적 흐름 속도로 설정되었고 draft tube의 수문에 위치합니다. 하류에서는 정상 작동 수위와 동등한 압력이 설정되었습니다. 메쉬 크기는 0.5m로 설정되었습니다.
이 수치 모델은 14cm의 수두 손실을 초래하는 반면, 이론적인 계산은 16.7cm로 비교적으로 수렴하고 있습니다. 3D수치 해석을 사용하면 수두손실을 최소화하는 기하학적인 최적화를 할 수 있습니다.
Figure 6 – Downstream view of the 3 units’ draft tube exit with the FAVOR™ option
Figure 7 – Cross section of the draft tube exit and tailrace channel in terms of velocity magnitude and vectors
Conclusions
수치 모델링은 수력학 엔지니어에게 유용한 도구이고 FLOW-3D와 같은 패키지는 매우 효율적인 도구입니다. 또한 솔루션 및 최적화를 통해 비용을 절감할 수 있습니다. 저자들의 경험에 따르면 다양한 문제에 있어 3차원 모델링은 훌륭한 옵션이며 물리적 모델링과 함께 추가 도구로 사용될 수 있습니다. 때때로, 그것은 실제 모델을 대체할 수도 있는데, 그것은 São Roque HPP의 경우였습니다. 또한 3D 수치해석 최적화를 통해 물리적 모델을 설계하는데 도움이 될 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 : |
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다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.
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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.
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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.
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| void + DEM | 1-fluid + DEM | 1-fluid 자유계면 + DEM |
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.
 -균일-밀도 변화 -입자크기 변화 |
Resin filling, screw conveyance, powder conveyance
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Debris flow, gravel, falling rock
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Fluidized bed, cyclone, stirrer
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전기 입자를 포함한 전기장 해석 등
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Coarse Graining
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
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 :
Presented with thanks to Dr. Suda Bunduwongse and Mr. Preecha Kaewkla (Tyco Earth Tech Thailand), Mr. Rick Bitcon (Earth Tech Canada), Mr. Steve Kirkwood (Earth Tech UK) and Mr. Ken Doyle (CFD Solutions, UK).
태국, 캐나다, 영국에 기반을 둔 EarthTech 엔지니어링 팀은 방콕 메트로폴리탄 행정구역을 위한 7개의 대규모 폐수 처리 공장 중 4번째 공장을 설계하고 건설했을 때 FLOW-3D를 수처리 시설설계 최적화하는데 사용하였습니다. BMA-4처리방식은 EarthTech의 독자적으로 개발한 CASS™(슬러지 순환 활성화 시스템)SBR프로세스를 사용하여 최대 12.9평방마일까지 적용할 수 있습니다.
Site location within Bangkok Metro Zone
방콕 메트로폴리탄 지역에 서비스를 제공하는 대부분의 다른 대규모 폐수 처리 공장들과 마찬가지로, 현장은 기존의 도로와 건물들로 둘러싸여 있었고 배수로로 분리되어 있었습니다. 이 현장 조건은 4층에 건설된 BMA-2CASS™공장과 유사했기 때문에, BMA-4공장에 대해서도 동일한 설계 개념이 채택되었습니다. 이와 같은 수직 설계 개념에는 특히 예비 치료 및 CASS™피드와 관련하여 혁신적인 설계가 필요합니다. 이러한 시스템의 요소와 계단식 돌출부와 관련된 후속 문제가 FLOW-3D를 사용한 CFD분석이 주요 초점이었습니다.
BMA-4 Wastewater Treatment Facility
The BMA-4 Wastewater Treatment was designed with:
EarthTech설계팀은 전처리(미세한 화면, 모래 제거, FFT제어 및 폭풍 오버 플로)와 2차 처리 CASS™피드(펌핑 스테이션, sumps및 피드 챔버)를 CFD분석을 통해 개선할 수 있는 BMA-4공장 설계의 주요 요소 처리된 배수로 근처에서 문질러 닦는 것과 관련된 후속 문제들은 추가적인 과제들을 확인했습니다. EarthTech 및 CFDSolutions는 이러한 시스템의 다양한 FLOW-3D 모델을 개발하고 연구 결과를 초기 상태의 태국 및 캐나다에 기반을 둔 엔지니어 팀에게 전달하기 위해 작업했습니다. 설계 시간과 비용을 절약하고 설계를 시작할 때 발전소 성능을 개선할 수 있는 설계 변경사항을 강조하여 발전소 설계에 포함시켰습니다.
Preliminary Treatment Analysis
Inlet and Screen Chamber simulation
Flow-3D는 Inlet 챔버 및 Bellmouth Inlets, Chamber, Grit Removal Unit과 같은 BMA-4공장의 전처리 스트림에서 일련의 요소를 분석하고 제어하는데 사용되었습니다. 오른쪽의 유입구 및 스크린 챔버 모델 (유속으로 표시)은 다양한 구성을 시뮬레이션할 플랫폼을 제공하고 그릿장치에 공급되는 2 개의 배출 채널 사이의 흐름결과를 제공합니다.
시뮬레이션은 유닛 중 하나에 과부하가 걸릴 수 있으며 최적화되지 않은 것을 초래할 가능성이 있는 모래 제거 유닛에 대한 유량의 비효율성을 나타냅니다. 2차 치료 이전의 모습으로 원래 용도에 맞게 제작된 그리트 유닛의 CFD시뮬레이션으로 대체 유닛으로 해석함으로써 그리트 캡처 효율을 높일 수 있었습니다.
시뮬레이션은 또한 모래 유닛의 하류에 있는 일부 구성 요소, 즉 완전 처리로의 흐름의 자동 penstock제어 및 결과적인 폭풍 오버 플로 준비를 다루었습니다. 이러한 프로세스 요소의 CFD모델에는 penstocktank제어 장치의 과도한 작동을 나타내기 위해 FLOW-3D(이동 장애물)고유의 기능이 통합되어 있습니다.
이러한 요소들의 소형 특성으로 인한 복잡한 3D유동 조건 및 소외 조건의 자유 표면 모델링은 지표면 표고와 관련된 항목에 추가적인 효과를 제공했습니다.
Secondary Treatment CASS™ Feed
공장의 각 스토리에 있는 4개의 CASS™분지형상을 각각의 모델을 사용하여 다양한 구성으로 모델링 하였습니다. CASS™프로세스는 사이클 중에 하나의 분지가 “탈착”모드에 있어야 하는 사이클 연속적 SBR방식입니다. CASS™ 공급섬프의 FLOW-3D모델을 사용하여 이 상태에서 각 분지 주입에 대한 유량 균형을 평가했습니다.
Simulation of a CASS™ Feed Chamber
Cascade Aerators
Cascade aerator weir simulation
발전소 운전경험에 따르면 처리된 유출물이 방출된 운하의 잠재적인 문제가 있는 것으로 나타났습니다. 폐수의 수동적 재분산을 제공하기 위해 설치된 계단은 수입물에 국소 침식 문제를 일으키고 있었으며 FLOW-3D모델은 다양한 에너지 분산 개발을 문제를 해결하는데 성공한 사례를 조사하는 데 사용되었습니다.
Flow-3D는 BMA-4폐수 처리 시설의 공학적 설계 문제를 해결하기 위한 효과적인 도구입니다.
이 기사가 작성되었을 때, 이 시설은 하루에 5940 만 갤런을 처리하는 1단계 작업을 하고 있었습니다.
Presented with thanks to Dr. Suda Bunduwongse and Mr. Preecha Kaewkla (Tyco Earth Tech Thailand), Mr. Rick Bitcon (Earth Tech Canada), Mr. Steve Kirkwood (Earth Tech UK) and Mr. Ken Doyle (CFD Solutions, UK).
태국, 캐나다, 영국에 기반을 둔 EarthTech 엔지니어링 팀은 방콕 메트로폴리탄 행정구역을 위한 7개의 대규모 폐수 처리 공장 중 4번째 공장을 설계하고 건설했을 때 FLOW-3D를 수처리 시설설계 최적화하는데 사용하였습니다. BMA-4처리방식은 EarthTech의 독자적으로 개발한 CASS™(슬러지 순환 활성화 시스템)SBR프로세스를 사용하여 최대 12.9평방마일까지 적용할 수 있습니다.
Site location within Bangkok Metro Zone
방콕 메트로폴리탄 지역에 서비스를 제공하는 대부분의 다른 대규모 폐수 처리 공장들과 마찬가지로, 현장은 기존의 도로와 건물들로 둘러싸여 있었고 배수로로 분리되어 있었습니다. 이 현장 조건은 4층에 건설된 BMA-2CASS™공장과 유사했기 때문에, BMA-4공장에 대해서도 동일한 설계 개념이 채택되었습니다. 이와 같은 수직 설계 개념에는 특히 예비 치료 및 CASS™피드와 관련하여 혁신적인 설계가 필요합니다. 이러한 시스템의 요소와 계단식 돌출부와 관련된 후속 문제가 FLOW-3D를 사용한 CFD분석이 주요 초점이었습니다.
BMA-4 Wastewater Treatment Facility
The BMA-4 Wastewater Treatment was designed with:
EarthTech설계팀은 전처리(미세한 화면, 모래 제거, FFT제어 및 폭풍 오버 플로)와 2차 처리 CASS™피드(펌핑 스테이션, sumps및 피드 챔버)를 CFD분석을 통해 개선할 수 있는 BMA-4공장 설계의 주요 요소 처리된 배수로 근처에서 문질러 닦는 것과 관련된 후속 문제들은 추가적인 과제들을 확인했습니다. EarthTech 및 CFDSolutions는 이러한 시스템의 다양한 FLOW-3D 모델을 개발하고 연구 결과를 초기 상태의 태국 및 캐나다에 기반을 둔 엔지니어 팀에게 전달하기 위해 작업했습니다. 설계 시간과 비용을 절약하고 설계를 시작할 때 발전소 성능을 개선할 수 있는 설계 변경사항을 강조하여 발전소 설계에 포함시켰습니다.
Preliminary Treatment Analysis
Inlet and Screen Chamber simulation
Flow-3D는 Inlet 챔버 및 Bellmouth Inlets, Chamber, Grit Removal Unit과 같은 BMA-4공장의 전처리 스트림에서 일련의 요소를 분석하고 제어하는데 사용되었습니다. 오른쪽의 유입구 및 스크린 챔버 모델 (유속으로 표시)은 다양한 구성을 시뮬레이션할 플랫폼을 제공하고 그릿장치에 공급되는 2 개의 배출 채널 사이의 흐름결과를 제공합니다.
시뮬레이션은 유닛 중 하나에 과부하가 걸릴 수 있으며 최적화되지 않은 것을 초래할 가능성이 있는 모래 제거 유닛에 대한 유량의 비효율성을 나타냅니다. 2차 치료 이전의 모습으로 원래 용도에 맞게 제작된 그리트 유닛의 CFD시뮬레이션으로 대체 유닛으로 해석함으로써 그리트 캡처 효율을 높일 수 있었습니다.
시뮬레이션은 또한 모래 유닛의 하류에 있는 일부 구성 요소, 즉 완전 처리로의 흐름의 자동 penstock제어 및 결과적인 폭풍 오버 플로 준비를 다루었습니다. 이러한 프로세스 요소의 CFD모델에는 penstocktank제어 장치의 과도한 작동을 나타내기 위해 FLOW-3D(이동 장애물)고유의 기능이 통합되어 있습니다.
이러한 요소들의 소형 특성으로 인한 복잡한 3D유동 조건 및 소외 조건의 자유 표면 모델링은 지표면 표고와 관련된 항목에 추가적인 효과를 제공했습니다.
Secondary Treatment CASS™ Feed
공장의 각 스토리에 있는 4개의 CASS™분지형상을 각각의 모델을 사용하여 다양한 구성으로 모델링 하였습니다. CASS™프로세스는 사이클 중에 하나의 분지가 “탈착”모드에 있어야 하는 사이클 연속적 SBR방식입니다. CASS™ 공급섬프의 FLOW-3D모델을 사용하여 이 상태에서 각 분지 주입에 대한 유량 균형을 평가했습니다.
Simulation of a CASS™ Feed Chamber
Cascade Aerators
Cascade aerator weir simulation
발전소 운전경험에 따르면 처리된 유출물이 방출된 운하의 잠재적인 문제가 있는 것으로 나타났습니다. 폐수의 수동적 재분산을 제공하기 위해 설치된 계단은 수입물에 국소 침식 문제를 일으키고 있었으며 FLOW-3D모델은 다양한 에너지 분산 개발을 문제를 해결하는데 성공한 사례를 조사하는 데 사용되었습니다.
Flow-3D는 BMA-4폐수 처리 시설의 공학적 설계 문제를 해결하기 위한 효과적인 도구입니다.
이 기사가 작성되었을 때, 이 시설은 하루에 5940 만 갤런을 처리하는 1단계 작업을 하고 있었습니다.
Indianapolis Storm-Water System
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)
Prediction of Shrinkage Defects During Investment Casting Process
This article was contributed by Dr. S. Savithri, Senior Principal Scientist at CSIR-NIIST
인베스트먼트 주조공정은 가장 오래된 주조 공정 중 하나로 기원전 4000년 이후에 보편화되었습니다. 이 과정은 용해된 금속을 소모품패턴으로 생성된 세라믹 쉘에 주입하는 과정을 수반합니다. 일찍이 그것은 금, 은, 구리와 청동 합금으로 장신구와 우상을 만드는데 사용되었습니다.
인베스트먼트 주조공정은 1897년 아이오와 주, 위원회 블러프스의 Barabas Frederick Philbrook이 묘사한 대로 치과의사들이 왕관과 인레이를 만들기 위해 그것을 사용하기 시작한 19세기 말 현대 산업공정으로 사용되기 시작했다. 1940년대에는 제2차 세계대전 당시 기존 방법으로는 형성될 수 없거나 지나치게 많은 가공이 필요한 특수 합금의 정밀 순모형 제조 기술에 대한 수요로 인해 투자 주조 공정이 증가하였다.
오늘날 투자 주조 공정은 표면 마감 및 치수 정확도가 우수하여 거의 순 형태에 가까운 철, 비철 및 초합금의 소형 산업용 부품을 생산하는데 주로 사용됩니다.
인베스트먼트 주조 공정은 다음 네 가지 주요 단계로 구성됩니다.
Figure 1. Solid model of the casting geometry
인베스트먼트 주조 공정에서 얻은 부품은 많은 중요한 용도에 사용되므로 내부적인 결함이 없어야 합니다. 투자 주조 공정에서 발생하는 주요 결함은 세라믹 포함, 균열, 변형, 플래시, 주탕불량, 수축, 슬래그 포함, 탕경계등입니다. 얻은 주조물의 품질을 예측하려면 금속-몰드 열 전달계수, 주입 온도 등 다양한 주조 공정 매개 변수의 영향을 연구해야 합니다. 즉, 쉘 두께 및 쉘 열 전달계수가 그것입니다. 현대 컴퓨터 시스템 및 시뮬레이션 소프트웨어의 출현과 함께 금형 충진 및 응고 시뮬레이션은 주조공장에서 결함을 예측하고 설계를 최적화하는데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
이 연구의 주요 목적은 투자 주조 공정에서 주요 요소인 복사 열 전달과 인베스트먼트 주조공정에 고유한 쉘 금형이 FLOW-3D에서 효과적으로 구현될 수 있는지를 조사하는 것입니다. FLOW-3D를 사용하여 간단한 형상을 위한 인베스트먼트 주조공정의 주입 및 응고 시뮬레이션을 수행함으로써 두 구성요소의 서로 다른 효과를 조사합니다. 다양한 위치에서 얻은 온도의 수치는 문헌 [1]에보고 된 실험 결과로 검증됩니다. 복사 열 전달계수, 쉘 몰드 두께, 탕구 및 게이트의 위치에 대한 영향도 조사했습니다.
Figure 2. Shell mold
Methodology
현재 연구에서 사용된 계산 형상은 그림 1에 나와 있습니다. 쉘 몰드는 다음 단계를 사용하여 작성되었습니다.
Figure 3. The view of the two mesh blocks for the creation of a void with discretization
쉘 몰드 용 STL 파일을 만든 후 파일을 구성 요소 1로 새 시뮬레이션으로 가져오고 이전에 작성한 주조 형상을 하위 구성 요소로 가져오고 유형을 ‘hole’으로 선택합니다. 쉘 몰드와 함께 주조 형상이 그림 2에 나와 있습니다. 이것은 우리의 계산 영역으로 사용됩니다. 다음은 계산 영역을 cubical/rectangular셀로 분할하기 위한 메쉬를 만드는 것입니다. 메쉬 블록을 작성하여 FLOW-3D에서 메쉬를 생성합니다. 현재의 작업을 위해 우리는 2.5mm의 고정된 셀 크기가 선택된 그림 3에 표시된 균일한 메쉬 옵션을 선택했습니다. 입력 위치 주변에 메시 블록 2가 사용되는 현재 시뮬레이션을 위해 메시 블록 2개가 생성되었습니다. 쉘과 주변 공기 사이의 30°C에서의 열 전달을 고려하여 쉘 주위에 보이드 영역이 정의됩니다. 이 영역은 ‘열 전달 유형 1’이 있는 보이드 영역으로 선택되며 셸과 주변 공기 사이에 열 전달 계수 값이 지정됩니다. 열 전달 유형 1은 방사선을 포함한 종합 열 전달 계수가 됩니다.
쉘 주형에 선택된 재료는 zircon이며 열 특성은 Sabau and Vishwanathan에 의해 수행된 실험에서 얻을 수 있습니다[2]. 표 1은 연구에 사용된 재료에 대해 지정된 값을 보여 줍니다.
| MATERIAL | PROPERTY | VALUE | UNIT |
| Fluid –AluminiumA356
alloy |
Density | 2437 | kg/m³ |
| Thermal conductivity | 116.8 | W/(mK) | |
| Specific heat | 1074 | J/(kgK) | |
| Latent heat | 433.22 | kJ/m³ | |
| Liquidus temperature | 608 | °C | |
| Solidus temperature | 552.4 | °C | |
| Zircon Mold | Thermal conductivity | 1.09 | W/(mK) |
| Specific heat* Density | 1.63E+06 | J/( m³K) |
Initial and boundary conditions used are show in Table 2.
| Mold temperature | 430°C |
| Melt pouring temperature | 680°C |
| Filling time | 7 s |
| Interface heat transfer coefficient | 850 W/m2K |
| Heat transfer coefficient between ambient and mold (radiation effect) | 30 -100 W/m2K |
Table 2. Initial and boundary conditions used for the simulation
탕구저에 들어가는 용융물의 초기 속도와 온도는 메시 블록 2의 상단 경계에서 속도 경계 조건으로 주어집니다. 기본적으로 다른 모든 경계는 대칭 유형으로 설정됩니다.
Results & Discussion
Validation with reported experimental results
충전 및 응고 동안 냉각 곡선을 얻기 위한 실험에서 Sabuet.al[1]에 의해 선택된 네 개의 위치가 검증 목적으로 사용되었습니다. 그들은 C1, C2, S11, S12및 S21로 언급됩니다. C1과 C2지점은 주물의 플레이트의 중심에 있으며 S11, S12및 S21은 모두 쉘에 위치합니다. 이러한 위치에서의 온도 변화는 그림 4와 같습니다.
온도 프로파일의 수치 및 실험결과의 차이가 허용한계 안에 있음을 알 수 있습니다. 프로브 포인트 C1과 C2의 경우, 수치와 실험 결과 사이의 차이는 응고 중에 5%, 응고 후 냉각 시 12% 이내입니다. 쉘의 점에 대한 수치 결과는 실험 결과보다 약 5% 높습니다. 이는 쉘 재료에 열 물리학적 특성을 할당할 때 발생하는 가정과 쉘 열 전달 계수의 값 때문일 수 있습니다.
Fill sequence & solidification pattern for two different sprue locations
두 가지 다른 스프 루 위치의 채우기 순서 및 응고 패턴
2 개의 상이한 탕구 위치에 주물충전 순서는5a 및5b에 나와 있습니다. 최종 탕구가 더 많은 스플라인을 생성하므로 결함으로 이어질 수 있습니다. 탕구가 중간에 놓여지면 흐름은 보다 균일 해지고 두 주조 단면에서 비슷한 온도 분포를 보입니다. 50 % 응고 후의 온도 프로파일의 2D 도면은 두 경우 모두 그림 5c 및 5d에 나와 있습니다. 수축 위치에서 볼 때 두 탕구 위치가 결함을 일으키는 것은 분명합니다.
Figure 5a. Fill sequence at different time intervals when the sprue is located at one end
Figure 5b. Fill sequence at different time intervals when the sprue is located in the middle
Figure 5c. 2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located at one end
Figure 5d. 2D temperature profile after 50% solidification when the sprue is located in the middle
Effect of shell thickness
인베스트먼트 주조에 대한 쉘 두께의 효과를 연구하기 위해 두께가 7.2, 10, 15 및 20 mm인 주물을 선정하였습니다. 그림 6a 및 6b는 주조품의 특정 위치에서 냉각 곡선을 나타내며, 이는 C1으로 나타내고 쉘 몰드 내의 특정 위치에 있으며, 응고 중에 S11로 나타납니다. 세라믹 쉘의 두께가 7.2 mm에서 15 mm로 증가하면 냉각 속도가 감소하여 응고 시간이 길어지는 것을 볼 수 있습니다.
Effect of shell heat transfer coefficient
셸 열 전달 계수는 열이 셸 금형의 외부 벽에서 방사선을 통해 주변 공기로 열을 방출하는 속도를 나타냅니다. 이 효과를 조사하기 위해 열 전달 계수의 값을 20에서 80W/m2K까지 다양하게 했습니다. 7a 및 7b로부터, h의 변화는 주조 재료 및 쉘의 냉각 속도에 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 열 전달 계수가 20에서 80W/m2K로 증가하면 C1에서의 응고 시간이 812 초에서 334 초 (약 44 %)로 감소되었음을 알 수 있습니다. 따라서, h의 값을 변화시키는 것은 주물의 미세 구조에 영향을 미칩니다.
Figure 6a. Temperature profile at location C1 (casting) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various shell thickness values
F
Figure 6b. Temperature profile at location S11 (shell) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various shell thickness values
Figure 7a. Temperature profile at location C1 (casting) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various heat transfer coefficient values between the shell mold & ambient
Figure 7b. Temperature profile at location S11 (shell) for the casting geometry where the sprue is located at one end for various heat transfer coefficient values between the shell mold & ambient
Conclusions
인베스트먼트 주조 공정의 몰드 충진 및 응고 시뮬레이션은 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다. 주조 공정에 대한 주조 매개변수의 영향을 연구하기 위해 파라메트릭 연구가 수행되었습니다. 본 연구에서 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있습니다.
References
Sabau, A.S., Numerical Simulation of the Investment Casting Process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 113, Paper No. 05-160, 2005.
Sabau, A.S., and Viswanathan, S., Thermophysical Properties of Zircon and Fused Silica-based Shells used in the Investment Casting Process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 112, Paper No. 04-081, 2004.
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.
Detecting Porosity with the Core Gas Model
Producing High Quality Castings
Results options such as core gas flux, binder weight fraction and out-gassing rate can be analyzed using the core gas model
주조공장의 첫 번째 시험에서 주조 품질을 보장하기 위해 많은 선행 엔지니어링을 수행해야 합니다. 최근에는 금속 흐름, 응고, 미세 구조 진화 및 잔류 응력을 모델링하기 위한 수치 도구가 보편화되었습니다. 그러나 아직 완전히 다루어지지 않은 주조 결함 중 하나는 일반적인 코어 가스 불량 결함입니다. 이 문제의 물리학은 금속, 코어 및 바인더 사이의 복잡한 상호 작용을 포함합니다. 이를 해결하지 않으면 고철 수준이 높아질 수 있습니다. 대부분의 문제는 고온의 주입 온도를 사용하고 영향을 받는 영역에 벽체를 추가하여 문제를 관리하지만 완전히 해결할 수는 없습니다.
Designing the Optimum Break-Down
과거에는 재료 및 주조 엔지니어가 코어 가스 버블로 인해 다공성 결함 문제를 발견했을 경우 바인더 함량을 줄이거나 코어 환기량을 늘리거나 코어 환기 시간을 늘리거나 코어를 미리 굽거나 하는 등 일련의 표준 문제를 해결할 수 있었습니다. 가스가 따라가는 경로를 보는 것은 불가능했기 때문에 이것은 한 부분을 완성하는 데 수주가 걸리는 긴 인출 과정이었습니다. 그리고 다른 부분에 문제가 있을 때마다 반복해야 했습니다.
이 가공 일정을 단축해야 하는 시장 중심의 필요성 때문에 주조 시뮬레이션 소프트웨어가 개발되었습니다. 설계 및 제조에 모두 유용한 컴퓨터 기반 모델링을 통해 엔지니어는 실제 비용을 낭비 없이 다양한 접근 방식을 테스트 할 수 있습니다. 주조 공장이 환기 설계에 시뮬레이션을 적용 할 수 있도록 Flow Science는 주조 해석 기능에 핵심 가스 모델을 추가했습니다.
GM engine block water jacket, showing binder weight fraction
Applying CFD Methods to Core Gas Flow
수지 기반 바인더의 화학적 복잡성으로 인해 샌드 코어 열 차단 후 가스가 어디서 어떻게 흐르는 지 이해하는 것은 복잡합니다. 그러나 Flow Science는 여러 그룹과 협력하여 실험 데이터를 얻고 이를 수치 모델의 결과와 비교합니다. 이 회사는 General Motors, Graham-White Manufacturing 및 AlchemCast의 핵심 가스 유량 정보를 수집하여 알루미늄, 철 및 강철과 함께 사용되는 모래 수지 코어에 대한 실제 데이터를 얻었습니다.
GM Powertrain의 캐스팅 분석 엔지니어 인 David Goettsch 박사는 금속 주조물의 충진 및 응고 분석을 위해 15 년 동안 FLOW-3D를 사용했습니다. 새로운 코어 가스 모델은 설계 단계에서 자켓 코어 배출을 최적화하는 데 매우 유용합니다. 모든 요구 사항이 핵심 인화물에 있는 코어 박스에 vent tracks를 구현하기는 매우 어렵습니다. “핵심 가스 배출에 대한 선행 분석 작업을 통해 시동 시 높은 스크랩률로 부터 벗어날 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다. “아마도 프로세스 변경으로 문제가 해결 될 수 있습니다. 그러나 그 시점에 도달하려면 오랜 테스트 기간이 필요할 수 있습니다. “
현재 FLOW-3D에서 사용할 수 있는 코어 가스 모델을 통해 Goettsch는 다양한 삽입 및 배출 위치를 시도하고 글로벌 진단을 받을 수 있습니다. 가스가 얼마나 많이 발생하는지, 어디로 가는지, 금속 프런트가 따라 잡기 전에 얼마만큼 빠져 나오는지 확인하십시오.
Multi-Core Challenges
Core prints for casting with internal geometries
GM Powertrain jacket slab assembly
또 다른 노련한 주조공장 엔지니어인 Graham-White Manufacturing Co.의 Elizabeth Ryder는 가스 다공성은 항상 조사하기가 어려웠다고 주장했다. 그녀는 “특히 다중 코어의 경우, 어떤 코어가 문제의 원인인지 정확하게 찾아 내기가 어려웠으며 전체적인 시스템을 처리 하려고 했습니다. “
1700개의 부품으로 구성된 지속적인 생산으로, 그 중 일부는 연간 10,000개의 부품으로 구성되었으며, Graham-White는 시뮬레이션을 통해 제조 공정을 개선하는 데 매우 익숙했습니다.
Graham-White는 레이저 스캐닝으로 제작한 회주철 부품(약 3 x 4in)의 3D 모델로 작업하면서 평가를 위해 현재 vent 디자인을 제공했습니다. 이 탕구 디자인은 수평으로 분할된 금형에서 패턴 플레이트당 4개의 인상이 포함되었으며, 각 인상은 각 코어에 대한 vent가 있습니다. 중앙 sprue는 2 초 이내에 각각의 몰드를 충진할 수 있게 해주었습니다.
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션은 주입률을 확인시켜 주었지만, 또한 한 코어의 배출량이 충분하지 않다는 것을 보여주었다. Graham-White는 기존 분출구를 통해 가스를 더 많이 공급할 수 있도록 코어에 깊은 구멍을 뚫기 시작했습니다. 새로운 vent 디자인으로 전환한 이후, 회사는 코어 블로우 스크랩을 약 30% 감소 시켰습니다.
Ryder는 FLOW-3D 결과가 디자인 초점을 결정하는데 도움을 주었고, 어떤 코어 (멀티 코어 디자인)가 문제였는지, 코어의 어느 부분이 문제의 근원인지에 대해 파악할 수 있었습니다.
Learn more about the versatility and power of modeling metal casting processes with FLOW-3D Cast>
캐비티 또는 다공성 결함은 일반적으로 마지막 냉각 지점에서 발생됩니다. 라이저는 일반적으로 주조물이 응고 될 때 용융 금속을 주물에 제공하여 이러한 결함을 방지하는 데 사용됩니다. 그러나 라이저(risers)가 효과적이려면 수축을 보상하기에 충분한 재료를 포함 할 수 있도록 적절한 크기로 올바른 위치에 배치해야합니다. FLOW-3D에서 캐스터가 결함이 없는 주물을 위한 냉각 및 공급 시스템을 설계할 수 있도록 도와 주는 두가지 새로운 도구가 개발되었습니다. 즉, 마지막으로 동결할 장소의 예측과 열 계수의 계산입니다.
주조물 내에서 마지막으로 냉각되고 수축 다공성 결함이 발생할 가능성이 높은 직접 표시 위치. 이러한 장소들은 고체 부분의 진행이나 응고 시간으로부터 파생될 수 있지만, 그것들을 시각화하는 좀 더 직접적인 방법이 항상 선호된다.
그림 2. 핫스팟 입자를 포함하는 액체 부피의 진화 예시 : t3> t2> t1.특수한 유형의 고정 입자가 “핫 스폿”이라고 하는 가장 최근의 자유로운 위치를 식별하고 시각화하는 데 사용됩니다. 이 출력은 응고 모델이 사용될 때 자동으로 생성됩니다. 핫 스폿 입자는 그림 1에서 도해로 나타난 것처럼 모든 인접 요소가 고체가 된 후 응고될 때 셀에 삽입됩니다.
이러한 입자는 자유로운 마지막 위치를 식별하는것 외에도 이러한 위치에서 수축 다공성 결함의 가능성과 크기, 즉 셀 응고 시간, 핫 스폿 ID및 핫 스폿 크기를 결정하는 데 사용할 수 있는 다른 속성을 가지고 있습니다. 셀 응고 시간은 셀 이 응고되는 시간입니다. 핫 스폿 ID는 핫 스폿이 응고되는 순서를 보여 줍니다(1은 첫번째, 2는 두번째 등). 마지막으로, 핫 스폿 크기는 다음 등식으로 계산된다.
hsm (i) 는 입자 i의 핫스팟 크기입니다 .
t 0 은 입자의 위치에서 셀 응고 시간입니다.
ν liq (t) 는 시간 t 에
그림 2는 연결된 액체 영역 부피가 입자 i 의 시간 함수로 어떻게 변하는 지 보여줍니다 . 계산 된 양은 모든 핫스팟 크기의 값을 0과 1 사이의 범위로 가져 오도록 정규화됩니다. 이는 다공성 형성에 대한 잠재적 인 영향과 관련하여 주조 내 여러 핫스팟의 간단한 비교 분석을 허용합니다. 값이 높을수록 응고 중에 연결된 액체 영역이 더 커졌으며 마지막 동결 위치에서 수축 다공성 결함이있을 가능성이 더 큽니다.
열 계수 법은 특히 알루미늄 합금 및 강철 주조물의 경우 일반적인 라이저 설계에 가장 많이 사용되는 방법 중 하나입니다. 주어진 주물 부품의 경우 그 계수는 다음과 같이 정의됩니다.
, 여기서:
V는 주조 부품의 체적이고,
A은(는)주물 부품의 표면적입니다.
주물의 기하학적 계수는 구 또는 블록과 같은 일반적인 형상에 대해 계산하기 쉽습니다. 이보다 더 복잡한 작업에는 일반적인 모양에 따라 주조 섹션을 지루하게 근사치를 계산해야 합니다. 또한 기하학적 계수 접근 방식은 주물의 기하학적 구조에 전적으로 의존합니다. 실제 주조물은 한기 및 절연체를 사용하여 응고 진행을 제어합니다. 이러한 특성은 기하학적 계수 접근 방식에서 무시된다. 계수 계산을 자동화하고 냉각, 단열 및 기타 몰드 변화와 관련된 열 효과를 고려하기 위해 라이저 설계에 흔히 열 계수라는 혁신적인 접근 방식이 사용됩니다.
열 계수 접근 방식의 경우 먼저 주물의 응고 시뮬레이션을 실행합니다. 시뮬레이션이 완료되면, Chvorinov의 규칙에 따른 응고 시간으로부터 주물 전체에 해당하는 계수를 계산할 수 있습니다. 이 방법을 사용하여 계산된 등가 계수를 열 계수라고 합니다. 라이저 설계를 안내하기 위해 기하학적 계수와 동일한 방법으로 사용할 수 있다.
Chvorinov의 규칙은 응고 시간 사이의 관계를 제공하며, 그 계수는 다음과 같이 기록될 수 있다.
, 여기서:
, 여기서:
일반적으로 주조 공정을 설계할 때 라이저의 응고 시간이 인접한 주조 섹션의 응고 시간보다 긴 방식으로 라이저를 선택하여 적절한 이송을 할 수 있습니다. Chvorinov의 규칙에 따르면 응고 시간은 주물의 계수에 정비례합니다. 따라서 응고 시간을 비교할 때 모듈을 직접 비교할 수 있습니다. 모듈은 기하학적인 양에 불과하기 때문에 모듈의 비교는 설계 작업을 훨씬 더 단순하게 만든다. 금속 주조 엔지니어는 실제 주조 공정의 구체적인 내용을 고려하지 않고도 보다 큰 계수로 압탕을 설계하여 부품을 적절하게 이송할 수 있습니다.
예를 들어, 새로운 공구를 사용하는 증기 터빈 실린더의 절반에 대한 중력 주조를 위한 냉각 및 공급 시스템 설계가 유량 과학 중국에 의해 제공되고 이 절에서 논의된다. 부품의 외부 치수는 2.83×2.34×1.10 m이며, 총 용적은 아래와 같이 약 0.95입방 미터이다. 주조 재료는 탄소강이며 주입 온도는 1530°C이다.
첫째, 냉각 장치와 라이저가 없는 주물의 응고 시뮬레이션을 실행합니다. 그 목적은 뜨거운 스폿 위치를 식별하고 한기와 라이저의 위치와 라이저의 크기를 결정하는 것이다. 이 두가지 새로운 공구는 냉기와 라이저 설계를 개선하는데 사용됩니다.
마지막으로 입자를 동결하는 장소는 셀 응고 시간, 입자 ID및 핫 스폿 크기로 각각 색상이 지정된 다음 그림에 표시됩니다. 핫 스폿 위치와 수축 다공성 결함이 발생할 가능성은 이러한 그림에서 직접 확인할 수 있습니다. 주조물의 기하학적 특성에 따라 라이저 배치 위치는 그림. 4의 마지막 프레임에서 볼 수 있듯이 쉽게 결정할 수 있습니다. 단, 바닥 껍질에는 라이저 배치에 적합하지 않은 몇개의 핫 스폿이 있습니다. 이러한 위치에서 수축 다공성 결함을 방지하기 위해 한기를 사용하여 응고 패턴을 변경하고 라이저 영역에 마지막으로 동결하는 위치를 구동할 수 있습니다.
계산된 열 계수는 오른쪽에 표시되어 있습니다. 값이 클수록 마지막으로 고정할 위치와 일치합니다. 또한 열 계수를 사용하여 핫 스폿 위치의 라이저 크기를 결정할 수 있습니다.
일단 한기와 라이저가 결정되면 냉각제와 라이저를 사용한 두번째 응고 시뮬레이션을 실행하여 냉각제와 라이저 설계를 검증한다. 핫 스폿 크기로 채색된 마지막 자유형 입자와 열 계수는 그림. 6과 같다. 한기가 마지막 부분을 성공적으로 운전하여 라이저 부위를 얼리는 것을 볼 수 있다. 하지만, 라이저 아래에는 여전히 위험한 핫 스폿이 있다. 실제로 실제 주조물은 아래 그림과 같이 핫 스폿 입자로 식별된 위치에서 수축 다공성 결함을 보여 줍니다.
마지막으로 동결할 장소는 라이저가 아니라 주조물에 있습니다. 이는 라이저 위치와 크기가 올바르게 결정되더라도 주물이 라이저 쪽으로 방향성 있게 응고되지 않도록 응고 패턴이 올바르지 않음을 나타냅니다. 한가지 해결책은 발열체 슬리브를 사용하여 응고 패턴을 수정하는 것이다. 이것은 이 글의 범위를 벗어나므로 더 이상의 논의는 없을 것이다.
금속 공학자들이 결함이 없는 주물을 위한 냉각 및 공급 시스템을 설계하는 데 도움이 되도록 FLOW-3DCAST5.0에서 두개의 새로운 공구가 개발되었습니다:마지막으로 동결할 장소와 열 계수의 계산입니다. 수축 다공성 결함이 발생할 가능성이 높은 곳은 마지막으로 동결할 장소입니다. 이들은 한기와 라이저가 위치해야 하는 위치를 나타냅니다. 열 계수는 냉기와 라이저 위치를 결정하는 데도 사용할 수 있습니다. 또한 라이저 크기를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.
다음은 적층 제조 및 용접 참고 문헌의 기술 문서 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D AM 결과가 나와 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하여 적층 제조, 레이저 용접 및 기타 용접 기술에서 발견되는 프로세스를 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.
2024년 11월 20일 update
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FLOW-3D 는 세계에서 가장 어려운 CFD문제를 해결하는 소프트웨어로, 3차원 자유표면 해석 분야에서 널리 사용되는 최적의 수치해석 소프트웨어 입니다. 특히 자유표면(자유수면)을 가진 유동흐름을 정확하게 예측하는 분야에서는 타의 추종을 불허하는 정확성을 자랑합니다.
FLOW-3D 는 핵폭탄 개발 프로젝트로 유명한 미국 국립 연구소 LANL(LosAlamos National Laboratory)의 허트(C. W. Hirt) 박사가 새로운 자유표면 추적기법(free surface tracking method)인 VOF(Volume ofFluid) 방법을 연구 개발한 후, 수 많은 유동현상에 대한 물리 모델을 추가하고 성능을 개선하여, 설계 및 운영단계에서 사용되면서 엔지니어에게 귀중한 통찰력을 제공하는 세계적인 CFD 소프트웨어 입니다.
FLOW-3D 는 정확한 자유표면 추적, 압축성/비압축성 유동, 층류/난류, 열전달(전도, 대류, 복사), 점성발열, 상변화(응고,증발)/공동현상, 표면장력, 다상유동, 물질확산, 자연대류/밀도류, 뉴턴/비뉴턴유체, 틱소트로피, 다공성매질, 가속도계/관성계, 입자추적, 전기섭동/전기삼투압/주울발열, 열모세관현상 등 수많은 물리 모델을 제공합니다.
수치해석과 관련하여 궁금하신 사항은 언제든지 부담없이 문의 해주십시오.
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![Figure 2. Final precipitate size and morphologies predicted from multiscale simulations elucidating the differences that can be expected in high temperature precipitate homogeneous and heterogeneous nucleation and growth in Al-Cu alloys. Reproduced with permission from Ref. [8].](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-1640-150x150.webp)
![Figure 1. a) Sketch of the pier-caisson system considered in this study; b) Top view of a local scour hole, with the contour lines indicating the depth – values are normalized with respect to the maximum depth (after [9]).](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-1629-150x150.webp)
![Fig. 11. SADP (top), BF (middle), and WBDF (bottom) images of β-phase matrix with 𝑍𝑍≈[011]𝛽𝛽 zone axis for an area with accumulated dose ranging 7 to11 dpa under RT, increasing from bottom-right to top-left. The WBDF images were taken by selecting a diffraction spot indicated by a yellow cycle in each DP.](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-1623-150x150.webp)
![Figure 2. SEM images of segregated Mo-based coarse particles: (a) clusters of Mo-rich polygonal particles observed in 0.1 Mo, (b) elongated and fragmented Mo-based phases found in 0.3 Mo casting probably deriving from (c) Mo-based needles contained in the Al–Mo10 master alloy; (d–f) corresponding EDS spectra [6].](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-1586-150x150.webp)
![Fig. 1. Scanning electron micrographs (a) Mg97Y2Zn1 alloy after solution treatment with grains of the α-Mg matrix (dark grey) and interdendritic LPSO phases (grey) [4], (b) WZ62 after solution treatment [5] and (c) several Mg-Zn-RE alloys after homogenization [3] 1. Scanning electron micrographs (a) Mg97Y2Zn1 alloy after solution treatment with grains of the α-Mg matrix (dark grey) and interdendritic LPSO phases (grey) [4], (b) WZ62 after solution treatment [5] and (c) several Mg-Zn-RE alloys after homogenization [3]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-1558-150x150.webp)
Integration of CFD Analysis into Die-Cast Process Design
This article was contributed by Alex Reikher, Ph.D., of Shiloh Industries
오늘날의 조직은 오래되고, 잘 구축되었으며, 빠르게 성장하는 새로운 경제로부터 점점 더 많은 압박을 받고 있습니다. 시장의 세계화는 기업들이 그들의 경쟁 우위를 유지하기 위한 방안을 찾고 있습니다. 인터넷 기술의 급격한 발전과 자유로운 정보 교환은 기업이 경쟁 우위를 유지할 수 있는 기간을 단축하는 요인들입니다. 조직이 업계에서 선두 자리를 유지할 수 있는 방법 중 하나는 혁신기술을 시장에 도입하는데 필요한 시간을 줄이는 것입니다. 다이캐스팅 공정 개발 시간 단축이라는 목표를 가지고, FLOW-3D로 모델링하는 것은 Shiloh Industries의 엔지니어링 부서의 핵심 부분이 되었습니다.
우리는 7년이 넘게 다이캐스팅 모델링 도구인 FLOW-3D를 사용하여 예측 결과의 정확성과 신뢰성을 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 실제 주조 결함, 온도 분포 및 흐름 패턴과 좋은 상관 관계를 가지고 있습니다.
Shiloh Industries의 새로운 프로젝트는 게이트와 러너의 컨셉개발에서 시작되며 대략적인 slow shot profile, shot 실린더 직경, 최소 환기 영역 및 프로세스압력 요구 조건사항이 필요합니다. 유동분석은 최상의 유동패턴을 개발하고 공기 유입을 최소화하기 위해 수행됩니다. 러너설계가 완료된 후 열 분석을 실행하여 waterline 배치를 최적화합니다
Figure 1: The casting part
FLOW-3D의 매력적인 특징은 프로세스의 단계마다 별도의 분석을 실행할 수 있는 기능입니다. 이를 통해 올바른 shot 프로파일, 게이트 디자인 및 워터 라인 위치를 선택할 수 있습니다. 완전히 결합된 흐름과 열 분석은 모든 구성 요소가 잘 작동하는지 확인하기 위해 한번만 수행하면 됩니다. GMO(움직이는 물체)모델을 도입하면 저속 촬영단계에서 샷 슬리브의 최고 플런저 속도를 설정할 수 있습니다. 여기에 설명된 프로젝트에서 부품 설계는 현재 생산 버전에서 크게 변경되었습니다.
부품 형상은 그림 1에 나와 있습니다. 요구되는 주조 품질을 보장하기 위해 충전 및 응고 과정에서 어려움이 있습니다. 예를 들어, 응고 및 후속 냉각 중에 높은 내부 응력이 발생하여 바람직하지 않은 변형력이 발생할 수 있습니다.
설계 프로세스의 초기 단계에서 평가를 위해 21 개의 러너 구성이 제안되었습니다. FLOW-3D는 모든 변형을 평가하는데 사용되었습니다. 그림 2는 고려된 주 디자인 중 일부를 보여줍니다.
Figure 2: Three of the twenty-one runner systems modeled in FLOW-3D
러너 시스템의 초기 평가 기준은 유동패턴이었습니다. 설계 프로세스의 첫 번째 단계가 완료된 후, 추가 평가를 위해 그림 3에 표시된 두 가지의 러너 설계가 추가평가를 위해 채택되었습니다.
Figure 3: Runners selected for further evaluation based on the flow pattern
응고 분석은 두 번째 단계에서 평가하였습니다. 주조물뿐만 아니라 다이의 온도 분포도 분석하였습니다. 그림 4는 최종 러너 시스템 설계를 하여 응고가 끝날 때 부품의 온도 분포를 보여줍니다.
Figure 4: Different views of the final runner system chosen based on temperature distribution in the part at the end of solidification
Conclusion
7년이 넘는 기간 동안 우리는 다이 캐스팅공정 도구인 FLOW-3D를 사용하여 예측 결과의 정확성과 신뢰성을 입증할 수 있었습니다. 이러한 결과는 실제 주조 결함, 온도 분포 및 흐름 패턴과 좋은 상관 관계를 가지고 있습니다.
우리는 다이 캐스팅 공정 시뮬레이션뿐만 아니라 일반적인 CFD 모델링도 FLOW-3D를 사용하고 있습니다. 프로세스 개발 중에 설계 변경을 고객에게 권장해야 하는 경우 FLOW-3D를 사용하면 이러한 변경 사항을 신속하고 안정적으로 평가할 수 있으며 제안된 변경 사항뿐만 아니라 변경사항이 부품 성능에 미칠 영향을 고객에게 제시할 수 있습니다.
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Improving High Pressure Die Casting Designs
The content for this article was contributed by Mark Littler of Littler Diecast Corporation.
고압 다이캐스팅 생산 업체인 Littler Diecast Corporation은 최근 우주 항공분야에서 전기 스위치 프레임을 재설계하고 다이캐스팅할 수 있었습니다. 이전에는 다른 제조업체에서 생산했기 때문에 많은 수의 주조에 결함 문제가 있었고 스크랩 비율을 낮추기 위해서는 새로운 디자인이 필요했습니다. Littler Diecast는 문제에 대한 사전 지식없이 시뮬레이션을 통해 결함을 찾아낼 수 있음을 입증할 수 있었습니다. 이것은 고객들이 그들에게 일을 맡길 수 있을 만큼 충분한 감명을 주었습니다.
Identifying the Problem
스위치는 A380 알루미늄으로 만들어졌으며 크기는 약 1¼ x 1x 1/2 입니다. Littler Diecast는 다공성 문제가 판과 굴뚝의 두 부분에서 문제가 되고 있음을 발견했습니다. 이는 고객이 확인한 것입니다. 각 부분이 채워지는 길 때문에 구멍이 각 위치에 형성되었습니다. 이 흐름은 그림 1과 같이 하나의 게이트를 통해 들어 와서 플레이트의 먼 쪽으로 분사한 다음 다시 채워지며 조기 응고로 인해 항상 닫히지 않는 현상으로 나타납니다. 굴뚝에서도 같은 문제가 발견되었습니다. 유체가 가장 먼 곳으로 분사되고 다시 채워지면 분리선을 통해 배출될 수 없는 갇힌 공기가 생성됩니다.
X-ray of original part, showing porosity problems
Figure 1: Original design with a single gate. Plot colored by velocity magnitude..
Figure 2: Final design with three gates. Plot colored by velocity magnitude.
The Original Part Design
기존의 부품 설계에는 다른 문제가 있었습니다. lock washer와 플레이트 밑면의 밀봉된 표면주위에 많은 다이의 침식이 있었습니다. 부품 모서리에 있는 overflow는 결함이 흘러 나오기에 충분하지 않았습니다.
FLOW-3D를 사용하여 Littler Diecast는 유동의 거동을 분석하고 현상을 시각적으로 확인할 수 있었습니다. 이러한 분석으로 인해 조기 응고는 얇은 부분의 급속 냉각으로 인해 문제가 되었습니다. 만약 부품과 후면을 가로질러 유동이 흐른다면, 액체는 냉각되고 갇힌 공기를 만들어 낼 시간이 많이 필요합니다. 마지막으로 뜨거운 액체가 들어오는 것이 가장 좋습니다. 이를 염두에 두고 Littler Diecast는 여러 가지 아이디어를 테스트하고 문제의 가능성을 최소화하고 프로세스 창을 극대화 한 디자인을 달성했습니다.
The Final Part Design
세 가지 주요 설계 변경 후 부품 품질이 크게 향상되었습니다. 첫째, 게이트와 러너를 세 개의 게이트를 통해 들어갈 수 있도록 재설계하였습니다. 이것은 큰 오버플로를 생성하는 두 번째 설계 변경과 함께, 온도가 가장 높은 유체가 마지막으로 들어갈 수 있으며 플레이트에 역류가 훨씬 적다는 것을 의미했습니다. 셋째, 진입 각도와 게이트 위치가 변경되어 역류를 방지하는데 도움이 되었습니다.
또한, 이 새로운 디자인은 공구에서 다이의 침식될 수 있는 가능성을 줄였습니다. 대신 유체는 굴뚝의 중심구멍에 사용된 코어 핀 위로 분사됩니다. 코어 핀은 금형 강철을 수리하는 것보다 훨씬 쉽고 빠르게 교체할 수 있습니다. 이러한 금형 설계 변경은 새로운 금형을 절단하기 전에 이루어졌으며 금형 제작이 완료된 후에 문제가 발견되면 비용이 많이 드는 프로세스를 제거하였습니다.
Physical Verification
생산 도구의 시운전 후 Littler Diecast는 short shots, x-rays 및 파괴 테스트를 통해 설계 변경 사항을 확인할 수 있었습니다. short shot은 균형 잡힌 러너를 보여 주었으며 엑스레이에는 다공성이 보이지 않았습니다. 파단 테스트는 공극이 없는 일정한 결정립 조직을 보여 주었고, 파손은 재료의 강도 때문이 아니라 주조 결함 때문인 것으로 나타났습니다.
X-rays at different angles of a sample final part that was picked up from the shop floor.
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Increasing Productivity by Reducing Ejection Times
This article was contributed by Eugene Moore of Hellebusch Tool & Die
시뮬레이션 소프트웨어는 설계자와 엔지니어가 주조 공정의 세부 사항을 이해하고 경쟁사보다 저렴한 비용으로 고품질 부품을 일관성 있게 제작할 수 있게 해주는 유용한 도구입니다. 고압 다이캐스팅에서 시뮬레이션 소프트웨어는 주조 내로 금속을 공급하고 난류로 인한 공기 유입을 방지하기 위해 샷 슬리브 팁의 타이밍을 개선하고 오버 플로우에 대한 가장 효과적인 위치를 식별하는 더 나은 게이팅 시스템을 설계하는 데 사용됩니다. 이 기사에서는 프로세스 시간을 단축하기 위해 부품을 다이에서 배출하기 전에 시간을 줄이는 방법을 살펴 보겠습니다.
비스킷은 주조 과정에서 고형화 된 마지막 장소이기 때문에 우리의 노력에 집중할 수 있는 자연스러운 곳이며 따라서 부품을 언제 꺼낼 수 있는지를 결정합니다. 따라서 비스킷의 응고 시간을 줄일 수 있다면 전반적인 공정 시간을 줄일 수 있습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 유체와 접촉하는 영역의 양을 늘려 샷팁을 통해 금속에서 더 많은 열을 제거하는 것입니다. 이 경우 정확하게 적용할 수는 없지만, 아래에 표시된 정상상태 대류 방정식을 사용하면 이 접근법의 기초가 가장 쉽게 표시됩니다.
이 방정식에서 열 흐름은 대류 열 전달 계수이고, 금속 팁과 샷 팁 온도의 차이이며, 금속과 접촉하는 샷 팁의 표면적입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 오늘날 시장에서 볼 수 있는 다양한 형태의 플런저 팁이 금속과 접촉하는 표면적을 증가시키도록 설계되었습니다.
Figure 1: Plunger tips varying in size and surface area [1]
비스킷에서 제거된 열을 증가시키는 또 다른 방법은 비스켓에서 샷 팁과 금속 사이의 온도 차이를 조절하는 것입니다. 이는 그림 2 에서처럼 냉각 선을 팁에 추가하여 수행됩니다. 이 접근법의 단점은 피스톤 어셈블리에 상당한 복잡성을 추가한다는 것입니다.
Figure 2: Cooling within plunger tip [2]
New design
이 기사에서 FLOW-3D Cast를 사용하여 새로운 플런저 팁 디자인을 분석하고 수정되지 않은 표준 원통형 팁과 비교했습니다. 그림 3에서와 같이 끝 부분에 별 모양의 컷 아웃이 있는 원통형 팁으로 구성된 수정된 팁은 수정되지 않은 샷 팁보다 20 % 더 많은 표면적을 갖습니다. 팁은 분석을 위해 물로 냉각되지 않습니다.
Figure 3: Shape of the modified tip to give 20% increase in area
Analysis
각 샷 팁 디자인에 대해 충진 (샷 팁 모션 포함) 및 응고 (플로우 미포함) 시뮬레이션을 실행했습니다. 모든 다른 매개 변수는 사례간에 동일합니다. 주요 관심사는 두 가지입니다. 즉, 충전 중 흐름 패턴과 전반적인 응고 시간입니다. 샷 팁 디자인이 파동 및 공기 유입을 유발하는 경우 팁 또는 샷 슬리브 프로파일을 다시 설계해야 하기 때문에 충진 중 흐름 패턴이 중요합니다.
첫 번째 비교는 그림 4에 표시된 샷 슬리브의 흐름 패턴입니다. 이 그림은 수정 된 팁이 있거나 없는 샷 슬리브 중 유체의 이미지를 보여 주며 팁의 모양이 샷 슬리브에 영향을 주지 않는 것으로 나타났습니다. 흐름 패턴. 샷 프로파일에 거의 영향을 주지 않기 때문에 응고에 집중할 수 있습니다.
Figure 4: Flow patterns in the shot sleeves from both tips.
두 번째 비교는 응고 시간입니다. 그림 5는 시간의 함수로서 팁의 평균 온도, 시간의 함수로서 금속으로부터 팁으로의 열 유속 및 추출시의 액체 금속의 온도 프로파일을 비교합니다
Figure 5: The above time plots show the average temperature in tip on the upper left hand corner and the heat flux from the metal to the tip in the upper right hand corner. The images below this show the metal temperature within the biscuit of the two castings.
그림 5에서 볼 수 있듯이, 그래프는 금속에서 더 많은 열을 추출했기 때문에 수정 된 팁의 평균 온도가 더 높음을 보여줍니다. 이것은 또한 열 유속 플롯에 표시됩니다. 그래프 아래의 이미지는 비스킷과 탄환의 경계면에서 액체금속을 보여줍니다. 데이터는 수정된 팁을 사용하여 열 제거가 12.7 % 증가한 것을 보여줍니다.
Conclusions
샷 팁 디자인은 주조 부품의 응고 시간에 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 효과를 분석하고 이 지식을 사용하여 프로세스 매개변수를 최적화하는 방법을 제공합니다.
References
[1] http://www.metalminotti.it/copper-alloys-semi-and-finished-products/plunger-tips-for-die-casting/
[2] http://www.castool.com/product/plunger-rod
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Kodak Develops New Printhead Design in 1/3rd the Time
Eastman Kodak Company가 잉크젯 프린팅 시장에 진입했을 때 회사는 낭비 할 시간이 없었습니다. Kodak은 프리미엄 안료-기반 잉크를 사용하여 잉크 카트리지를 교체하지 않고 프린트 헤드를 프린터에 통합하여 수명이 오래 지속되고 잉크 비용을 크게 절감하는 생생한 컬러의 사진 인쇄물을 제공함으로써 비즈니스 진출을 계획했습니다. 이러한 발전으로 완전히 새로운 프린트 헤드 개발이 필요했습니다. 업계 경험에 따르면 완전히 새로운 잉크젯 프린터 기술을 개발하는데 보통 8-10 년이 걸렸습니다. Kodak 연구원은 프로젝트의 시간 제약조건을 충족시키기 위해 매우 정확한 시뮬레이션 소프트웨어와 설계를 최적화하는 체계적인 방법이 모두 필요하다는 것을 알고 있었습니다. FLOW-3D 및 D-optimal 설계 실험 (DOE)을 사용하여 Kodak 연구원은 불과 3 년 만에 작업을 완료했습니다.
KODAK EASYSHARE 5500 all-in-one printer
Innovative Ink Leads to New Printer Line
Kodak의 EASYSHARE 프린터 라인을 형성하는 핵심 혁신은 염료-기반 잉크와 동일한 수준의 광택을 제공하지만 훨씬 오래 지속되는 안료-기반 잉크의 개발이었습니다. Kodak 엔지니어는 이 새로운 잉크를 용지 및 기타 용지에 정확하게 공급하면서 기존의 프린트 헤드보다 훨씬 긴 수명을 제공 할 수 있는 프린트 헤드를 개발할 필요가 있었습니다.
FLOW-3D는 우수한 경향 예측뿐만 아니라 시각적 관찰도 우수한 질적인 결과를 제공합니다. 마찬가지로 소프트웨어는 설계 민감도를 정확하게 예측합니다. 결과적으로, FLOW-3D는 Kodak의 첨단 연구 및 개발 활동을 지원하는 귀중한 통찰력을 제공했습니다.
– Christopher Delametter, Senior Research Scientist, Eastman Kodak Company
Simulation Spotlight: Homogeneous Bubble Model
Homogenous Thermal Bubble model
Kodak 엔지니어는 유체 및 열 흐름에 증기 기포의 형성을 연결하는 균일한 버블 모델을 통합하는 FLOW-3D를 사용하여 프린트 헤드 작동을 정확하게 시뮬레이션 했습니다. thin-film stack내의 열원은 고체 구조내에서의 전도 및 유체 / 고체 계면에서의 열전달에 의해 잉크로 운반됩니다. 유체에서 과열 온도에 이르면 증기 거품이 폭발적으로 형성됩니다. 기포는 균질 한 압력과 온도를 갖는 것으로 가정되며, 그 동역학은 증기에 대한 Clapeyron 방정식에 의해 지배된다. 기포 / 액체 계면에서의 질량 및 열교환은 기포가 팽창함에 따라 계속되고, 질량 유속은 운동 이론에 따라 결정됩니다. 표면장력과 점성영역도 시뮬레이션에 포함됩니다. 모델에서의 힘과 플럭스의 적절한 구현은 자유 표면의 정확한 추적에 달려 있는데, 이는 TruVOF 방법론을 사용하여 달성되며 계산의 중요한 부분입니다.
Design of Experiments
DOE를 사용하여 CFD를 구동함으로써 Kodak 연구원은 경쟁사보다 훨씬 짧은 시간에 프린트 헤드 디자인을 최적화 할 수 있었습니다. 시뮬레이션의 장점은 연구원이 색상 중 하나에 대해보다 최적의 잉크 배합을 발견했을 때 나타나며 프로젝트 후반부에 분명했습니다. 잉크는 이러한 장점을 이용하기 위해 신속하게 재구성되었습니다. 그러나 프린트 헤드를 1 년 이상 재설계해야 할 필요가 있을까요? 다행히 Kodak 연구원은 이미 잉크 특성에 대한 민감성 연구를 수행했으므로 단일 시뮬레이션을 추가하지 않고도 기존의 프린트 헤드 설계가 제대로 작동 할 것이라고 신속하게 판단했습니다. 따라서 EASYSHARE 프린터 제품군은 프로젝트가 시작된 지 불과 3 년 만에 출시되었으며, 일반적으로 새로운 잉크젯 기술을 시장에 출시하는 데 소요되는 시간은 약 3 분의 1입니다.
Comparison between physical experiments and simulation—Early experimental device configuration.
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Sludge Settling Model
이 기사에서는 선임 개발자인 Gengsheng Wei박사가 FLOW-3D v11.3 에서 사용할 수 있는 새로운 Sludge Settling Model에 대해 설명합니다.
침전은 하수 슬러지 처리 및 소화 및 처리의 첫 번째 단계입니다. FLOW-3D v11.3에서 정화조, 정화기 및 기타 하수 처리 장비의 슬러지 정화를 시뮬레이션 하기 위한 슬러지 침전 모델이 개발되었습니다. 슬러지 운동은 하수흐름과 중력에 의해 좌우됩니다. 슬러지의 운송방정식은 다음과 같습니다.
여기서는 u는 Slude-water 혼합물의 속도와 usettle은 중력방향에 있는 슬러지 안착속도를 나타낸다.
일반적으로 usettle값은 C가 증가함에 따라 감소한다. C가 임계 값, Cmax에 도달하면 0으로 떨어지는데, 이것은 정착 탱크의 최대 슬러지 농도이다. C=Cmax로 완전히 안착된 지역에서는 슬러지가 정착을 멈추지만, 유체 흐름과 함께 침전이 계속된다. Cmax는 모형에서 사용자가 지정한 입력 매개 변수이다.
사용자는 표, 데이터 또는 Vesilind방정식(1968)1을 사용하여 C함수로 정의할 수 있습니다.
여기서 U0는 최대 슬러지 속도이고 n은 volume/mass 치수의 Vesilind파라미터이다. C=Cmax로 모형에 의해 0으로 설정된 경우입니다.
위의 Simulation은 탱크에서 슬러지 침전의 해석결과입니다. 입구에서 8초 동안 5 kg/m3의 하수가 탱크로 유입됩니다. Cmax는 10kg/m3로 지정되며 탱크 바닥에 완전히 자리 잡은 지역에서 찾을 수 있습니다. U0=1.144×10-3m/s 및 n=0.4317 m3/kg이 시뮬레이션에 사용됩니다. 새로 추가된 슬러지는 탱크의 메인 챔버에 대부분 남아 있으며, 그 중 소량은 분리 벽의 구멍을 통해 2차 정산실로 유입되는 것을 확인하였습니다. 처음에 설정된 슬러지는 유입되는 슬러지로 인해 방해를 받지만 약 5분 후에 다시 고정됩니다
The new sludge settling model은 엔지니어가 슬러지의 흐름과 정착 과정을 더 잘 분석하고 폐수처리장비에 대한 설계를 개선하는데 도움이 될 것입니다.
Reference
1Vesilind P. A., 1968, Design of prototype thickeners from batch settling tests. Water Sewage Works 115(7), 302-307.
Cooling and Feeding System Design
공동 또는 다공성 결함은 일반적으로 마지막 응고 위치에서 형성됩니다. 라이저는 일반적으로 주조물이 굳을 때 녹은 금속을 주조물에 제공하여 이러한 결함을 방지하는데 사용됩니다. 그러나 라이저가 효과를 발휘하려면 적절한 크기에 적절한 위치에 배치하여 수축량을 보상할 수 있는 충분한 재료를 포함해야 합니다. FLOW-3D CAST에서는 캐스터가 결점 없는 주물을 위한 냉각 및 공급 시스템을 설계할 수 있도록 두 가지 새로운 도구가 개발되었습니다. 즉, 마지막으로 응고될 장소의 예측과 열 계수 계산입니다.
Last Places to Freeze
이러한 입자는 최종 자유도 위치를 파악하는 것 외에 이러한 위치에서 수축 다공성 결함의 가능성과 크기를 결정하는 데 사용할 수 있는 다른 속성을 가지고 있습니다. 즉, 셀 응고 시간, 핫 스폿 ID 및 핫 스폿크기, 셀이 응고되는 시간입니다. 핫 스폿 ID는 핫 스폿이 첫번째 지점, 두번째 지점인 순서를 나타냅니다. 마지막으로 핫 스팟크기는 다음 공식으로 계산됩니다.
이 입자들은 마지막으로 동결된 위치를 식별하는 것 외에도 이러한 위치에서 수축 다공성 결함의 가능성 및 크기, 즉 셀 응고 시간, 핫 스폿 ID 및 핫 스폿 크기를 결정하는 데 사용할 수 있는 다른 속성을 가지고 있습니다. 셀 응고 시간은 셀이 응고되는 시간입니다. 핫 스폿 ID는 핫 스폿이 굳어지는 순서를 나타냅니다. 1은 첫 번째, 2는 두 번째 등. 마지막으로, 핫 스폿 크기는 다음 방정식으로 계산됩니다.
Figure 1. A hot spot particle is inserted at the center of a cell when it solidifies after its immediate neighbors become solid.
Figure 2. 핫스팟 입자를 포함하는 액체 부피의 진행상태 예시 : t3> t2> t1.
그림 2는 연결된 액체 지역의 부피가 입자 속도의 함수로서 어떻게 변하는지를 보여 준다. 그런 다음 계산된 양을 정규화하여 모든 핫 스팟 크기 값을 0과 1사이의 범위로 가져옵니다. 이를 통해 다공성 형성에 미치는 잠재적인 영향과 관련하여 주물 내 여러 핫 스폿을 간단하게 비교 분석할 수 있습니다. 값이 높을수록 응고하는 동안 연결된 액체 영역이 커지며 최종-동결 위치에서 다공성 결함이 줄어들 가능성이 높아집니다.
The Thermal Modulus Method
열 계수 법은 일반적인 라이저 설계 시 가장 많이 사용되는 방법 중 하나이며, 특히 알루미늄 합금 및 강철 주물에 사용됩니다. 주어진 주물 부품의 경우, 그 계수는 다음과 같이 정의됩니다.
주물의 기하학적 계수는 구체나 블록과 같은 정규 형상에 대해 계산하기 쉽습니다. 그보다 더 복잡한 것은 보통 모양으로 주조 섹션을 지루하게 근사치를 구하는 것입니다. 또한, 기하학적 계수형 접근 방식은 주물의 기하학적 구조에 전적으로 의존합니다.
실제 주조물은 냉각제와 절연체를 사용하여 응고 진행을 제어합니다. 이러한 형상은 기하 계수 접근 방식에서는 무시된다. 계수 계산을 자동화하고, 동결 융해, 단열 및 기타 주형 변형과 관련된 열 영향을 고려하기 위해 열 계수라고 하는 혁신적인 접근법이 라이저 디자인에 사용된다.
열 계수 접근 방식의 경우 먼저 주조물의 응고 시뮬레이션이 실행됩니다. 시뮬레이션이 완료되면, Cavorinov의 규칙에 근거한 응고 시간으로부터 주물 전체의 등가 계수를 계산할 수 있습니다. 이 접근법을 사용하여 계산된 등가 계수를 열 계수라고 한다. 그것은 라이저 설계를 가이드하기 위해 기하학적 계수와 동일한 방법으로 사용될 수 있다.
Chvorinov의 법칙은 응고 시간과의 관계를 나타내며 그 계수는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
주조 공정을 설계할 때 라이저는 적절한 유동을 위해 라이저의 응고 시간이 인접 주조 섹션의 응고 시간보다 긴 방식으로 설계됩니다. Chvorinov의 규칙에 따르면 응고 시간은 주물의 계수에 정비례합니다. 따라서 응고 시간을 비교할 때 모듈화를 직접 비교할 수 있습니다. 모듈형은 기하학적인 양이기 때문에, 모듈형의 비교는 훨씬 단순하게 설계를 할수있습니다. 금속 주조 엔지니어는 실제 주조 공정의 세부 사항을 고려하지 않고도 부품을 적절하게 이송할 수 있도록 계수가 큰 라이저를 설계할 수 있습니다.
Application of the New Tools to Cooling and Feeding System Design
예를 들어, 새로운 도구를 사용하는 증기 터빈 실린더의 절반에 대한 냉각 및 공급 시스템 설계가 제공되고 이 섹션에서 Flow Science China 도움을 받아 논의됩니다. 부품의 외부 치수는 2.83×2.34×1.10미터이고 총 부피는 아래와 같이 약 0.95 세제곱미터입니다. 주물 재료는 탄소강이며 주입 온도는 150°C입니다.
Figure 3. Casting part geometry
첫째, 냉각제와 라이저가 없는 주조물의 응고 시뮬레이션을 실행합니다. 그 목적은 핫 스폿 위치를 확인하고 응고 건조기 및 라이저의 위치와 라이저의 크기를 결정하는 것입니다. 두개의 새로운 도구는 냉기와 라이저 설계를 개선하는 데 사용됩니다.
입자를 응고할 마지막 위치는 각각 셀 응고 시간, 입자 ID 및 핫 스폿 크기로 표시된 다음 그림과 같습니다. 이러한 그림을 통해 핫 스폿 위치와 수축 다공성 결함을 형성할 가능성을 직접 확인할 수 있습니다. 주물의 기하학적 특성에 기초하여, 라이저를 배치하는 위치는 그림의 마지막 프레임과 같이 쉽게 확인할 수 있습니다.
그러나 하단 쉘에 몇개의 핫 스폿이 있으며 이는 라이저를 배치하는 데 적합하지 않습니다. 이러한 위치에서 다공성 결함의 수축을 방지하기 위해 냉각제를 사용하여 응고 패턴을 변경하고 마지막으로 라이저 영역까지 응고시킬 수 있습니다.
Figure 4. Hot spot locations colored by three attributes (clockwise from top left): hot spot solidification time, particle id and hot spot magnitude.
Thermal Modulus Computation
계산 된 thermal modulus는 오른쪽에 표시됩니다. 더 큰 값은 응고될 마지막 위치와 일치합니다. 또한 열 모듈러스를 사용하여 핫스팟 위치에서 라이저의 크기를 결정할 수 있습니다.
냉각 및 라이저가 결정되면 냉각 및 라이저 설계를 확인하기 위해 냉각 및 라이저가 포함된 두 번째 응고 시뮬레이션이 실행됩니다. 핫스팟 크기로 채색된 마지막 응고 위치 입자와 thermal modulus가 그림 6에 나와 있습니다. 냉각이 마지막 장소를 라이저 영역으로 성공적으로 응고시키는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 라이저 아래에는 여전히 위험한 핫 스팟이 있습니다. 실제로 실제 주조는 아래 그림에 표시된 것처럼 핫스팟 입자로 식별된 위치에서 수축 다공성 결함을 보여줍니다.
Figure 5. Calculated thermal modulus
Calculated thermal modulus 마지막으로 동결할 장소는 라이저가 아닌 주물 안에 있습니다. 즉, 라이저 위치와 크기가 올바르게 결정되더라도 주물이 라이저 쪽 방향으로 굳지 않도록 응고 패턴이 올바르지 않다는 것을 의미합니다. 한 가지 해결책은 발열 라이저 슬리브를 사용하여 응고 패턴을 수정하는 것입니다. 이것은 본 기사의 범위를 벗어나기 때문에, 더 이상 논의되지 않을 것입니다.
Figure 6. 핫 스폿 위치(왼쪽 위), 계측된 주조물을 사용하여 계산된 열적 계수(오른쪽 위) 및 수축 결함이 관찰된 위치
금속 주조 설계 과정에서 FLOW-3D CAST의 사용은 회사의 비용 절감 방안을 제시하여 수익성을 개선할 수 있습니다. FLOW-3D CAST 는 엔지니어와 설계자에게 경험과 전문지식을 향상시킬 수 있는 강력한 도구가 될 수 있습니다. 보통 수익성은 비용 절감과 비용 회피에서 찾을 수 있습니다. 지금, 품질과 생산성 문제는 제품개발 단계에서 다양한 시뮬레이션 통해 짧은 공정시간, 낮은 비용으로 해결 할 수 있는 방안을 찾을 수 있습니다. 새로운 개발도구인 FLOW-3D CAST의 효율성은 생산이 시작되기 전에 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하여 생산성을 크게 개선할 수 있습니다.
Ladle Pour
샷 슬리브 공정을 최적화하는 것은 고품질 부품을 확보하는 데 필수적입니다. FLOW-3D CAST의 시뮬레이션 결과와 실제 사례의 비교를 통해, 시뮬레이션을 사용하여 엔지니어가 값 비싼 툴링을 제작하기 전에 설계를 개선하는 방법을 강조합니다. FLOW-3D CAST는 프로세스 전반에 걸쳐 유체의 움직임을 정확하게 포착할 수 있으므로, 엔지니어가 실제 레들 주입 공정에서 신속하게 파악할 수 있습니다. 시뮬레이션은 Nemak Poland Sp. z o.o로부터 제공받았습니다.
Gravity Casting
열전대 데이터를 기반으로 한 실제 충진 재구성과 비교 한 중력 주조 시뮬레이션. Courtesy of XC Engineering and Peugeot PSA.
Foundry: Simulating a Flow Fill Pattern
사형 주조 충진중의 X- 레이 검증
X -레이 결과와 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과를 나란히 비교합니다. A356 알루미늄 합금으로 사형 주조의 3 차원 충진 색상은 금속의 압력을 나타냅니다. 시뮬레이션 결과는 수직 대칭 평면에 표시됩니다. Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes VII, London, 1995.
HPDC: Flow Pattern
Short sleeve validation – 시뮬레이션 결과와 주조 부품, Littler Diecast Corporation의 예
Modeling Air Entrapment
디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X-ray vs. FLOW-3D CAST 검증.
디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X- 레이 검증, 380 다이캐스팅 합금. 결과는 혼입 된 공기의 비율로 표시됩니다. X- 레이의 상세한 영역은 최대 다공도 농도를 나타냅니다.
HPDC Filling
FLOW-3D 결과를 실제 부품과 비교하는 HPDC 캐스팅 검증
Short Shot Simulation
실제 주조 부품의 유효성 검사. 스냅 샷과 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과. 왼쪽에서 오른쪽으로 : 변속기 하우징, 오일 팬 및 자동차 부품.
HPDC Air Entrapment Defects
Antrametal에 의한 주조 시뮬레이션 대 실험 결과의 성공적인 비교.
Antmetetal의 고객 검증은 FLOW-3D CAST의 Air Entrapment 모델을 사용하여 실험 결과와 시뮬레이션을 비교 한 결과를 보여줍니다. 세탁기 용 전동 모터의 앞 커버의 HPDC입니다. 공기 관련 결함은 이미지의 색상에 정 성적으로 표시됩니다. FLOW-3D CAST 내의 다른 수치 기능에 의해 포착 된 물리적 공기 포켓 또한 명확하게 표현됩니다.
Core Drying
시뮬레이션과 무기 코어의 건조 실험 사이의 BMW에 의한 비교.
Predicting Die Erosion
캐비테이션으로 인한 다이 침식 영역은 FLOW-3D CAST 결과를 실제 사례와 비교하여 올바르게 배치되었습니다.
Predicting Lost Foam Filling
Lost foam L850 블록 벌크 헤드 슬라이스에 대한 실시간 X-ray 및 FLOW-3D CAST 유동 시뮬레이션 결과의 비교. 시뮬레이션은 GM Powertrain의 예입니다.
Porosity Defects
Porosity due to entrained air
Predicting Shrinkage Porosity
A380 diesel engine block casting
Conference Proceedings
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2016년 FLOW-3D Korea Users Conference 발표자료를 업로드 해 드립니다.
공개 불가 자료는 올려드리지 못하오니 양해 바랍니다.
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01_Developments and Improvements_FlowScience
02_Through Intuitive Interface Design_FlowScience
03_해상구조물 주변 세굴 수치모의 실험_해풍기술
04_FLOW-3D_활용사례_건기연
05_FLOW-3D 고급기능을 이용한 수리구조물 해석_STI
수치해석을 하는 엔지니어들은 사용하는 컴퓨터의 성능에 무척 민감합니다. 그 이유는 수치해석을 하기 위해 여러 준비단계와 분석 시간들이 필요하지만 당연히 압도적으로 시간을 소모하는 것이 계산 시간이기 때문일 것입니다.
따라서 컴퓨터의 성능 평가를 하기 위해서 기본적으로 검토해야 하는 사항을 살펴보도록 하겠습니다.
컴퓨터 시스템의 성능이란 단위 시간당 시스템이 처리하는 작업의 수에 의해 결정되거나 처리량, 응답시간, 평균 대기 시간 등의 요소가 복합적으로 상호작용하여 결정되는 것으로 시스템 총 생산성을 결정하는 요인입니다.
비교대상이 되는 여러 컴퓨터에 표준 벤치마크 프로그램을 수행시켜 속도를 비교 검사하여 성능을 측정하는 방법을 의미합니다.
SPEC ( Standard Performance Evaluation Corporation ) : 각 분야별 주요 환경을 통해 정수, 부동소수 또는 다수의 CPU에 대한 성능 측정방법
LADDIS : NFS 업체의 비공식 기구로 NFS의 업무 부하 증가에 따른 서버 응답 속도를 측정하는 방법
FLOPS (floating-point operations per second) : 플롭스는 초당 수행할 수 있는 실수 연산(부동소수점)의 횟수를 의미하는 컴퓨터 성능 단위로 1메가 플롭스라면 1초에 백만번의 실수을 처리할 수 있다는 것을 의미함. 플롭스 단위는 일반적으로 컴퓨터의 실수연산(FPU) 성능을 나타낼 때 주로 이용하고 있습니다.
LINPACK(linear programming package) : Single User FORTRAN Benchmark TEST로 공학 및 과학계산을 위한 선형 방정식을 풀고, 정수 및 부동소수점 계산을 수행하여 Cache Performance 측정. 프로그램 크기가 최근에 적용되는 캐시기억장치 크기보다 작아 실제 수행능력을 평가하는데 부족함이 있어서 최근에는 사용자가 실제 사용하는 응용프로그램 환경에서의 수행속도를 측정하기 위해 SPEC,AIM,코너스톤(Khornerstone) 등이 사용되고 있습니다.
Dhrystone : 정수계산 및 레코드와 포인터 조작 등을 위한 연산을 행하고 I/O 작업, 운영체제 호출(Operating system calling) 및 실수 연산은 하지 않음. 원시 프로그램을 시험하고자하는 컴퓨터에서 컴파일 한 후 실행시키므로 하드웨어 개선없이 단지 시험하고자하는 루틴에 해당하는 컴파일러 부분만을 개선하여도 빠른 결과를 얻을 수 있으므로 신뢰도가 떨어집니다.
Whetstone : 주로 부동소수점 처리 성능(Flops)을 평가하는 표준적인 벤치마크(benchmark) 프로그램의 하나로 부동소수점 처리성능을 평가하는 최초의 프로그램으로 정수처리능력을 평가하는 드라이스톤 벤치 프로그램처럼 컴파일러에 의존하여 신뢰도가 떨어집니다.
TPC ( Transaction Processing Performance Council) : OLTP 시스템의 처리성능 평가 기준의 표준 규격을 제정하기 위하여 결성된 비영리단체(1988)에서 제정했습니다.
전세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터(HPC)의 현황은 https://www.top500.org 에서 1년에 2회 발표합니다. 현재까지 발표된 컴퓨터의 순위는 아래와 같습니다. 슈퍼컴은 대용량 데이터처리 또는 수치해석 처럼 대용량 과학기술 계산에 특화되어 있기 때문에 LINPACK 벤치마크 기준을 이용하여 Flops/s 성능을 기준으로 정하고 있습니다.
이 프로그램은 시스템의 PC를 구성하는 각 주요 하드웨어에 부하를 가한 후 이를 토대로 성능을 수치화한 데이터를 사용자로부터 수집하여 데이터베이스를 가지고 있어서 자신의 컴퓨터가 어느정도 수준의 컴퓨터인지 쉽게 알 수 있습니다. 프로그램은 30일간 무료로 사용해볼 수 있는데 성능테스트는 늘 하는 것이 아니고 한번만 해보면 되기 때문에 사용기간은 충분합니다. 다음 사이트 (http://www.passmark.com/) 에서 다운로드 받을 수 있습니다.
이 외에도 게임에 특화된 ‘3D마크(3DMark)” 프로그램이나 하드디스크 성능 분석에 특화된 “HD튠 프로(HD Tune Pro)”나 “크리스탈디스크마크(CrystalDiskMark)” 등이 있습니다.
위 그림은 필자의 일반적인 업무용 노트북 컴퓨터를 대상으로 테스트한 결과로 초록색 Bar는 필자의 컴퓨터 성능을 의미합니다. 일반 사무 업무용으로 꽤 쓸만한 LG i5 gram 노트북으로 계산성능이 고사양이 아니어서 비교 순위는 좀 낮은편에 속한 것을 알 수 있습니다.
그래픽 성능의 경우 내장 그래픽을 사용하는 일반 업무용 노트북의 특성상 최하위에 속한 것을 알 수 있습니다. 그래픽카드의 경우 수치해석 결과를 분석하는 POST 업무는 꽤 많은 시간이 소요되는데, 일반적으로 내장 그래픽을 사용하는 컴퓨터의 경우 속도가 늦거나 프로그램 실행이 안되거나 화면의 일부 색상이나 형상등이 보이지 않는 여러가지 문제들이 발생합니다.
따라서 수치해석 결과분석을 하는 컴퓨터는 반드시 메인보드에 내장된 그래픽칩셉이 아닌 성능좋은 별도의 그래픽카드를 사용하는것을 권장합니다.
계산결과를 읽거나 저장하는 필자의 디스크 성능은 SSD가 기본 장착되어 있어서, 그나마 상위권에 속해 위안을 받았습니다.
3-2 계산용 컴퓨터의 선택
위에서 잠깐 살펴본 것처럼 컴퓨터의 성능이 어느정도 되는지 분석할 수 있는 여러가지 벤치마크 기준과 테스트 프로그램 들이 있습니다.
벤치마크 기준을 통해 수치해석에 적합한 성능을 가진 컴퓨터를 선별하는 Flops/sec 성능도 중요하지만, 방대한 계산 결과를 디스크에 읽고 쓰는 I/O 성능과, 해석결과를 분석할 때 절대적으로 필요한 그래픽 성능은 매우 중요하므로 메모리 디스크인 SSD 디스크와 고성능 그래픽카드에도 관심을 가져야 합니다.
One of the unique features of FLOW-3Dr is the FAVORTM advantage used to accurately represent complex geometry in a rectangular Cartesian mesh.
The tedious work of generating a mesh for complex geometry is avoided. Due to this advantage, FLOW-3Dr can be used to simulate °ow in complex mi-crochannels accurately and e±ciently. Figure 1 shows a novel design of a microchannel with obliquely ori-ented or staggered herringbone ridges on its bottom wall to generate chaotic mixing of °uids (Stroock et al., Science, 295, 647-651, 2002). Fluid °ow and mix-ing through this device can be easily simulated with complicated geometry resolved using FAVOR TM. Fig-ure 2 displays the secondary °ow in two typical cross sections along the channel axis of this device. The predicted °ow ¯elds matches the experimental obser-vations of Stroock et al. very well.
[다운로드]
Applications of FLOW-3Dr to MEMS (Multiphysics Capabilities)
Overview
The making of resin-bonded sand castings has made great strides in quality over its long history. Even so, there remain some process-related defects that are not fully understood and can cause quality issues. For instance, chemical binders in the sand can produce gas when heated by the molten metal and if not vented adequately, the gas may flow into the metal resulting in a gas porosity defect. This is most likely with cores that form thin interior features of castings that heat up quickly and have long venting paths.
The core gas model in FLOW-3D1 is designed to predict the possibility of such gas defects and is intended to help design core venting that would evacuate safely all the binder product gas
from the cores.
Two major types of binders are used in core making practice: resin-based organic binders and inorganic binders such as sodium silicate [1]. The organic binders are either thermosetting, or cured at room temperature with an aid of a catalyst. These are favored in many applications due to their complete degradation even at aluminum casting temperatures and for the ease of subsequent sand shake out. The core gas model is developed with these binders in mind, but can be extended to inorganic binders if appropriate data on their decomposition is available.
Overview
The non-condensable gas model is built upon the two-fluid, liquid/vapor phase change model and includes the effects of a non-condensable gas present in the vapor space. The new model is designed to work only with the two-fluid phase change model because the spatial distribution of vapor and gas components is needed to predict the phase change behavior. By contrast, the one-fluid phase change model assumes spatially uniform pressure and temperature throughout the gas phase. The assumption of a uniform gas/vapor concentration in a two-component gas would rarely be valid. This model is the basis of work completed to simulate the ullage space of cryogenic tanks2, but it is applicable to any two-component gas problem.
Abstract
Porosity is a common but serious casting defect. One type of porosity is a result of core gas that has evolved and been trapped in the casting during solidification. In order to reduce or eliminate core gas related defects, detailed information regarding the core gas generation, flow, and venting in the core, and the metal flow and solidification behavior in the mold is needed. In this paper, numerical simulations are conducted based on a prototype design, which is a steel casting part from Caterpillar. The core gas in the core and the porosity defects in the casting are analyzed and discussed, and then compared with the real casting results. Using simulations to determine porosity defects can help in optimizing the design.
Keywords: Porosity, Core Gas Defects, Steel Castings, Numerical Simulation, PUCB
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 .
2024년 11월 20일 Update
109-24 Dileep Karnam, Yu-Lung Lo, Chia-Hua Yang, Spray mist-assisted drilling of through silicon vias (TSV) using nanosecond laser: Influence of CNT nanofluid, Journal of Materials Research and Technology, 31; pp. 679-688, 2024. doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.06.109
22-24 Bin-Jie Lai, Li-Tao Zhu, Zhe Chen, Bo Ouyang, Zheng-Hong Luo, Review on blood flow dynamics in lab-on-a-chip systems: an engineering perspective, Chem & Bio Engineering, 1.1; pp. 26-43, 2024. doi.org/10.1021/cbe.3c00014
196-23 Daicong Zhang, Chunhui Jing, Wei Guo, Yuan Xiao, Jun Luo, Lehua Qi, Microchannels formed using metal microdroplets, Micromachines, 14.10; 1922, 2023. doi.org/10.3390/mi14101922
121-23 Feng Lin Ng, Zhanhong Cen, Yi-Chin Toh, Lay Poh Tan, A 3D-printed micro-perfused culture device with embedded 3D fibrous scaffold for enhanced biomimicry, International Journal of Bioprinting, 2023. doi.org/10.36922/ijb.0226
104-23 Cristina González-Fernández, Jenifer Gómez-Pastora, Eugenio Bringas, Inmaculada Ortiz, Computer-aided design of magnetophoretic microfluidic systems for enhanced recovery of target products, 33rd European Symposium on Computer-Aided Engineering (ESCAPE), 2023.
64-23 Tihomir Tjankov, Dimitar Trifonov, Conceptual design and 3D modeling of a microfluidic device for liver cells investigation, Industry 4.0, 8.2; pp. 39-41, 2023.
34-23 Chao Kang, Ikki Ikeda, Motoki Sakaguchi, Recoil and solidification of a paraffin droplet impacted on a metal substrate: Numerical study and experimental verification, Journal of Fluids and Structures, 118; 103839, 2023. doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2023.103839
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138-21 Enver Guler, Mine Eti, Aydin Cihanoglu, Esra Altiok, Kadriye Ozlem Hamaloglu, Burcu Gokcal, Ali Tuncel, Nalan Kabay, Ion exchange membranes with enhanced antifouling properties to produce energy from renewable sources, Proceedings of the 6th International Symposium on Green and Smart Technologies for a Sustainable Society, Santander, Cantabria, Spain, December 9-10, 2021.
45-21 Navid Tonekaboni, Mahdi Feizbahr, Nima Tonekaboni, Guang-Jun Jiang, Hong-Xia Chen, Optimization of solar CCHP systems with collector enhanced by porous media and nanofluid, Mathematical Problems in Engineering, 2021; 9984940, 2021. doi.org/10.1155/2021/9984840
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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.
14-21 Jian-Chiun Liou, Chih-Wei Peng, Philippe Basset, Zhen-Xi Chen, DNA printing integrated multiplexer driver microelectronic mechanical system head (IDMH) and microfluidic flow estimation, Micromachines, 12.1; 25, 2021. doi.org/10.3390/mi12010025
08-20 Li Yong-Qiang, Dong Jun-Yan and Rui Wei, Numerical simulation for capillary driven flow in capsule-type vane tank with clearances under microgravity, Microgravity Science and Technology, 2020. doi.org/10.1007/s12217-019-09773-z
89-19 Tim Dreckmann, Julien Boeuf, Imke-Sonja Ludwig, Jorg Lumkemann, and Jorg Huwyler, Low volume aseptic filling: impact of pump systems on shear stress, European Journal of Pharmeceutics and Biopharmeceutics, in press, 2019. doi:10.1016/j.ejpb.2019.12.006
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55-19 Julio Aleman, Sunil K. George, Samuel Herberg, Mahesh Devarasetty, Christopher D. Porada, Aleksander Skardal, and Graça Almeida‐Porada, Deconstructed microfluidic bone marrow on‐a‐chip to study normal and malignant hemopoietic cell–niche interactions, Small, 2019. doi: 10.1002/smll.201902971
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01-19 Jelena Dinic and Vivek Sharma, Computational analysis of self-similar capillary-driven thinning and pinch-off dynamics during dripping using the volume-of-fluid method, Physics of Fluids, Vol. 31, 2019. doi: 10.1063/1.5061715
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아래는 항공 우주 분야에 대한 기술 문서 모음입니다.
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2024년 8월 12일 Update
Below is a collection of technical papers in our Aerospace Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate applications for the Aerospace Industry.
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2024년 11월 20일 Update
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2024년 8월 12일 Upate
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다음은 금속 주조 참고 문헌의 기술 문서 모음입니다.
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다음은 자동차 관련 기술 문서 모음입니다.
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Below is a collection of technical papers in our Automotive Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate applications for the Automotive Industry.
2024년 8월 12일 Update
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다음은 연안 및 해양 분야의 기술 문서 모음입니다.
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2024년 11월 20일 Update
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