Gravitational and sedimentation microfluidic technique (Huh et al. Anal Chem 2007)의 중력 회로도를 사용한 입자 분류

중력을 사용한 미세 유체 입자 분류

Microfluidics Particle Sorting Using Gravity

미세 유체 입자 분류는 진단, 화학적 및 생물학적 분석, 식품 및 화학 처리, 환경 평가에 적용됩니다. 이전 블로그에서 유체 역학을 사용한 미세 유체 입자 분류에 대해 이야기했습니다 . 같은 주제를 바탕으로 중력을 사용하여 미세 입자를 분류하는 또 다른 방법에 대해 논의하겠습니다. 아래 애니메이션에서 볼 수 있습니다.

유비쿼터스 중력(Ubiquitous gravity)은 미세 유체 장치에서 미세 입자를 분류하는 데 사용할 수 있습니다. 중력이 입자의 움직임에 수직으로 작용할 때 입자는 반경에 따른 속도로 안정됩니다. 또한 입자의 운동은 입자의 밀도, 유체의 밀도 및 유체의 점도 사이의 차이에서 비롯된 유체 역학적 효과의 영향을받습니다. 아래 이미지는 중력 분류 기술 회로도를 보여줍니다.

Gravitational and sedimentation microfluidic technique (Huh et al. Anal Chem 2007)의 중력 회로도를 사용한 입자 분류
Gravitational and sedimentation microfluidic technique (Huh et al. Anal Chem 2007)의 중력 회로도를 사용한 입자 분류

부력 대 항력

앞서 언급했듯이 중력은 서로 다른 입자가 서로 다른 속도로 침전되도록합니다. 모든 입자의 밀도가 같고 입자 밀도가 주변 유체의 밀도보다 낮 으면 부력 우세와 항력 우세라는 두 가지 유형의 분류를 사용할 수 있습니다. 반경이 더 큰 입자는 더 많은 부력을 경험하고 작은 입자 위의 경로를 따르는 경향이 있습니다. 그러나 외장 액체 (입자를 운반하는 용액)의 유입 속도가 충분히 높으면 항력 효과가 우세하기 시작하고 더 큰 입자가 더 작은 입자의 경로 아래로 이동하는 경향이 있습니다.

FLOW-3D 시뮬레이션 결과

경쟁하는 부력과 항력은 아래 FLOW-3D 에서 얻은 시뮬레이션 결과에서 명확하게 볼 수 있습니다 . 그림 1은 부력 지배적 인 입자 분류의 경우를 보여줍니다. 더 큰 (빨간색) 입자는 수평 채널의 상단을 향해 정렬됩니다. Fig. 2에 나타난 결과는 부력이 우세한 경우의 유입 초 속도를 20 배로 설정 한 후 얻은 것이다. 더 높은 입구 속도에서 더 큰 입자는 더 많은 운동량을 전달하므로 그 위치는 수직 부력의 영향을받지 않습니다. 따라서 입자는 수평 채널의 상단으로 올라가지 않습니다. 대신 그들은 계속해서 바닥으로 이동합니다.

부력

Buoyancy dominant sorting
Buoyancy dominant sorting

Drag

Figure 2. Drag dominant sorting
Figure 2. Drag dominant sorting

LOW-3D 의 입자 모델은입자 분류 또는 기타 입자 역학과 관련된 미세 유체 시뮬레이션에 성공적이고 쉽게 사용할 수 있습니다. 지금까지 우리는 FLOW-3D 의 입자 모델을사용하여 두 가지 입자 분류 기술을 보았습니다. 하나는 유체 역학을 사용하고 다른 하나는 중력을 사용합니다.

Magnetic Fields

Magnetic Fields

균일 한 자기장에서 자성 입자는 자화되어 쌍극자-쌍극자 상호 작용으로 인해 사슬 모양의 미세 구조로 조립됩니다. 조립된 체인은 외부 필드의 방향에 맞춰 정렬되는 경향이 있습니다. FLOW-3D를 사용한 이 분석에서는 superparamagnetic beads의 초기 무작위 분포와 베이스에 내장 된 spherical (gold colored) magnetic dipole elements 배열을 포함하는 마이크로 채널을 통해 균일한 필드가 z 방향으로 위쪽으로 적용됩니다. 적용된 필드가있는 경우 비드는 자화되어 개별 체인과 같은 구조로 조립됩니다. 이러한 구조는 고정된 쌍극자 요소에 끌립니다. 분석은 입자 체인의 자체 조립과 내장 된 쌍극자 요소에 체인의 후속 부착을 보여줍니다. 계산 모델은 유체가 입자 운동에 점성 항력을 제공하고 움직이는 입자가 차례로 유체 흐름을 변경하는 완전 결합 입자 유체 상호 작용을 고려합니다. 모델링 결과는 University of Buffalo에서 제공합니다. University at Buffalo의 FLOW-3D 작업에 대한 자세한 내용을 보려면 여기로 이동하십시오.
( In a uniform magnetic field, magnetic particles become magnetized and assemble into chain-like microstructures due to dipole-dipole interactions. The assembled chains tend to align with the direction of the external field. In this analysis using FLOW-3D, a uniform field is applied upward in the z-direction through a micro-channel that contains an initial random distribution of superparamagnetic beads and an array of spherical (gold colored) magnetic dipole elements embedded in its base. In the presence of an applied field, the beads become magnetized and assemble into discrete chain-like structures.  These structures in turn, are attracted to the anchored dipole elements. The analysis shows the self-assembly of particle chains and the subsequent attachment of the chains onto the embedded dipole elements. The computational model takes into account fully-coupled particle fluid interaction where the fluid provides a viscous drag on particle motion and the moving particles, in turn, alter the fluid flow. Modeling results courtesy of the University of Buffalo. Go here for more information about the University at Buffalo’s work with FLOW-3D. )

Lost Foam Casting Workspace, 소실모형주조

Lost Foam Casting Workspace Highlights, 소실모형주조

  • 최첨단 Foam 잔여물 추적
  • 진보된 Foam 증발 및 금속 유동 모델링
  • 응고, 다공성 및 표면 결함 분석

Workspace Overview

Lost Foam Casting Workspace(소실모형주조) 는 Lost Foam Casting에 필요한 충진, 응고 및 냉각 하위 프로세스를 시뮬레이션하는 모든 도구를 제공합니다. 각 하위 프로세스는 해석 엔지니어가 사용하기 쉬운 인터페이스를 제공하도록 맞춤화된 템플릿 디자인을 기반으로합니다.

Lost Foam Casting 의 결함은 충진 프로파일에서 추적할 수 있기 때문에  FLOW-3D  CAST 의 용탕유동 및 소실모형(foam)의 연소 시뮬레이션의 탁월한 정확도는 고품질의 Lost Foam Casting 주물을 생산하는 데 귀중한 통찰력을 제공합니다. 기포. 잔류물 형성과 같은 주입 결함은 최종 주조에서 정확하게 추적되고 처리됩니다.

Lost Foam Casting Workspace | FLOW-3D CAST
Lost Foam Residue Tracking – Filling Simulation | FLOW-3D CAST
Lost Foam Impeller Tree – Filling Simulation | FLOW-3D CAST
Lost Foam Residue Simulation | FLOW-3D CAST

PROCESSES MODELED

  • Filling
  • Solidification
  • Cooling

FLEXIBLE MESHING

  • Structured meshing for fast, easy generation
  • Multi-block meshing for localized accuracy control
  • Foam-conforming meshes for memory optimization

MOLD MODELING

  • Ceramic filters
  • Inserts – standard and porous
  • Air vents
  • Chills
  • Insulating and exothermic sleeves
  • Moving ladles and stoppers

ADVANCED SOLIDIFICATION

  • Chemistry-based solidification
  • Dimensionless Niyama criteria
  • Cooling rates, SDAS, grain size mechanical properties

FILLING ACCURACY

  • Foam/melt interface tracking
  • Gas/bubble entrapment
  • Automatic melt flow drag calculation in filters

DEFECT PREDICTION

  • Foam residue defect tracking
  • Cold shuts
  • Porosity prediction
  • Shrinkage
  • Hot spots

DYNAMIC SIMULATION CONTROL

  • Probe-controlled pouring control

COMPLETE ANALYSIS PACKAGE

  • Animations with multi-viewports – 3D, 2D, history plots, volume rendering
  • Porosity analysis tool
  • Side-by-side simulation results comparison
  • Sensors for measuring melt temperature, solid fraction
  • Particle tracers
  • Batch post-processing
  • Report generation

Particle sorting 2 (입자 분류)

항력/부력 및 중력 기반의 입자 분류

  • 중력이 입자 운동에 수직으로 작용할 때 분류
  • 분류 운동은 유체역학의 영향을 받음

부력 vs 항력

  • 부력에 지배되는 분류
    – 큰 입자는 더 많은 부력을 받으며 작은입자 위의 경로를 따르는 경향이 있음
  • 항력에 지배되는 분류
    – 입구 유체 속도가 높으면 항력 효과가 부력을 지배하여 큰 입자가 작은 입자의 경로 아래로 이동함

[FLOW-3D 물리모델]Granular Flow / 입상유동

 Granular Flow / 입상유동

입상유동은 고상입자와 기체나 액체(예를 들어 모래와 공기 또는 모래와 물)인 유체와의 혼합물이다. 입상고체와 유체의 혼합물은 자유표면 경계에 의해 경계가 정해질수 있는 비압축성유체로 간주된다. 혼합 유체에서의 밀도변화는 초기에 존재할 수 있고 Drift-Flux 모델을 사용하여 계산되는 고체와 유체의 상대속도 때문에 유동중에 발생할 수도 있다. 자유표면에서의 가스의 방출은 고체가 입상간의 가스를 밀어내며 단단해질 때 발생할수있다. 액체의경우 고상이 단단해질 때 순수액체지역이 형성될수있다,

이 모델을 활성화하기 위해 General One fluid option Physics Granular Flow Granular Flow in Gas 또는 Physics Granular Flow Granular Flow in Liquid (Slurry)를 선택한다. 입상유동 창이 보이는데 여기서 입자의 직경 및 미시적 밀도와 유체의 밀도 및 점도가 정의되어야 한다. 필요하다면 고상의 최대 close packing 체적율 과 mechanical jamming 체적율이 각기 디폴트인 0.36과 0.61로부터 변경될 수 있다. 또한 자유표면의 an angle of repose(안식각?) 은 디폴트 값인 34도가 모델링하는 고상에 대해 맞지 않으면 변경될 수 있다.

입상유동을 선택하면 이는 자동으로 이 모델에서 사용되는 프로그램 내의 대 여섯 가지 모델을 활성화 시킨다. 또한 혼합물의 점도는 이 모델에서 계산되므로 정의하는 것이 불필요함에 주목한다. 사실 Fluids tab 에있는 어떤 유체물성도 정의할 필요가 없다.

입상물질이 격자 경계를 통해 계산 영역으로 들어오면 close packing 의 밀도보다 작은 고상율을 갖는 고상/기체 혼합물의 밀도를 정의하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 유동이 없을 것이다.

두 개의 보조 입력변수들이 있다. 하나는 Multiplier in threshold packing velocity 이고 다른 하나는 Multiplier in packing drag 이다. Multiplier in threshold packing velocity 는 이 속도 이상에서 packed solid material 의 유동을 결정하고 Multiplier in packing drag 는 입상이 충분히 높은 밀도로 packing될 때 유동을 정지시키는데 이용된다. 이 두 변수 모두 사용자가 입상체가 이 값을 변형시키는 응집력이나 다른 힘을 알지 못한다면 디폴트 값으로 남겨져야 한다.

또 다른 보조 입력 량은 마찰 각도인데 이는 보존각도보다 2~8도정도 크다. 마찰 각도는 액체인 유체의 경우에 중요하며 이 경우 마찰각도는 고상간의 충돌로 인한 전단유동 시 발생하는 분산압력에 영향을 미친다.

Granular flow application example: Core Blowing / 입상유동응용예제: 코어블로잉

코어블로잉 공정은 공기/모래 혼합물을 코어몰드에 고속 충진하는 것을 포함한다. FLOW-3D 는 코어블로잉을 각 모래 입자가 아닌 2상 연속체로 모델링 한다. 2상의 영향(공기/모래 결합)은 Drift Flux 모델을 사용하여 모델링 된다. 공기/모래 혼합물은 순수 공기와 선명한 경계면을 갖는 1유체로서 모델링 된다. 순수공기는 단열 기포로 나타내진다. 벤트는 밸브로 정의된다. 어떻게 이 모델이 실행되는지에 대한 더 많은 정보는 Flow Science Technical Note 88 at 테크니컬 노트notes/default.asp를 참조하라.

코어블로잉 모사(simulate)를 시작하는 단계는

  1. STL 파일로부터 관련 형상을 읽어 들여 생성하거나 Model Setup –> Meshing & Geometry 탭에있는 FLOW-3D 기초요소를 사용하여 형상을 생성한다.
  2. 다음 물리적 특성을 활성화하고 Model Setup Physics 탭에있는 변수들을 정의한다.

(a)   올바른 방향에서 중력을 정의하기 위해 Gravity and non-inertial reference frame 모델을 사용한다.

(b)   Viscosity and Turbulence 대화창에서 Viscosity and Laminar flow 를 활성화한다.

(c)    Activate the Granular Flow model.  Granular Flow 모델을 활성화한다.

  • Granular Flow in Gas 선택은 모래입자가 주위 매질보다 훨씬 밀도가 높다고 가정하는 Granular Flow 모델을 활성화한다.
  • Global vent 는 모래를 통과하는 공기의 전반적 배출을 조절한다. Global vent coefficient 는 모래 와 모래의 막힘에 의한 출구면적 감소에 따른 평균 손실을 나타내는 승수이다. 또한 모든 밸브의 외부압력과 모든 밸브 승수의 평균을 취한다. 추정치는 다음 식으로부터 계산될 수 있다.

여기서 Cv,g Global vent coefficient,  는 최대가능 고상율, L 은 공기 기포와 출구사이의 평균거리, 그리고 dgAverage grain diameter 이다.

  • Mechanical jamming volume fraction 은 모래의 체적율로 이 값 이상에서는 입상간의 상호작용에 의해 유동에 저항이 발생한다. 사용하기에 맞는 값은 0.61이다.
  • Close packing volume fraction 은 유동이 정지하게 되는 모래의 체적율을 기술한다. 체적율이 0.995(Close packing volume fraction) 를 넘게 되면 그 요소내의 속도는0으로 된다. 모래입자가 구형일 때 이는 일반적으로0.63이다.
  • Average grain diameter Grain density 는 정의되어야 하고 제조사로부터 알 수 있다. Gas density Gas viscosity 또한 정의되어야 한다. CGS 단위로 공기의 표준값은 각기 0.001225 g/cm3 와0.00017 poise 이다.
  • Multiplier in threshold packing velocity 와 Angle of repose 는 코어블로잉 모델링에는 필요하지 않다.
  • 입상 반발계수는 고체표면과 충돌 후에 모래입자가 유지하는 에너지의 양을 추정하는데 사용된다.

(d)    Density Evaluation 모델을 활성화한다. 일단 Granular Flow 가 활성화되면 First order approximation to density transport equation 이 자동적으로 가능하게 된다. 이는 모래의 전달을 계산하는데 필요하다. 더 나은 공간적 정확성을 위해 Second order monotonicity-preserving approximation to density transport equation 이 선택될 수 있다. 이는 모래의 농도가 급격히 변할 것으로 예측되는 모사(simulate)에 유용할 수 있다.

(e)   가스를 배출시키기 위해서는 Bubble and Phase Change 모델을 활성화시킨다. 이는 배출구와 밸브를 사용하기 위한 필요조건이다.

  1. 초기조건과 경계조건은 Meshing & Geometry 탭에서 추가될 수 있다. 공간 또는 기포영역의 초기조건은 이미 Adiabatic bubble 모델이 Bubble and phase change 모델에서 활성화될 때 정의된다. 경계조건은 Meshing Mesh Block 1 Boundaries 에서 정의된다. 모래는 공기압에 의해 코어상자를 통해 이동되므로 압력경계조건과 공기/모래 혼합물의 밀도가 경계에서 적용되어야 한다. S(대칭경계를뜻하는)를 갖는 적절한 경계상자를 택하면 경계대화상자가 나타날 것이다. Specified pressure 무선 버튼을 선택하고 입구압력, 유체율 1.0, 그리고 밀도를 정의한다.

  1. 단지 몇 개의 배출구만 있다면 밸브를 추가하거나 배출구가 너무 많아 수의 밸브로 추가할 수 없으면 Granular Flow Vent 로 정의된 형상을 사용한다. 밸브유동손실은 Bernoulli 의 차단 이론으로부터 유도된다. 밸브 생성에 관한 세부내용은 Valves 에서 찾아볼 수 있다. 배출구를 형상요소로 추가하기 위해 Meshing & Geometry 가지에서 별도 구성요소를 생성한다. 이는 배출구는 독자적 물성을 가지며, 형상요소는 그들의 물성과 운동에 따라 분류되어 있기 때문이다.

이렇게 모델링 될 때 배출구는 체적이 없다. 배출구가 같은 크기이면 이들은 하나의 STL 로써 또는 같은 구성요소의 기초요소를 사용하여 모델링 될 수 있다. 다른 크기라면 이들은 별도로 모델링 되어야 한다. 이들을 배출구로 정의하기 위해 Component Type drop down Granular Flow Vent 로부터 선택한다. 일단 형태가 정해지면 물성이 정의되어야 한다. Model Setup Meshing & Geometry Component Component Properties Granular Flow Vent Properties 에서 the Vent Flow Area, Diameter of Vent Channel 그리고 Vent External Pressure 를 정의한다.

See also: 또한 참조하라

  • Adiabatic Bubbles 단열기포
  • Flows with Density Variations 밀도 변화를 갖는 유동
  • Granular Flow. 입상유동

[FLOW-3D 물리모델]General Moving Objects / 일반이동물체

General Moving Objects / 일반이동물체

Basics / 기초

The general moving objects (GMO) model in FLOW-3D can simulate rigid body motion, which is either userprescribed (prescribed motion) or dynamically coupled with fluid flow (coupled motion). If an object’s motion is prescribed, fluid flow is affected by the object’s motion, but the object’s motion is not affected by fluid flow. If an object has coupled motion, however, the object’s motion and fluid flow are coupled dynamically and affect each other. In both cases, a moving object can possess six degrees of freedom (DOF), or rotate about a fixed point or a fixed axis. The GMO model allows the location of the fixed point or axis to be arbitrary (it can be inside or outside the object and the computational domain), but the fixed axis must be parallel to one of the three coordinate axes of the space reference system. In one simulation, multiple moving objects with independent motion types can exist (the total number of moving and non-moving components cannot exceed 500). Any object under coupled motion can undergo simultaneous collisions with other moving and non-moving objects and wall and symmetry mesh boundaries (See Collision). The model also allows the existence of multiple (up to 100) elastic linear and torsion springs, elastic ropes and mooring lines which are attached to moving objects and apply forces or torques to them (See Elastic Springs & Ropes and Mooring Lines).

FLOW-3D에서 일반 이동물체인 GMO 모델은 강체운동을 모사(simulate)할 수 있는데, 이는 사용자가 기술하는 운동(지정운동)이거나 유체 유동과 동력학적인(결합된) 운동일 수 있다. 물체의 운동이 지정되면 유체 유동은 이 운동에 의해 영향을 받으나, 물체의 운동은 유체에 의해 영향을 받지 않는다. 그러나 물체가 결합된 운동을 하면 물체와 유체는 동역학적으로 연결되어 서로 영향을 미친다.

이 두 경우에 물체는6 자유도 운동을 할 수 있고, 고정된 점이나 축에 대해 회전할 수가 있다. GMO모델은 고정점이나 고정축의 위치를 임의로 설정할 수 있으나(이는 물체나 계산영역의 내부 또는 외부가 될 수 있다) 고정축은 공간좌표계의 좌표중의 하나에 평행하여야 한다.

어떤 모사(simulate)에서 고유의 운동형태를 갖는 다수의 운동물체가 존재할 수 있다(이동 및 고정된 물체의 전체수는500개를 초과하지 못한다). 결합운동을 하는 물체는 다른 이동/비이동 물체 그리고 벽과 대칭 경계 격자면에서 충돌할 수가 있다(충돌참조). 이 모델은 (100개까지) 다수의 탄성선형과 비틀림 스프링, 탄성로프와 이동 물체에 부착된 탄성력과 회전력을 갖는 계류선들을 표현할 수 있다(Elastic Springs & Ropes 와 Mooring Lines참조). .

In general, the motion of a rigid body can be described with six velocity components: three for translation and three for rotation. In the most general cases of coupled motion, all the available velocity components are coupled with fluid flow. However, the velocity components can also be partially prescribed and partially coupled in complex coupledmotion problems (e.g., a ship in a stream can have its pitch, roll and heave to be coupled but yaw, sway and surge prescribed). For coupled motion only, in addition to the hydraulic, gravitational, inertial and spring forces and torques which are calculated by the code, additional control forces can be prescribed by the user. The control forces can be defined either as up to five forces with their application points fixed on the object or as a net control force and torque. The net control force is applied to the GMO’s mass center, while the control torque is applied about the mass center for 6-DOF motion, and about the fixed point or fixed axis for those kinds of motions. The inertial force and torque exist only if the Non-inertial Reference Frame model is activated.

일반적으로 강체의 운동은 6개의 속도 성분으로 기술될 수 있다: 3개의 이동과3개의 회전. 가장 일반적인 결합 운동의 경우에, 모든 가능한 속도성분들은 유동과 연결되어 있다. 그러나 속도 성분들은 복잡한 결합운동 문제에서는 부분적으로 지정되고 일부는 결합될 수 있다(즉 유속내의 선박에서 pitch, roll and heave는 결합된 운동을 하고 yaw, sway and surge 는 지정될 수있다). 단 결합운동 문제에서는 코드 내에서 계산되는 수력, 중력, 관성 그리고 스프링 힘과 토크에 추가적인 조절할 수 있는 힘(control force) 들이 사용자에 의해 기술될 수 있다. 조절 힘(control force)들은 물체의 지정된 위치에 작용하는5개까지의 힘이나 또는 순수 힘과 토크로 정의 될 수 있다. 순수 조절힘은 GMO의 질량 중심에 작용하지만, 조절토크는6 자유도 운동의 질량중심에 대해 이런 운동을 하기 위한 고정축이나 점들에 대해 적용된다. 관성력과 토크는 단지 비 관성계 모델이 활성화되면 존재한다.

In FLOW-3D, a GMO is classified as a geometry component that is either porous or non-porous. As with stationary components, a GMO can be composed of a number of geometry subcomponents. Each subcomponent can be defined either by quadratic functions and primitives, or by STL data, and can be solid, hole or complement. If STL files are used, since GMO geometry is re-generated at every time step in the computation, the user should strive to minimize the number of triangle facets used to define the GMO to achieve faster execution of the solver while maintaining the necessary level of the geometry resolution. For mass properties, different subcomponents of an object can possess different mass densities.

FLOW-3D 에서 한 개의 GMO 는 다공질 또는 비 다공질의 형상요소로 간주된다. 정지된 구성요소에서와 같이 한 개의 GMO 는 다수의 형상 서브구성요소로 구성될 수 있다. 각 서브구성요소는 2차 함수와 기초 요소 또는 STL 데이터로 정의될 수 있고 고체, 공간 또는 이의 보완일 수 있다. 만약 STL 파일이 사용된다면 GMO 형상은 계산 중에 매 시간에서 재 생성되므로 사용자는 형상 정밀도에 필요한 수준을 유지하는 한편, 빠른 계산을 위해 GMO를 정의하는데 사용되는 삼각면의 수를 줄이려고 노력해야 한다. 질량물성을 위해 한 물체의 다른 서브구성요소는 다른 질량밀도를 가질 수 있다.

In order to define the motion of a GMO and interpret the computational results correctly, the user needs to understand the body-fixed reference system (body system) which is always fixed on the object and experiences the same motion. In the FLOW-3D preprocessor, the body system (x’, y’, z’) is automatically set up for each GMO. The initial directions of its coordinate axes (at t = 0) are the same as those of the space system (x, y, z). The origin of the body system is fixed at the GMO’s reference point which is a point automatically set on each moving object in accordance with the object’s motion type.

GMO 의 운동을 정의하고 계산결과를 정확히 이해하기 위해, 사용자는 항상 물체에 고정되고, 물체와 같은 운동을 하는 물체에, 고정된 기준계(물체계)를 이해할 필요가 있다. FLOW-3D 의 전처리에서 물체계(x’, y’, z’) 가 자동으로 각 GMO 에 대해 설정된다. 좌표축(t = 0에서) 의 초기방향은 공간계(x, y, z) 의 것과 같다. 물체계의 원점은 물체의 이동형상에 일치하는 각 이동체 상에 자동으로 설정된 GMO 의 기준점에 고정되어 있다.

 

The reference point is: 기준점은 다음과 같다.

  • the object’s mass center for the coupled 6-DOF motion;

결합된6자유도 운동의 질량중심

  • the fixed point for the fixed-point motion;

고정점 운동을 위한 고정점

  • a point on the fixed axis for the fixed-axis rotation;

고정축 회전을 위한 고정축 상의 점

  • a user-defined reference point for the prescribed 6-DOF motion.

기술된6자유도 운동을 위한 사용자 지정의 기준점

  • If the reference point is not given by users for the prescribed 6-DOF motion, it is set by the code at the mass center (if mass properties are given) or the geometry center (if mass properties are not given) of the object.

기준점이 기술된6자유도 운동을 위해 사용자가 지정하지 않으면 코드에 의해 질량중심 (질량물성이 주어지면) 또는 형상중심(질량물성이 안 주어지면)에 지정된다.

 

The GMO’s motion can be defined through the GUI using four steps:

GMO 운동은 4단계를 거쳐 GUI 를통하여 정의될수있다.

  1. Activate the GMO model;

GMO 모델을 활성화한다

  1. Create the GMO’s initial geometry;

GMO의 초기형상을 생성한다

  1. Specify the GMO’s motion-related parameters, and

GMO의 운동관련 변수들을 지정하고.

  1. Define the GMO’s mass properties.

GMO 질량물성을 정의한다

Without the activation of the GMO model in step 1, the object created as a GMO will be treated as a non-moving object, even if steps 2 to 4 are accomplished.

1단계의 GMO 모델 활성화가 없으면 2~4의 단계가 이루어져도 GMO 로 생성된 물체는 비 이동 물체로 간주될 것이다.

Step 1: Activate the GMO Model GMO 모델활성화

To activate the GMO model, go to Model Setup Physics Moving and simple deforming objects and check the Activate general moving objects (GMO) model box.

GMO 모델을 활성화하기 위해 Model Setup Physics Moving and simple deforming objects 로 가서 Activate general moving objects (GMO) model 박스를 체크한다.

The GMO model has two numerical methods to treat the interaction between fluid and moving objects: an explicit and an implicit method. If no coupled motion exists, the two methods are identical. For coupled motion, the explicit method, in general, works only for heavy GMO problem, i.e., all moving objects under coupled motion have larger mass densities than that of fluid and their added mass is relatively small. The implicit method, however, works for both heavy and light GMO problems. A light GMO problem means at least one of the moving objects under coupled motion has smaller mass densities than that of fluid or their added mass is large. The user may change the selection on the Moving and deforming objects panel or on the Numerics tab Moving object/fluid coupling.

GMO 모델은 유체와 움직이는 물체간의 상호작용을 다루기위해 두 수치해석법을 이용한다: explicit 방법과implicit 방법. 결합 운동이 없으면 두 방법은 동일하다. 결합된 운동에서는 외재적 방법은 일반적으로 무거운 GMO 문제에 사용된다, 즉 결합된 운동을 하는 모든 이동물체는 유체밀도보다 크고 이의 부가질량이 작을 경우이다. 그러나 내재적 방법은 무겁거나 가벼운 GMO 문제에 모두 사용된다. 가벼운 GMO 문제는 결합운동 시에 최소한 하나의 이동물체가 유체밀도보다 작고 이의 부가질량이 클 경우이다. 사용자는 Moving and deforming objects패널이나 Numerics tab Moving object/fluid coupling 상에서 선택을 바꿀 수 있다.

  1. Step 2: Create the GMO’s Initial Geometry GMO의 초기형상을 생성한다

 

In the Meshing & Geometry tab, create the desired geometry for the GMO components using either primitives and/or imported STL files in the same way as is done for any stationary component. The component can be either standard or porous. To set up a porous component, refer to Porous Media. Note that the Copy function cannot be used with geometry components representing GMOs.

정지상태의 구성요소 생성의 경우와 마찬가지로 Meshing & Geometry 탭에서 기초 요소와/또는 외부로부터의 STL 파일을 이용하여 GMO 구성요소의 원하는 형상을 생성한다. 구성요소는 standard이거나porous일 수 있다. 다공성요소를 설정하기 위해 Porous Media 를 참조하라. Copy 기능은 GMO를 나타내는 형상 구성요소에 사용할 수 없음에 주목한다.

Step 3: Specify the GMO’s Motion Related Parameters GMO의 운동관련변수들을 지정한다

The following section discusses how to set up parameters for prescribed and coupled 6-DOF motion, fixed-point motion and fixed-axis motion. The user can go directly to the appropriate part.

다음 섹션은 “지정되고 결합된 6자유도운동”, “고정점 운동과 고정축 운동을 위한 매개변수를 어떻게 설정하는지”에 대해 논한다. 사용자는 직접 해당부분을 참조할 수 있다.

Prescribed 6-DOF Motion 지정된 6자유도운동

In Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Type of Moving Object, select Prescribed motion. Go to Component Properties Type of Moving Object Moving Object Properties Edit Motion Constraints. Under Type of Constraint, select 6 Degrees of Freedom in the combo box.

Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Type of Moving Object 에서 Prescribed motion 을 선택한다. Component Properties Type of Moving Object Moving Object Properties Edit Motion Constraints 로 가서 Type of Constraint 밑에서 combo 박스에 있는 6 Degrees of Freedom 를 선택한다.

To define the object’s velocity, go to the Initial/Prescribed Velocities tab in the Moving object setup window. The prescribed 6-DOF motion is described as a superimposition of a translation of a reference point and a rotation about the reference point. The reference point can be anywhere inside or outside the moving object and the computational domain. The user needs to enter its initial x, y and z coordinates (at t = 0) in the provided edit boxes. By default, the reference point is determined by the preprocessor in two different ways depending on whether the object’s mass properties are given: if mass properties (either mass density or integrated mass properties) are given, then the mass center of the moving object is used as the reference point; otherwise, the object’s geometric center will be calculated and used as the reference point.

물체의 속도를 정의하기 위해 Moving object setup 의 창에 있는 Initial/Prescribed Velocities 탭으로 이동한다. 지정된 6자유도 운동은 기준점의 이동과 기준점에 대한 회전의 중첩으로 기술된다. 기준점은 이동체의 내부 또는 외부 그리고 계산영역 외부일 수도 있다. 사용자는 주어진 편집박스 내에 이의 초기 x, y 와 z 좌표값(t = 0에서)을 입력할 필요가 있다. 디폴트로 기준점은 물체의 질량 물성이 주어지는가에 따라 두 가지로 전처리 과정에서 결정된다: 질량물성(질량밀도나 전체질량물성)이 주어지면 이동체의 질량중심이 기준점으로 사용되고 아니면 이동체의 형상중심이 계산되고 기준점으로 이용된다.

With the reference point provided (or left for the code to calculate), users can define the translational velocity components for the reference point in space system and the angular velocity components (in radians/time) in body system. Each velocity component can be defined either as a sinusoidal or a piecewise linear function of time by making a selection in the corresponding combo box. For a constant velocity component, choose Non-Sinusoidal and simply enter its value in the corresponding input box (the default value is 0.0). If a velocity component is Non-sinusoidal and time-dependent, click on the corresponding Tabular button to open a data table and enter values for the velocity component and time. Alternatively, the user can also import a data file for the velocity component versus time by clicking Tabular Import Values. The file must have two columns of data which represent time and velocity from left to right and must have a csv extension. If the velocity component is sinusoidal in time, then enter the values for Amplitude, Frequency (in Hz) and Initial Phase (in degrees) in the input boxes.

기준점이 주어지면(또는 코드 내에서 계산이 되면) 사용자는 공간계 기준점에 대해 translational velocity components 를 그리고 물체계에서angular velocity components (radians/시간으로)를 정의할 수 있다. 각 속도 성분은 상응하는 combo box 에서 선택함으로써 사인파 또는 구간적 시간함수로써 정의될 수 있다. 일정 속도 성분에 대해서 Non-Sinusoidal 을 선택하고 단순히 상응하는 combo 박스에 값을 넣는다(디폴트 값은0이다). 속도성분이 Non-Sinusoidal 이고 시간의 함수이면 데이터 테이블을 열고 상응하는 Tabular 버튼을 클릭하고 속도성분과 시간을 넣는다. 다른 방법으로는 사용자가 Tabular Import Values를 클릭함으로써 속도성분대 시간의 데이터파일을 읽어 들일 수가 있다. 이 파일은 시간과 속도를 나타내는 좌로부터 우로의 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다. 속도 성분이 시간에 따른 사인파이면 입력박스에서의 Amplitude, Frequency (in Hz) 그리고 Initial Phase (in degrees) 값을 입력한다.

The expression for the sinusoidal velocity component is

사인파 속도의 식은

v = Asin(2πft + ϕ0)

where: 여기서

  • A is the amplitude, 진폭
  • f is the frequency, and주기이며
  • ϕ0 is the initial phase. 초기위상이다.
  •  
  • Users can set limits for the translational displacements of the object’s reference point in both negative and positive x, y and z directions in space system. The displacements are measured from the initial location of the reference point. During motion, the reference point cannot go beyond these limits but can move back to the allowed range after it reaches a limit. To set the limits for translation, go to the Motion Constraints tab and enter the maximum displacements allowed in the corresponding input boxes, using absolute values. By default, these values are infinite. Note the Limits for rotation is only for fixed-axis rotation thus cannot be set for 6-DOF motion.사용자는 공간계에서 음이나 양의 x, y 그리고 z 방향으로 물체 기준점의 이동변위를 제한할 수 있다. 변위는 기준점의 초기위치로부터 정해진다. 운동중에 기준점은 이 제한을 넘어갈 수 없지만 이 제한에 도달한 후에 허용된 범위만큼 돌아올 수 있다. 이동의 제한을 설정하기 위해 Motion Constraints 탭으로가서 절대값을 사용하여 상응하는 입력박스 안에 허용된 최대변위를 넣는다. the Limits for rotation 는 고정축 회전에만 해당하므로 6자유도 운동에는 지정될 수 없다.Prescribed Fixed-point Motion지정된 고정점운동In Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Component Properties Type of Moving Object, select Prescribed motion. Go to Moving object properties Edit Motion Constraints. Under Type of Constraint, select Fixed point rotation in the combo box and enter the x, y and z coordinates of the fixed point in the corresponding input boxes.Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Component Properties Type of Moving Object 에서 Prescribed motion 을 선택한다. Moving object properties Edit Motion Constraints 로 가서 Type of Constraint 밑에서 combo box 에있는 Fixed point rotation을 선택하고 상응하는 입력박스에서 고정점의 the x, y 및 z 좌표를 입력한다.To define the velocity of the object, go to the Initial/Prescribed Velocities tab in the Moving object setup window. The velocity components to be defined are the x, y and z components of the angular velocity (in radians/time) in the body system. Each velocity component can be defined as either a sinusoidal or a piecewise linear function of time by making a selection in the corresponding combo box. For a constant velocity component, choose Non-Sinusoidal and simply enter its value in its input box (the default value is 0.0). If a velocity component is time-variant and Non-sinusoidal, click on the Tabular button to open a data table and enter the values for the velocity component and time. Alternatively, the user can also import a data file for the velocity component versus time by clicking Tabular Import Values. The file must have two columns of data which represent time and velocity component from left to right and must have a csv extension. If the velocity component is sinusoidal in time, then enter the values for Amplitude, Frequency (in cycles/time) and Initial Phase (in degrees) in the corresponding input boxes.

    물체의 속도를 정의하기 위해 Moving object setup 의 창에 있는 Initial/Prescribed Velocities 탭으로 간다. 정의되어야 할 속도성분은 물체계에서 각속도  (radians/시간으로) 를 x, y 및 z 성분으로 정의할 수 있다

    각 속도 성분은 상응하는 combo box 에서 사인파 또는 구간적 시간함수로써 정의될 수 있다.

    일정속도 성분에 대해서 Non-Sinusoidal 을 선택하고 단순히 상응하는 combo box 박스에 값을 넣는다(디폴트 값은0이다). 속도성분이 Non-Sinusoidal 이고 시간의 함수이면 데이터 테이블을 열고 상응하는 Tabular 버튼을 클릭하고 속도성분과 시간을 넣는다. 그렇지 않으면 사용자가 Tabular Import Values 를 클릭함으로써 속도성분대 시간의 데이터 파일을 읽어 들일 수가 있다. 이 파일은 시간과 속도를 나타내는 좌로부터 우로의 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다. 속도성분이 시간에 따른 사인파이면 상응하는 입력박스에서 Amplitude, Frequency (in Hz) 와 Initial Phase (in degrees) 값을 입력한다.

    The expression for a sinusoidal angular velocity component is

    ω = Asin(2πft + ϕ0)

    where: 여기서

    • A is the amplitude, 진폭
    • f is the frequency, and주기이며
    • ϕ0 is the initial phase. 초기위상이다.

    Prescribed Fixed-Axis Motion

    In Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Component Properties Type of Moving Object, select Prescribed motion. Go to Moving Object Properties Edit Motion Constraints. Under Type of Constraint, select Fixed X-Axis Rotation or Fixed Y-Axis Rotation or Fixed Z-Axis Rotation in the combo box depending on which coordinate axis the rotational axis is parallel to.

    Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Component Properties Type of Moving Object 에서 Prescribed motion 을 선택한다. Moving object properties Edit Motion Constraints 로 가서Type of Constraint밑에서 회전축이 어떤 좌표축에 평행인가에 따라 combo box 에있는 Fixed X-Axis Rotation 또는 Fixed Y-Axis Rotation 또는 Fixed Z-Axis Rotation 를 선택한다.

    Coordinates of the rotational axis need be given in two of the three input boxes for Fixed Axis/Point X Coordinate, Fixed Axis/Point Y Coordinate and Fixed Axis/Point Z Coordinate. For example, if the rotational axis is parallel to the z-axis, then the x and y coordinates for the rotational axis must be defined. Users can also set limits for the object’s rotational angle in both positive and negative directions. The rotational angle (i.e., angular displacement) is a vector and measured from the object’s initial orientation based on the right-hand rule. Its value is positive if it points in the positive direction of the coordinate axis which the rotational axis is parallel to. The object cannot rotate beyond these limits but can rotate back to the allowed angular range after it reaches a limit. To set the limits for rotation, in Motion Constraints Limits for rotation, enter the Maximum rotational angle allowed in negative and positive directions in the corresponding input boxes, using absolute values in degrees. By default, these values are infinite.

    회전축 좌표는 3개 Fixed Axis/Point X Coordinate, Fixed Axis/Point Y Coordinate Fixed Axis/Point Z Coordinate 중 2개의 입력박스에서 주어져야 한다. 예를 들면 회전축이 z 축에 평행 하다면 이 회전축의 the x 와 y 좌표가 정의 되어야 한다. 사용자는 물체의 양음 방향의 회전각도를 제한할 수 있다. 회전각 (즉, 각변위)은 벡터이며 오른손 법칙에 따른 물체의 초기 방향으로부터 측정된다. 이는 회전축에 평행한 좌표축의 양방향을 가리키면 양의 값이다. 물체는 제한 값을 지나 회전할 수 없지만 이 값에 도달한 후 허용된 각변위로 되돌아갈 수 있다. 회전의 제한을 설정하기 위해 Motion Constraints Limits for rotation 내에서 상응하는 입력박스에서 음이나 양의방향으로 허용된 Maximum rotational angle 을 입력한다. 이의 디폴트 값은 무한대이다.

To define the angular velocity of an object (in radians/time), go to Initial/Prescribed Velocities. The angular velocity can be defined either as a sinusoidal or a piecewise linear function of time by making a selection in the corresponding combo box. For a constant angular velocity, choose Non-Sinusoidal and simply enter its value in its input box (the default value is 0.0). If it is Non-sinusoidal in time, click on the corresponding Tabular button to open a data table and enter the values for the angular velocity and time. Alternatively, the user can also import a data file for the velocity component versus time by clicking Tabular Import Values. The file must have two columns of data which represent time and angular velocity from left to right and must have a csv extension. If the angular velocity is sinusoidal in time, then enter the values for Amplitude, Frequency (in cycles/time) and Initial Phase (in degrees) in the corresponding input boxes.

물체의 각속도(radians/시간으로)를 정의하기 위해 Initial/Prescribed Velocities 탭으로 간다. 각속도는 상응하는 combo box 에서 사인파 또는 구간적 시간함수로써 정의될 수 있다. 일정 각속도에 대해서 Non-Sinusoidal 을 선택하고, 이에 상응하는 combo box 에 단순히 값을 넣는다(디폴트 값은0.0이다). 이것이 Non-Sinusoidal 이고 시간의 함수이면 데이터 테이블을 불러와, 상응하는 Tabular 버튼을 클릭하고 각속도와 시간을 넣는다. 그렇지 않으면 사용자가 Tabular Import Values 를 클릭함으로써 속도 성분대 시간의 데이터 파일을 읽어 들일 수가 있다. 이 파일은 시간과 각속도를 나타내는 좌로부터 우로의 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다. 각속도가 시간에 따른 사인파이면 입력박스에서의 Amplitude, Frequency (in Hz) 그리고 Initial Phase (in degrees) 값을 입력한다.

 

The expression for a sinusoidal angular velocity is사인파 각속도식은

ω = Asin(2πft + ϕ0)

where: 여기서

  • A is the amplitude, 진폭
  • f is the frequency, and주기이며
  • ϕ0 is the initial phase. 초기위상이다.

Coupled 6-DOF motion 결합된 6자유도운동

In Meshing & Geometry → Geometry → Component (the desired GMO component) → Component Properties → Type of Moving Object, select Coupled motion. Go to Moving Object Properties → Edit → Motion Constraints. Under Type of Constraint, select 6 Degrees of Freedom in the combo box.

Meshing & Geometry → Geometry → Component (the desired GMO component) → Type of Moving Object 에서 Coupled motion 을 선택한다. Moving Object Properties → Edit → Motion Constraints 로가서 Type of Constraint 밑에서 combo 박스에 있는 6 Degrees of Freedom 를 선택한다.

 

Users need to define the initial velocities for the object. Go to the Initial/Prescribed Velocities tab. Enter the x, y, and z components of the initial velocity of the GMO’s mass center in X Initial Velocity, Y Initial Velocity and Z Initial Velocity, respectively. Enter the x’, y’ and z’ components of the initial angular velocity (in radians/time) in the body system in X Initial Angular Velocity, Y Initial Angular Velocity and Z Initial Angular Velocity, respectively. By default, the initial velocity components are zero.

사용자는 물체에 대한 초기속도를 정의해야 한다. Initial/Prescribed Velocities 탭으로 간다. 각 X Initial Velocity, Y Initial Velocity 그리고 Z Initial Velocity 로 GMO 질량중심의 초기속도의 x, y 와 z 성분값(t = 0에서)을 입력한다. 물체 계에서의 X Initial Angular Velocity, Y Initial Angular Velocity 그리고 Z Initial Angular Velocity (radians/시간으로)로 초기 각속도의 x’, y’ 및 z’ 성분값을 입력한다.

 

For coupled 6-DOF motion, user-prescribed control force(s) and torque exerting on the object can be defined either in the space system or the body system. They are combined with the hydraulic, gravitational, inertial and spring forces and torques to determine the object’s motion. There are two different ways to define control force(s) and torque: prescribe either a total force and a total torque about the object’s mass center or multiple forces with their application points fixed on the object. By default, all the control force(s) and torque are equal to zero.

결합된6자유도운동에서 물체에 미치는 사용자 지정 조절 힘과 토크는 물체계 또는 공간계에서 정의될 수 있다. 이들은 물체의 운동을 결정하는 수력, 중력, 관성력 스프링 힘 그리고 토크이다. 이 조절 힘과 토크를 정의하는 두 가지 방법이 있다: 물체의 질량중심에 대한 전체의 힘과 토크를 지정하거나 물체에 고정된 점들에 작용하는 다수의 힘들을 지정하는 것이다. 디폴트는 모든 조절 힘과 토크가0이다.

To prescribe total force and total torque, in the Control Forces and Torques tab, choose Define Total Force and Total Torque in the combo box. Further select In Space System or In Body System depending on which reference system the control force and torque are define in. If a component of the force or the torque is a constant, it can be specified in the corresponding edit box (default is zero). If it varies with time, then click on the Tabular button to bring up a data input table and enter the values for the component and time. The time-variant force and torque are treated as piecewise-linear functions of time during simulation. Alternatively, instead of filling the data table line by line, the user can also import a data file for the force/torque component versus time by clicking Tabular Import Values. The file must have two columns of data which represent time and the force/torque component from left to right and must have a csv extension.

전체의 힘과 토크를 지정하기 위해 Control Forces and Torques 탭 안의 combo box 에서 Define Total Force and Total Torque 를 선택한다. 추가로 조절 힘과 토크가 정의되는 기준계에 따른 In Space System 이나 In Body System 을 선택한다. 힘 또는 토크의 한 성분이 상수이면 상응하는 편집박스에 지정된다(디폴트는0). 이것이 시간에 따라 변하면 데이터 테이블을 불러오기 위해 상응하는 Tabular 버튼을 클릭하고 성분과 시간 값을 넣는다. 그렇지 않으면 한 줄씩 데이터 테이블을 채우는 대신에 사용자가 Tabular Import Values 를 클릭함으로써 force/torque component versus time 을 읽어 들일 수가 있다. 이 파일은 시간과 힘/토크를 나타내는 좌로부터 우로의 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다

If, instead, control forces and their application points need to be defined, then in the Control Forces and Torques tab choose Define Multiple Forces and Application Points in the combo box. Users can specify up to five forces. For each force, in the editor boxes, choose the force index (1 to 5) and then select Force components in Space System or Body System depending on which reference system the force is defined in. In field on the left, enter the initial coordinates (at t = 0) for the force’s application point. In the field on the right, prescribe components of the force in x, y and z directions of the body or space system. For a constant force component, enter its value in the corresponding edit box. If it varies with time, then click on the Tabular button to bring up a data input table and enter values for the force component versus time. Tabular force input is approximated with a piecewise-linear function of time. Alternatively, the user can import a data file for the force versus time by clicking Tabular Import Values. The file must have two columns of data which represent time and from left to right and must have a csv extension.

대신에 조절힘과 그 적용점들이 정의되어야 한다면 Control Forces and Torques 탭에서 combo box 안에 있는 Define Multiple Forces and Application Points 를 선택한다. 사용자는5개까지의 힘을 지정할 수 있다. 각 힘에 대해, 편집박스 내에서, force index(1에서 5) 를 선정하고 힘이 정의되는 기준계에 따라 Force components in 에서 Space System Body System 을 선택한다. 좌측 칸에 힘 적용점의 초기좌표(t=0에서)를 입력한다. 우측 칸에 물체 또는 공간계에 따른 x, y 그리고 z 방향에서의 힘의 성분을 넣는다. 힘 성분이 상수이면 그 값을 상응하는 편집박스에서 입력한다. 이것이 시간에 따라 변하면 데이터 테이블을 불러오기 위해 상응하는 Tabular 버튼을 클릭하고 힘성분 대 시간값을 넣는다. 이렇게 입력된 값들은 구간별 선형함수로 근사 된다.  다른 방법으로 사용자가 Tabular Import Values 를 클릭함으로써 힘과 시간에 대한 데이터파일을 읽어 들일 수가 있다. 이파일은 시간과 힘/토크를 나타내는 좌로부터 우로의 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다.

 

Motion constraints can be imposed to the object to decrease the number of the degrees of freedom to less than six. This selection is made by setting part of its translational and rotational velocity components as Prescribed motion while leaving the other components to coupled motion in Motion Constraints tab Translational and Rotational Options. Note that the translational and rotational components are in the space system and the body system, respectively. Then go to the Initial/Prescribed Velocities tab to define their values. A prescribed velocity component can be defined as either a sinusoidal or piecewise linear function of time in the combo box. For a constant velocity component, choose Non-Sinusoidal and enter its value in its input box (the default value is 0.0). If the velocity component is timedependent and non-sinusoidal, click on the Tabular button to open a data table and enter the values for the velocity component and time. Alternatively, the user can import a data file for the velocity component versus time by clicking Tabular Import values. The file must have two columns of data which represent time and the angular velocity component from left to right and must have a csv extension. It is treated as a piecewise-linear function of time in the code. If it is a sinusoidal function of time, instead, enter its Amplitude, Frequency (in Hz) and Initial Phase (in degrees) in the edit boxes.

6자유도 보다 운동의 자유도를 줄이기 위해 운동의 제약이 물체에 가해질 수 있다. 이 선택은 일부의 이동과 회전속도 성분을 Prescribed motion 으로 다른 성분들은 Motion Constraints tab Translational and Rotational Options 에서 coupled motion 결합운동으로 설정함으로써 이루어진다. 이동과 회전은 각기 공간계와 물체계로 되어있다는 것에 주목한다. 이 때에 Initial/Prescribed Velocities 탭으로 가서 이 값을 정의한다. 지정속도 성분은 상응하는 combo box 에서 사인파 또는 구간적 시간함수로써 정의될 수 있다. 일정속도 성분에 대해서 Non-Sinusoidal 을 선택하고 입력박스에서 값을 넣는다(디폴트 값은0이다). 속도성분이 시간의 함수이고 Non-Sinusoidal 이면 데이터 테이블을 열고 Tabular 버튼을 클릭하고 속도 성분과 시간 값을 넣는다. 다른 방법으로는 사용자가 Tabular Import Values 를 클릭함으로써 속도성분 대 시간의 데이터 파일을 읽어 들일 수가 있다. 이 파일은 좌로부터 우로의 시간과 각속도 성분을 나타내는 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다. 이렇게 입력된 값들은 코드 내에서 구간별 선형함수로 근사 된다. 대신에 시간의 함수이면 편집박스에서의 Amplitude, Frequency (in Hz) 그리고 Initial Phase (in degrees) 값을 입력한다.

 

The expression for a sinusoidal velocity component is사인파 속도식은

v = Asin(2πft + ϕ0)

where:

  • A is the amplitude, 진폭
  • f is the frequency, and주기이며
  • ϕ0 is the initial phase. 초기위상이다.

Users can also set limits for displacements of the object’s mass center in both negative and positive x, y and z directions in the space system, measured from its initial location. The mass center cannot go beyond these limits but can move back to the allowed motion range after it reaches a limit. To specify these limits, open the Motion Constraints tab and in the Limits for translation area, enter the absolute values of maximum displacements in the desired coordinate directions. There are no Limits for rotation for an object with 6-DOF coupled motion.

사용자는 초기 조건으로부터 측정된 공간계에서의 음이나 양의 x, y 그리고 z 방향으로 물체 질량중심의 변위를 제한할 수 있다. 질량중심은 이 제한을 지나갈 수 없지만 이 제한에 도달한 후에 허용된 범위로 돌아올 수 있다. 이동의 제한을 설정하기 위해 Motion Constraints 탭을 열고 Limits for translation에서 원하는 좌표방향에서의 최대 절대변위 값을 넣는다. 6자유도 운동을 갖는 물체에 대한 Limits for rotation 은 없다.

 

Coupled Fixed-Point Motion 결합된 고정점운동

In Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Component Properties Type of Moving Object, select Coupled motion. Go to Moving Object Properties Edit Motion Constraints. Under Type of Constraint, select Fixed point rotation in the combo box and enter the x, y and z coordinates of the fixed point in the corresponding input boxes. The Limits for rotation and Limits for translation cannot be set for fixed-point motion.

Meshing & Geometry → Geometry → Component (the desired GMO component) → Component Properties → Type of Moving Object 에서 Coupled motion 을 선택한다. Moving Object Properties → Edit → Motion Constraints 로 가서 Type of Constraint 밑에서 combo 박스에있는 Fixed point rotation 를 선택하고 상응하는 입력 상자 안에 있는 고정점의 x, y 및 z 좌표를 입력한다. Limits for rotation 와 Limits for translation 는 고정점 운동에 대해 선택될 수 없다.

 

Definition of the initial velocity for the object is required. Go to the Initial/Prescribed Velocities tab and enter the x, y and z components of initial angular velocity (in rad/time) in the boxes for X Initial Angular velocity, Y Initial Angular velocity and Z Initial Angular velocity. Their default values are zero.

물체의 초기속도 정의가 필요하다. Initial/Prescribed Velocities 탭으로 가서 X Initial Angular velocity, Y Initial Angular velocity 그리고 Z Initial Angular velocity 를 위한 상자에서 초기 각속도  (rad/시간) 의 the x, y 및 z 성분을 넣는다.

 

Further constraints of motion can be imposed to the object to decrease its number of degrees of freedom. This is done in the Motion Constraints tab by setting part of its rotational components as prescribed motion while leaving the others as coupled motion in the combo box for Translational and rotational options. Note that the rotational components are in the body system. By default, the prescribed velocity components are equal to zero. To specify a non-zero velocity component, go to the Initial/Prescribed Velocities tab. It can be defined as either a sinusoidal or a piecewise linear function of time by making selection in the corresponding combo box. For a constant velocity component, choose Non-Sinusoidal and simply enter its value in the input box (the default value is 0.0). If it is non-sinusoidal timedependent, click on the Tabular button to open a data table and enter the values for the velocity component and time. Alternatively, the user can import a data file for the velocity component versus time by clicking Tabular Import values. The file must have two columns of data which represent time and the angular velocity component from left to right and must have a csv extension. If the velocity component is a sinusoidal function of time, enter the values for Amplitude, Frequency (in Hz) and Initial Phase (in degrees) in the input boxes.

운동의 자유도를 줄이기 위해 운동의 제약이 물체에 가해질 수 있다. 이 선택은 일부의 회전속도 성분을 Prescribed motion 으로 다른 성분들은 Translational and rotational options를 위한 상자에서 coupled motion 으로 Motion Constraints 탭에서 설정함으로써 이루어진다. 회전성분은 물체계로 되어있다는 것에 주목한다. 디폴트로 지정속도 성분들은 0이다. 0이 아닌 속도성분을 지정하기 위해 Initial/Prescribed Velocities탭으로 간다. 지정속도 성분은 상응하는 combo box 에서 사인파 또는 구간적 시간함수로써 정의될 수 있다. 일정속도 성분에 대해서 Non-Sinusoidal 을 선택하고 단순히 입력박스에서 값을 넣는다(디폴트 값은0이다). 속도성분이 시간의 함수이고 Non-Sinusoidal 이면 데이터 테이블을 열고 Tabular 버튼을 클릭하고 속도 성분과 시간 값을 넣는다. 다른 방법으로는   사용자가 Tabular Import Values 를 클릭함으로써 속도 성분 대 시간의 데이터파일을 읽어들일 수 가 있다. 이 파일은 좌로부터 우로의 시간과 각속도 성분을 나타내는 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다. 속도성분이 사인파의 시간의 함수이면 입력상자에서 Amplitude, Frequency (in Hz) and Initial Phase (in degrees) 값을 넣는다.

The expression for a sinusoidal velocity component is사인파속도성분식은

ω = Asin(2πft + ϕ0)

where: 여기서

  • A is the amplitude진폭,
  • f is the frequency, and주기이며
  • ϕ0 is the initial phase. 초기위상이다

 

User-prescribed total torque exerting on the object can also be defined. They are combined with the hydraulic, gravitational, inertial and spring torques to determine the object’s rotation.

또한 사용자에 의해 지정된 물체에 작용하는 전체 토크가 지정될 수 있다. 이들은 물체의 회전을 결정하기 위해 수력, 중력, 관성력과 스프링에 의한 토크와 결합되어 있다.

In the Control Forces and Torques tab, choose Define Total Force and Total Torque in the combo box. Further, select In Space System or In Body System depending on which reference system the control torque is define in. If the torque is constant, it can be simply set in the provided edit box for its x, y and z components. For a time-dependent control torque, click the Tabular button to bring up data tables and then enter the values of time and the torque components. The control torque is treated as a piecewise-linear function of time. As an option, instead of filling the data table line by line, the user can also import a data file for the angular velocity versus time by clicking Tabular Import Values. The file must have two columns of data which represent time and velocity from left to right and must have a csv extension.

Control Forces and Torques 탭에서 combo box 상자 안의 Define Total Force and Total Torque 를 선택한다. 추가로 조절 토크가 정의되는 기준계에 따른 공간계 In Space System 나 물체계 In Body System 을 선택한다.  토크가 상수이면 its x, y 및 z 성분을 위한 주어진 편집상자에서 지정된다. 이것이   시간에 따라 변하는 조절 토크이면 데이터 테이블을 불러오기 위해 상응하는 Tabular 버튼을 클릭하고 성분과 토크 성분값을 넣는다. 제어토크는 구간 내 시간의 선형함수로 간주된다. 선택으로 한 줄씩 데이터 테이블을 채우는 대신에 사용자가 Tabular Import Values 을 클릭함으로써 각속도 대 시간 읽어 들일 수가 있다. 이 파일은 시간과 속도를 나타내는 좌로부터 우로의 두 데이터 열이 있어야 하며  csv 확장자를 가져야 한다

 

Coupled Fixed-Axis Motion  결합된 고정축운동

In Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Component Properties Type of Moving Object, select Coupled motion. Go to Moving Object Properties Edit Motion Constraints. Under Type of Constraint, select Fixed X-Axis Rotation or Fixed Y-Axis Rotation or Fixed Z-Axis Rotation in the combo box depending on which coordinate axis the rotational axis is parallel to.

Meshing & Geometry Geometry Component (the desired GMO component) Component Properties Type of Moving Object 에서 Coupled motion 을 선택한다. Moving Object Properties Edit Motion Constraints 로 가서 Type of Constraint 밑에서 회전축이 어느 좌표축과 평행한지에 따라 combo 박스에있는 Fixed X-Axis Rotation또는Fixed Y-Axis Rotation 또는 Fixed Z-Axis Rotation 를 선택한다.

 

Coordinates of the rotational axis need be given in two of the three input boxes for Fixed Axis/Point X Coordinate, Fixed Axis/Point Y Coordinate and Fixed Axis/Point Z Coordinate. For example, if the rotational axis is parallel to the z-axis, then the x and y coordinates for the rotational axis must be defined. Users can also set limits for the object’s rotational angle in both positive and negative directions. The rotational angle (i.e., angular displacement) is a vector and measured from the object’s initial orientation based on the right-hand rule. Its value is positive if it points to the positive direction of the coordinate axis which the rotational axis is parallel to. The object cannot rotate beyond these limits but can rotate back to the allowed angular range after it reaches a limit. To set the limits for rotation, in Motion Constraints Limits for rotation, enter the maximum rotational allowed in negative and positive directions in the corresponding input boxes, using absolute values in degrees. By default, these values are infinite.

회전축좌표는 3개 Fixed Axis/Point X Coordinate, Fixed Axis/Point Y Coordinate Fixed Axis/Point Z Coordinate 중 2개의 입력박스에서 주어져야 한다. 예를들면 회전축이 z 축에 평행하다면 이 회전축의 the x 와 y 좌표가 정의되어야 한다. 사용자는 물체의 양과 음 방향의 회전각도를 제한할 수 있다. 회전각 (즉, 각변위)은 벡터이며 오른손 법칙에 따라 물체의 초기 방향으로 부터 측정된다. 이것이 회전축에 평행한 좌표축의 양방향을 가리키면 양의 값이다. 물체는 제한 값을 지나 회전할 수 없지만 이 값에 도달한 후 허용된 각 변위로 되돌아갈 수 있다. 회전의 제한을 설정하기 위해 Motion Constraints Limits for rotation 내에서 상응하는 입력박스에서 음이나 양의방향으로 허용된 Maximum rotational angle 을 입력한다. 이의 디폴트 값은 무한대이다.

 

A definition of the initial angular velocity for the object is required. In the Initial/Prescribed Velocities tab, enter the initial angular velocity (in radians per time) in x, y or z direction in the corresponding input box in the Angular velocity components area, depending on the orientation of the rotational axis. The default value is zero.

User-prescribed total torque exerting on the object can be defined. They are combined with the hydraulic, gravitational, inertial and spring torques to determine the object’s rotation. In the Control Forces and Torques tab, choose Define Total Force and Total Torque in the combo box. If the torque is constant, it can be simply set in the provided edit box for x, y or z component of the torque, depending on direction of the coordinate axis which the rotational axis is parallel to. For a time-dependent control torque, click the corresponding Tabular button to bring up a data table and then enter the values of time and the torque. The control torque is treated as a piecewise-linear function of time in computation. As an option, instead of filling the data table line by line, the user can also import a data file for the torque versus time by clicking Tabular Import Values. The file must have two columns of data which represent time and torque from left to right and must have a csv extension. The torque about the fixed axis is the same in the space and body systems, thus the choice of In space system or In body system options makes no difference to the computation. User-prescribed total control force and multiple forces are not allowed for the fixed-axis motion.

물체의 초기 각속도 정의가 필요하다. Initial/Prescribed Velocities 탭에서 회전축의 방향에 따라 the Angular velocity components 면에서 x, y 및 z 방향으로 초기 각속도(시간당radians으로)를 넣는다. 디폴트는0이다. 사용자에 의해 지정된 물체에 작용하는 전체 토크가 정의될 수 있다, 이들은 물체의 회전을 결정하기 위해 수력, 중력, 관성력과 스프링에 의한 토크와 결합되어 있다. Control Forces and Torques 탭 안의 combo box 에서 Define Total Force and Total Torque 을 선택한다.  토크가 상수이면 회전축이 평행한 좌표축의 방향에 따라, 토크의 x, y 또는 z 성분을 위한 주어진 편집박스에서 단순히 지정된다. 따라 변하면 데이터테이블을 불러오기 위해 상응하는 Tabular 버튼을 클릭하고 시간과 토크를 넣는다. 제어토크는 계산시 구간 내 시간의 함수로 간주된다. 선택으로 한 줄씩 데이터 테이블을 채우는 대신에 사용자가 Tabular Import Values 를 클릭함으로써 토크대 시간의 파일을 읽어 들일 수 가 있다. 이 파일은 시간과 토크를 나타내는 좌로부터 우로의 두 데이터 열이 있어야 하며 csv 확장자를 가져야 한다. 고정축에 대한 토크는 공간과 시간계에서 같으므로 In space system 이나 In body system 의 선택은 계산에 차이가 없다. 사용자가 지정하는 전체 제어 힘과 다중의 힘은 고정축 운동에서는 허용되지 않는다.

Step 4: Specify the GMO’s Mass Properties GMO 질량물성을 정의한다

Definition of the mass properties is required for any moving object with coupled motion and is optional for objects with prescribed motion. If the mass properties are provided for a prescribed-motion object, the solver will calculate and output the residual control force and torque, which complement the gravitational, hydraulic, spring, inertial and user-prescribed control forces and torques to maintain the prescribed motion. To specify the mass properties, click on Mass Properties to open the dialog window. Two options are available for the mass properties definition: provide mass density or the integrated mass properties including the total mass, mass center and the moment of inertia tensor.

질량물성의 정의가 결합운동을 하는 이동체에 대해 필요하지만 지정운동을 하는 이동체에는 선택적이다. 지정운동체에 대해 질량 물성이 주어지면 solver 는 지정 운동을 유지하기 위해 중력, 수력, 관성력, 스프링 힘과 사용자 지정의 힘과 토크를 보완하는 잔여 조절 힘과 토크를 계산하고 출력할 것이다. 질량물성을 지정하기 위한 대화창을 열기 위해 Mass Properties를 클릭한다. 이를 위해 두 가지 선택이 있다: 질량밀도 또는 전체질량, 질량중심과 관성모멘트텐서를 포함하는 통합 질량 물성을 제공한다.

The option to provide mass density is convenient if the object has a uniform density or all its subcomponents have uniform densities. In this case, the preprocessor will calculate the integrated mass properties for the object. In the Mass Properties tab, select Define Density in the combo box and enter the density value in the Mass Density input box. By default, each subcomponent of the object takes this value as its own mass density. If a subcomponent has a different density, define it under that subcomponent in the geometry tree, Geometry Component Subcomponents Subcomponent (the desired component) Mass Density.

물체나 이 물체의 소 구성요소가 균일한 밀도를 가지면 질량밀도를 주는 선택이 편하다. 이 경우 전처리과정이 이에 대한 모든 통합 질량물성을 계산할 것이다. Mass Properties 탭에서 combo 박스에 있는 Define Density 를 선택하고 Mass Density 입력박스에서 밀도 값을 넣는다. 디폴트로 물체의 소 구성 요소의 밀도는 물체의 밀도와 같다. 만약에 소 구성요소가 다른 밀도를 가지면 이를 형상체계에 있는 Geometry Component Subcomponents Subcomponent (the desired component) Mass Density 소구성요소에서 정의한다.

 

The option to provide integrated mass properties is useful if the object’s mass, mass center and moment of inertia tensor are known parameters regardless of whether the object’s density is uniform or not. In the Mass Properties tab, choose Define Integrated Mass Properties in the combo box and enter the following parameters in the input boxes depending on the type of motion: Total mass, initial mass center location (at t = 0) and moment of inertia tensor about mass center for 6-DOF and fixed-point motion types;

통합 질량 물성의 사용은 물체의 밀도가 균일한지와 무관하게 물체의 질량, 질량중심, 관성모멘트 텐서 등이 알려진 변수일 경우에 유용하다. Mass Properties 탭에서 combo 박스에있는 Define Integrated Mass Properties 을 선택하고 운동형태에 따라 입력상자 안에 다음 변수들을 넣는다:

 

  • Total mass, initial mass center location (at t = 0) and moment of inertia about fixed axis for fixed-axis motion type.

전체 질량, 초기 질량중심 위치(t=0에서), 그리고 6자유도 및 고정점 운동 형태를 위한 질량중심에 관한 관성모멘트텐서

Output출력

For each GMO component, the solver outputs time variations of several solution variables that characterize the object’s motion. These variables can be accessed during post-processing in the General history data catalog and can be viewed either graphically or in a text format. For both prescribed and coupled types of motion with the mass properties provided, the user can find the following variables:

각 GMO 요소에 대해solver는 물체의 운동 특성을 보여주는 대여섯 개의 해석변수의 시간에 대한 변화를 출력한다. 이 변수들은 General history 데이터카탈로그에서 후처리중에 텍스트나 도식으로 볼 수 있다. 주어진 질량을 갖는 지정과 결합운동에 대해 사용자는 다음 변수들을 이용할 수가 있다.

  1. Mass center coordinates in space system공간계 내의 질량중심좌표
  2. Mass center velocity in space system공간계 내의 질량중심 속도
  3. Angular velocity in body system물체계 내의 각속도
  4. Hydraulic force in space system공간계 내의 수리력
  5. Hydraulic torque in body system물체계 내의 수리토크
  6. Combined kinetic energy of translation and rotation 이동과 회전의 결합운동에너지

There will be no output for items 1, 2 and 6 for any prescribed-motion GMO if the mass properties are not provided. Additional output of history data include:

질량물성이 주어지지 않으면 지정운동을 하는 GMO 에대해 상기 1,2와6에대한 출력은없다. 추가적이력데이터의 출력은

  • Location and velocity of the reference point for a prescribed 6-DOF motion지정된6자유도운동을 위한 기준점의 위치와 속도
  • Rotational angle for a fixed-axis motion

고정축 운동을 위한 회전각

  • Residual control force and torque in both space and body systems for any prescribed motion and a coupled motion with constraints (fixed axis, fixed point and prescribed velocity components)

지정운동 및 구속을 갖는 결합운동(고정축, 고정점, 그리고 지정속도성분)에 대한 두 공간과 물체계에서의 잔여 제어 힘과 토크

  • Spring force/torque and deformation

스프링 힘과 토크 및 변형

  • Mooring line extension and maximum tension force

계류선 신장 및 최대인장력

  • Mooring line tension forces at two ends in the x, y and z directions

x, y 및 z 방향에서 양끝에 작용하는 계류선 인장력

 

As an option, the history data for a GMO with 6-DOF motion can also include the buoyancy center and the metacentric heights for rotations about x and y axes of the space system, which is useful for stability analysis of a floating object. Go to Geometry Component (the desired moving object) Output Buoyancy Center and Metacentric Height, and select Yes. The buoyancy center is defined as the mass center of the fluid displaced by the object. The metacentric height (GM) is the distance from the gravitational center (point G) to the metacenter (point M). It is positive (negative) if point G is below (above) M.

선택사항으로 GMO 6자유도의 이력데이터는 부력중심과 부력물체의 안정성 해석에 유용한 공간계의 x와 y 축에 대한 회전을 위한 metacentric 높이를 포함한다. Geometry Component (the desired moving object) Output Buoyancy Center and Metacentric Height 로가서 Yes 를 선택한다. 부력 중심은 물체에 의해 배수된 부분을 차지하는 유체의 질량중심으로 정의된다. The metacentric height (GM) 은 중력중심(점 G) 에서 metacenter (점M)까지이다. 점 G가 M보다 밑(위)이면 양(음)이다.

 

GMO components can participate in heat transfer just like any stationary solid component. When defining specific heat of a GMO component, Component Properties Solid Properties Density*Specific Heat must be given.

GMO 요소는 여느 정지 고체 요소와 같이 열전달을 포함 할 수 있다. GMO 요소의 비열을 정의할 때 Component Properties Solid Properties Density*Specific Heat 가 주어져야 한다.

 

Two options are available when defining heat sources for a GMO component: use the specific heat flux, or the total power. When the total power is used, the heat fluxes along the open surface of the moving object are adjusted at every time step to maintain a constant total power. If the surface area varies significantly with time, so will the heat fluxes. When the specific heat is used instead, then the fluxes will be constant, but the total power may vary as the surface area changes during the object’s motion. To define heat source for a GMO component, go to Component Properties Solid Properties Heat Source type Total amount or Specific amount.

GMO 요소의 열 소스를 정의할 때 두 가지 선택이 있다: 비열유속 또는 전체 일률(power)를 사용하는 것이다. 전체 일률이 사용되면 이동체의 개표면을 통한 열 유속은 일정 전체 일률을 유지하기 위해 매 시간 단계 마다 조정된다. 표면적이 시간에 따라 상당히 변하면 열유속도 그러할 것이다. 대신에 비열이 사용되면 열 유속은 일정할 것이고 전체일률은 표면적이 이동체의 운동에 따라 변할 때 변할 수도 있다. GMO 요소의 열소스를 정의하기 위해 to Component Properties Solid Properties Heat Source type Total amount or Specific amount 로 간다.

 

Mass sources/sinks can also be defined on the open surfaces of a GMO component. Details can be found in Mass

Sources. 질량소스나 싱크 또한 GMO 요소의 개표면 상에 정의될 수 있다. 자세한 것은 in Mass Sources 에서 볼 수 있다.

Although the GMO model can be used with most physical models and numerical options, limitations exist. To use the model properly, it is noted that

GMO 모델은 대부분의 다른 물리적 모델이나 수치해석 선택과 같이 사용될 수 있지만 제한이 따른다. 모델을 제대로 사용하기 위해 다음 사항들에 유의한다.

  • For coupled motion, the explicit and implicit GMO methods perform differently. The implicit GMO method works for both heavy and light moving objects. The explicit GMO method, however, only works for heavy object problems (i.e., the density of moving object is higher than the fluid density).

결합운동에 대해 내재적과 외재적 GMO 방법은 다르게 작동한다. 내재적 GMO 방법은 무겁거나 가벼운 이동물체에 이용될 수 있지만 외재적 GMO 방법은 무거운 물체의 이동에만 이용한다(즉, 이동물체의 밀도가 유체의 밀도보다 크다).

  • When the explicit GMO method is used, solution for fully coupled moving objects may become unstable if the added mass of the fluid surrounding the object exceeds the object’s mass.

외재적 GMO 방법이 사용될 때 물체 주위 유체의 부가질량이 물체의 질량보다 크면 완전결합 이동물체의 해석은 불안정하게 된다.

  • If there are no GMO components with coupled motion, then the implicit and explicit methods are identical and the choice of one makes no difference to the computational results.

결합운동을 하는 GMO 요소가 없으면 내재적과 외재적 방법은 같고 어느 하나를 사용해도 계산결과에 차이가 없다.

  • The implicit method does not necessarily take more CPU time than the explicit method, even though the former required more computational work, because it improves numerical stability and convergence, and allows for larger time step. It is thus recommended for all GMO problems.

내재적 방법은 수치(해석) 안정성과 수렴이 개선되고 더 큰 시간 단계를 가능하게 해주기 때문에 더 많은 계산을 필요로 하지만 외재적 방법보다 항상 더 많이 CPU시간을 필요로 하지는 않는다. 따라서 모든 문제에 권장된다.

  • It is recommended that the limited compressibility be specified in the fluid properties to improve numerical stability by reducing pressure fluctuations in the fluid.

유체내의 압력 변동을 줄임으로써 수치해석안정성을 증가시키기 위해 제한된 압축성이 유체 물성에서 지정되도록 권장된다.

  • In the simulation result, fluctuations of hydraulic force may exist due to numerical reasons. To reduce these fluctuations, the user can set No f-packing for free-surface problems in Numerics Volume of fluid advection Advanced options and set FAVOR tolerance to 0.0001 in Numerics Time-step controls Advanced Options Stability enhancement. It is noted that an unnecessarily small FAVORTM tolerance factor can cause small time steps and slow down the computation.

모사(simulate)결과에서 수리력의 변동이 수치적인 이유로 존재할 수 있다. 이 변동을 줄이기 위해 사용자는 Numerics Volume of fluid advection Advanced options 에서 자유표면 문제에 대해 No f-packing 을 지정하고 FAVOR tolerance Numerics Time-step controls Advanced Options Stability enhancement 에서 0.0001로 지정할 수 있다. 불필요하게 작은 FAVORTM tolerance 인자는 작은시간 단계를 발생시키고 계산을 더디게 할 수 있다.

  • In order to calculate the fluid force on a moving object accurately, the computational mesh needs to be reasonably fine in every part of the domain where the moving object is expected to be in contact with fluid.

이동물체에 대한 유체의 힘을 정확히 계산하기 위해 이동체가 유체와 접촉할 것으로 예상되는 영역내의 모든 부분에서 적절히 미세한 계산격자를 사용해야한다.

  • An object can move completely outside the computational domain during a computation. When this happens, the hydraulic forces and torques vanish, but the object still moves under actions of gravitational, spring, inertial and control forces and torques. For example, an object experiences free fall outside the domain under the gravitational force in the absence of all other forces and torques.

물체는 계산 동안에 완전히 계산영역 외부로 이동할 수 있다. 이럴 경우 수리력과 토크는 사라지지만 물체는 중력, 스프링힘, 관성력 및 조절 힘과 토크의 영향으로 움직인다. 예를 들면 물체는 모든 다른 힘과 토크가 없는 경우에 중력장 안에 있는 영역외부에서 자유낙하를 할 것이다.

  • If mass density is given, then the moving object must initially be placed completely within the computational domain and the mesh around it should be reasonably fine so that its integrated mass properties (the total mass, mass center and moment of inertia tensor) can be calculated accurately by the code

질량밀도가 주어지면 초기에 물체가 완전히 계산영역 내에 위치하고 있어야 하고 이 주변의 격자는 적절히 미세하게 하여 이의 통합 질량물성(전체질량, 질량중심 그리고 관성모멘트텐서)이 이 코드에 의해 정확히 계산될 수 있어야 한다.

  • If a moving object is composed of multiple subcomponents, they should have overlap in places of contact so that no unphysical gaps are created during motion when the original geometry is converted to area and volume fractions. If different subcomponents are given with different mass densities, this overlap should be small to avoid big errors in mass property calculation.

이동체가 다수의 소 구성요소로 이루어져 있다면 원래 형상이 면적과 체적율로 전환될 때 이들은 접촉부에 중첩이 있어야만 이동 시에 실제로 존재하지 않은 간격이 발생 안 한다. 다른 소구성요소가 다른 질량밀도로 주어지면 이 간격은 질량물성 계산시 큰 에러를 줄이기 위해 작아야 한다.

  • A moving object cannot be of a phantom component type like lost foam or a deforming object.

이동체는 lost foam 이나 변형물체 같은 phantom 구성요소가 될 수 없다.

  • The GMO model works with the electric field model the same way as the stationary objects, but no additional forces associated with electrical field are computed for moving objects.

GMO 모델은 정지 물체와 같은 전장모델과 이용할 수 있으나, 전장 관련 추가적 힘은 계산되지 않는다.

  • If a GMO is porous, light in density and high in porous media drag coefficients, then the simulation may experience convergence difficulties.

GMO가 밀도가 가볍고 다공매질 저항계수가 큰 다공질이면 모사(simulate)에 수렴의 어려움이 있을 수 있다.

  • A Courant-type stability criterion is used to calculate the maximum allowed time-step size for GMO components. The stability limit ensures that the object does not move more than one computational cell in a single time step for accuracy and stability of the solution. Thus the time step is also limited by the speed of the moving objects during computation.

GMO 구성요소에 대해 Courant 형의 안정성 기준이 최대허용 시간 단계 크기를 계산하도록 이용된다. 안정성 제한은 해석의 정확성과 안정성을 위해 물체가 하나의 시간 단계에 하나 이상의 계산 셀을 지나가지 않도록 보장하는 것이다. 그러므로 시간 단계는 계산시 또한 이동체의 속도에 의해 제한된다.

Note:

  • Time-Saving Tip: For prescribed motion, users can preview the object motion in a so-called “dry run” prior to the full flow simulation. To do so, simply remove all fluid from the computational domain to allow for faster execution. Upon the completion of the simulation the motion of the GMO objects can be previewed by post-processing the results. 시간절약팁: 지정운동에서 사용자는 실제 전체 유동 계산 전에 소위 “dry run” 이라는 형태로 GMO 물체의 운동을 미리 볼 수 있다. 이러기 위해 빠른 계산을 하기 위해 계산영역 내로부터 모든 유체를 단순히 제거한다. 모사(simulate)가 끝나면 운동은 결과를 후처리함으로써 미리 볼 수 있다.
  • The residual forces (and torques) are computed for the directions in which the motion of the object is prescribed/constrained. They are defined as the difference between the total force on an object (computed from the prescribed mass*acceleration) and the computed forces on the object from pressure, shear, gravity, specified control forces, etc. As such, they represent the force required to move the object as prescribed.

잔류력(그리고 토크)은 물체의 이동이 지정되거나 제약되는 방향으로 계산된다. 이들은 물체에 작용하는 전체 힘(지정 질량*가속도로부터 구해지는)과 압력, 전단력, 중력, 지정된 조절력 등으로부터 물체에 가해지는 계산된 힘과의 차이로 정의된다.

Collision충돌

The GMO model allows users to have multiple moving objects in one problem, and each of them can possess independent type of coupled or prescribed motion. At any moment of time, each object under coupled motion can collide with any other moving objects (of a coupled- or prescribed-motion type), non-moving objects as well as wall- and symmetry-type mesh boundaries. Without the collision model, objects may penetrate and overlap each other.

GMO 모델에서 사용자는 한 문제에서 다수의 이동체를 지정할 수 있고 각 이동체는 결합 또는 지정된 별도 운동을 할 수가 있다. 어느 순간에서 결합 운동을 하는 각 물체는 벽 또는 대칭형 격자 경계뿐만 아니라 다른 이동체들(결합운동 이나 지정운동을 하는), 그리고 정지하고 있는 물체와 충돌할 수 있다.  충돌모델 없으면 물체는 각기 침투하거나 중첩될 수가 있다.

The GMO collision model is activated by selecting Physics Moving and simple deforming objects Activate collision model. It requires the activation of the GMO model first, done in the same panel. For a GMO problem with only prescribed-motion objects, it is noted that the collision model has no effect on the computation: interpenetration of the objects can still happen.

GMO 충돌모델은 Physics Moving and simple deforming objects Activate collision model 를 선택함으로써 활성화된다. 먼저 같은 패널에서 GMO 모델을 활성화한다. 단지 지정된 운동을 하는 GMO 물체 문제에 대해 충돌모델은 계산에 영향을 안 미친다는 것을 주목한다: 그래도 물체의 침투는 가능하다.

The model allows each individual collision to be fully elastic, completely plastic, or partially elastic, depending on the value of Stronge’s energetic restitution coefficient, which is an input parameter. In general, a collision experiences two phases: compression and restitution, which are associated with loss and recovery of kinetic energy. The Stronge’s restitution coefficient is a measure of kinetic energy recovery in the restitution phase. It depends on the material, surface geometry and impact velocity of the colliding objects. The range of its values is from zero to one. The value of one corresponds to a fully elastic collision, i.e., all kinetic energy lost in the compression is recovered in the restitution (if the collision is frictionless). Conversely, a zero restitution coefficient means a fully plastic collision, that is, there is no restitution phase after compression thus recovery of the kinetic energy cannot occur. A rough estimate of the restitution coefficient can be conducted through a simple experiment. Drop a sphere from height h0 onto a level anvil made of the same material and measure the rebound height h. The restitution coefficient can be obtained as h/h0. In this model, the restitution coefficient is an object-specific constant. A global value of the restitution coefficient that applies to all moving and non-moving objects is set in Physics Moving and simple deforming objects Coefficient of restitution.

입력 변수인 Stronge 의 에너지 반발계수의 값에 따라 모델은 물체의 완전탄성, 완전소성 또는 탄성의 각기 충돌을 다룰 수 있다. 일반적으로 충돌은 두 단계로 나뉜다: 압축과 반발이며 이들은 운동에너지의 손실및 회복과 연관되어 있다. Stronge 의 반발계수는 반발단계에서의 에너지회복의 척도이다. 이는 물질, 표면형상 그리고 충돌하는 물체의 충격속도에 의존한다.

이값은 0과1사이이다. 1은 완전탄성충돌이며 압축에서 손실된 모든 운동에너지가 반발에서 회복된다(충돌에마찰이없다면). 역으로, 0의 반발계수는 완전소성충돌로 즉 압축 후에 반발이 없으며 운동에너지의 회복은 일어나지 않는다. 반발계수의 개략 추정치는 단순한 실험을 통해 얻어질 수 있다.

높이 h0에서 구를 같은 재질로 만들어진 anvil (모루?)위로 떨어뜨려 반발높이 h 를 측정한다. 반발계수는 h/h0로얻어진다. 이모델에서 반발계수는 물질에 특정한 상수이다. 모든 이동과 비 이동물체에 적용되는 반발계수의 포괄적인 값은 Physics Moving and simple deforming objects Coefficient of restitution 에서 지정된다.

 

Friction can be included at the contact point of each pair of colliding bodies by defining the Coulomb’s friction coefficient. A global value of the friction coefficient that applies to all collisions is set in Physics General moving objects Coefficient of friction. Friction forces apply when the friction coefficient is positive; a collision is frictionless for the zero value of the friction coefficient, which is the default. The existence of friction in a collision always causes a loss of kinetic energy.

마찰은 Coulomb 마찰계수를 정의함으로써 충돌하는 각 물체의 접촉 점에 작용한다. 모든 충돌에 적용되는 마찰계수의 포괄적 값은 Physics General moving objects Coefficient of friction 에서 설정된다. 마찰력은 마찰계수가 양일 경우 작용한다; 충돌시 마찰계수가0일 경우 마찰력이 없고, 이는 디폴트이다. 충돌 시 마찰력의 존재는 항상 운동에너지의 손실을 뜻한다.

 

The global values of the restitution and friction coefficients are also used in the collisions at the wall-type mesh boundaries, while collisions of the moving objects with the symmetry mesh boundaries are always fully elastic and frictionless.

포괄적 마찰 및 반발계수는 또한 벽 형태의 경계에서 충돌이 발생할 경우에도 사용될 수 있으나 이동체의 대칭격자 경계와의 충돌은 항상 완전탄성이고 마찰이 없다.

 

The object-specific values for the restitution and friction coefficients are defined in the tab Model Setup Meshing & Geometry. In the geometry tree on the left, click on Geometry Component (the desired component) Component Properties Collision Properties and then enter their values in the corresponding data boxes. If an impact occurs between two objects with different values of restitution coefficients, the smaller value is used in that collision calculation. The same is true for the friction coefficient.

물체에 특정한 반발 및 마찰계수는 탭 Model Setup Meshing & Geometry 에서 정의된다. 좌측의 형상체계에서 on Geometry Component (the desired component) Component Properties Collision Properties 를 클릭하고 상응하는 데이터박스에 그 값들을 입력한다. 다른 반발계수를 갖는 두 물체 사이에 충격이 발생하면 그 충돌 계산에 작은 마찰계수 값이 이용된다. 이는 마찰의 경우에도 마찬가지이다.

Continuous contact, including sliding, rolling and resting of an object on top of another object, is simulated through a series of small-amplitude collisions, called micro-collisions. Micro-collisions are calculated in the same way as the ordinary collisions thus no additional parameters are needed. The amplitude of the micro-collisions is usually small and negligible. In case the collsion strength is obvious in continuous contact, using smaller time step may reduce the collision amplitude.

미끄러짐, 회전, 및 타물체상에 정지하고 있는 물체를 포함하는 지속적인 접촉은 미세충돌이라고 불리는 일련의 소 진폭 충돌에 의해 모사(simulate)된다. 미세 충돌은 추가적인 매개변수 필요 없이 보통충돌과 같은 방식으로 계산된다. 충돌강도가 지속적 접촉에서 현저한 경우 더 작은 시간간격을 시용하는 것이 충돌 진촉을 감소시킬지도 모른다.

 

If the collision model is activated but the user needs two specific objects to have no collision throughout the computation, he can open the text editor (File Edit Simulation) and set ICLIDOB(m,n) = 0 in namelist OBS, where m and n are the corresponding component indexes. An example of such a case is when an object (component index m) rotates about a pivot – another object (component index n). If the former has a fixed-axis motion type, then calculating the collisions with the pivot is not necessary. Moreover, ignoring these collisions makes the computation more accurate and more efficient. If no collisions between a GMO component m with all other objects and mesh boundaries are desired, then set ICLIDOB(m,m) to be zero. By default, ICLIDOB(m,n) = 1 and ICLIDOB(m,m) = 1, which means collision is allowed.

충돌모델이 활성화되고 시용자가 모사(simulate)동안에 충돌하지 않는 두 특정 물체를 필요로 하면 텍스트편집(File Edit Simulation) 을 열어 namelist OBS 에서 ICLIDOB(m,n) = 0 를 지정하는데, 여기서 m n 은 상응하는 구성 요소 색인이다.

이런 예는 한 물체(component index m)가 경첩축인 다른 물체(component index n)에대해 회전할 경우이다. 전자가 고정축에 대한 운동형태이면 경첩 축과의 충돌은 계산할 필요가 없다. 더구나 이런 충돌을 무시하는 것이 계산상 더 정확하고 효율적이다.

한 GMO component 구성요소 m 과 모든 다른 물체나 격자 경계와의 충돌이 없다면 ICLIDOB(m,m) 를 0으로 지정한다. 디폴트는 ICLIDOB(m,n) = 1 이며 이는 충돌이 허용됨을 뜻한다.

 

To use the model prpperly, users should be noted that

모델을 적절히 사용하기 위해서 사용자는 다음에 주목한다.

  • The collision model is based on the impact theory for two colliding objects with one contact point. If multiple contact points exist for two colliding objects (e.g. surface contact) or one object has simultaneous contact with more than one objects, object overlap may and may not occur if the model is used, varing from case to case.

충돌모델은 한 접촉점을 갖는 두 물체의 충돌이론에 의거한다. 이 모델 사용시 두 물체의 충돌에 다수의 접촉점이 존재(즉 표면접촉같이)하거나 한 물체가 동시에 다른 물체들과 충돌하면 경우에 따라 중첩이 발생할 수도 있고 안 할 수도 있다.

  • To use the model, one of the two colliding object must be under coupled motion, and the other can have coupled or prescribed motion or no motion. The coupled motion can be 6-DOF motion, translation, fixed-axis rotation or fixed-point rotation. For other constrained motion, (e.g., rotation is coupled in one direction but prescribed in another direction), the model is not valid, and mechanical energy of the colliding objects may have conservation problem.

이 모델사용 시 두 충돌 물체중의 하나는 결합운동을 하여야 하고 다른 물체는 결합 또는 지정 운동 또는 정지하고 있을 수 있다. 결합운동은 6자유도 운동일 수 있다(이동, 고정축 또는 고정점 회전). 다른 구속 운동(즉, 한 방향에서는 결합 운동이지만 다른 방향에서는 지정 운동)에서 이 모델은 유효하지 않고 충돌물체의 역학에너지는 보존문제가 발생할는지도 모른다.

  • The model works with and without existence of fluid in the computational domain. It is required, however, that the contact point for a collision be within the computational domain, whereas the colliding bodies can be partially outside the domain at the moment of the collision. If two objects are completely outside the domain, their collision is not detected although their motions are still tracked.

이 모델은 계산 영역 내 유체의 존재 유무에 상관없이 작동한다. 그러나 충돌 시 접촉점은 계산 영역 내에 존재해야 하나 충돌체는 충돌 시 부분적으로 영역외부에 있어도 된다. 두 물체가 완전히 영역 외부에 있으면 이들의 운동은 그래도 추적되지만 충돌은 감지되지 못한다.

  • Collisions are not calculated between a baffle and a moving object: they can overlap when they contact.

이동물체와 배플간의 충돌은 계산되지 않는다: 이들이 접촉하면 중첩될 수 있다.

The model does not calculate impact force and collision time. Instead, it calculates impulse that is the product of the two quantities. Therefore, there is no output of impact force and collision time.

이 모델은 충격 힘과 충돌시간은 계산하지 않는다. 대신에 두 양의 곱인 impulse 를계산한다. 그러므로 충격 힘과 충돌시간에 대한 출력이 없다.

PQ2 Analysis PQ2 해석

PQ2 analysis is important for high pressure die casting. The goal of the PQ2 analysis is to optimally match the die’s designed gating system to the part requirements and the machine’s capability. PQ2 diagram is the basic tool used for PQ2 analysis.

PQ2 해석은 고압주조에서 중요하다. 이 해석의 목적은 부품 요건 및 기계의 용량에 따른 다이의 설계된 게이트 시스템을 최적화시키기 위한 것이다. PQ2 도표는 PQ2해석을 위한 기본 도구이다.

According to the Bernoulli’s equation, the metal pressure at the gate is proportional to the flow rate squared:

베르누이 정리에 의하면 게이트에서의 금속압력은 유량의 제곱에 비례한다.

P Q2                                                                                     (11.5)

where: 여기서

  • P is the metal pressure at the gate, and P 는 게이트에서의 압력이며
  • Q is the metal flow rate at the gate. Q 는 게이트에서의 유량이다.
  • The machine performance line follows the same relationship. 기계성능 곡선도 같은 관계를 따른다.

Based on the die resistance, machine performance, and the part requirements, an operating windows can be determined from the PQ2 diagram, as shown below. The die and the machine has to operate within the operating windows.

다이 저항, 기계성능, 그리고 부품 요건에 따라 운영범위가 밑에 보여진 바와 같이 PQ2 도표에서 결정될 수 있다. 다이와 기계는 운영범위 내에서 작동되어야 한다.

Model Setup모델설정

PQ2 analysis can only be performed on moving object with prescribed motion. The PQ2 analysis can be activated in Meshing & Geometry Component Properties Moving Object. PQ2 analysis can only be performed on one component.

PQ2해석은 단지 지정운동을 하는 이동체에서만 실행될 수 있다. 이는 Meshing & Geometry Component Properties Moving Object 에서 활성화된다. 또 이는 단지 한 개의 구성요소에 대해서만 실행될 수 있다.

The parameters Maximum pressure and Maximum flow rate define the machine performance line.

매개변수 Maximum pressure Maximum flow rate 는 기계성능 곡선을 정의한다.

During the design stage, the process parameters specified might not optimal, such that the resulting pressure is beyond the machine capability. If this happens, the option Adjust velocity can be selected so that the piston velocity is automatically adjusted to match the machine capability. If Adjust velocity is selected, at every time step the pressure at the piston head will be compared with the machine performance pressure to see if it is beyond the machine capability. If it is beyond the machine capability, the flow rate is then reduced to match the machine capability. The reduction is instantaneous and no machine inertia is considered. Once the pressure drops below the machine performance line, the piston will then accelerate to the prescribed velocity. The acceleration has to be less than the machine Maximum acceleration specified.

설계시에 초래된 압력이 기계 성능 이상으로 되는 것같이 지정된 공정 변수들이 최적화가 되지 않았을지도 모른다.  이런 경우에 Adjust velocity 를 선택할 수 가 있고 피스톤속도는 기계성능에 맞게끔 자동적으로 조절될 수 있다. 만약 Adjust velocity 가 선택되면 매 시간단계에서 피스톤헤드의 압력이 기계 성능 이상인지를 알기 위해 기계성능 압력과 비교될 것이다. 압력이 기계 성능 이상이라면 유량은 기계성능을 맞추기 위해 감소될 것이다. 감소는 순간적으로 이루어지고 기계의 관성은 고려되지 않는다. 일단 압력이 성능 이하로 줄어들면 피스톤은 지정속도로 가속할 것이다. 가속도는 기계의 지정된 Maximum acceleration 보다 작아야 할 것이다. .

 

If Adjust velocity is selected, the machine parameters Maximum pressure and Maximum flow rate have to be provided. The Maximum acceleration is also required, however, it is by default to be infinite if not provided.

Adjust velocity 가 선택되면 기계시스템 변수 Maximum pressure Maximum flow rate 가 주어져야 한다. 또한 Maximum acceleration 가 필요하나 주어지지 않으면 디폴트 값은0이다.

 

For high pressure die casting, the fast shot stage is very short. But it is this stage that is of interest. The pressure and flow rate are written as general history data. The data output interval has to be very small to capture all the features in this stage. To reduce FLSGRF file size, only when flow rate reaches Minimum flow rate, the history data output interval is reduced to every two time steps. If Minimum flow rate is not provided, it is default to 1/3 of the Maximum flow rate. Note that the only purpose of Minimum flow rate is to change the history data output frequency.

고압주조에서 고속충진단계는 아주 짧은데 우리는 이 단계에 관심이 있다. 압력과 유량은 일반 이력 데이터로 기록된다. 데이터출력 간격은 이 단계에서의 모든 양상을 보기 위해 아주 작아야 한다. FLSGRF 파일 크기를 줄이기 위해 유량이 Minimum flow rate 에 도달했을 때만 이력데이터 출력 간격은 두 시간 간격에 한번으로 감소된다. Minimum flow rate 가 주어지지 않으면 Maximum flow rate 의 1/3이 디폴트값이다. 단지, Minimum flow rate 를 사용하는 목적은 이력 데이터 출력 간격을 변경하는 것임에 주목한다.

 

Due to the limitation of the FAVORTM, the piston head area computed may fluctuate as piston pushing through the shot sleeve. As a result, the metal flow rate computed may also fluctuate. To reduce the fluctuation, Shot sleeve diameter is recommended to be provided, so that it can be used to correct the metal flow rate. If only half of the domain is modeled, the diameter needs to be scaled to reflect the real cross section area in the simulation.

FAVORTM 제약에 따라 계산된 피스톤헤드 면적은 피스톤이 shot sleeve 를 통해 움직일 때 변할 수 있다. 결과적으로 계산된 액체금속 유량이 변할 수 있다. 이를 줄이기 위해 Shot sleeve diameter 를 주는 것이 필요하고, 이로부터 액체금속 유량을 정정할 수 있다.  만약에 단지 영역의 반만 모델이 되면 직경은 모사(simulate)시에 실제 단면적을 나타내기 위해 비례되어야 한다.

Postprocessing 후처리

If PQ2 analysis is chosen, the pressure, flow rate, and prescribed velocity of the specified moving object will be written to FLSGRF file as General history data. If Adjust velocity is selected, the adjusted velocity will also be written as General history data. In addition, the PQ2 diagram can be drawn directly from the history data in FlowSight.

PQ2해석이 선택되면 압력, 유량 그리고 특정 이동체의 지정속도가 General history 데이터로 FLSGRF 파일에 쓰여질 것이다. Adjust velocity 가 선택되면 조절된 속도 또한 General history 데이터로 쓰여질 것이다. 추가로 PQ2 도표는 직접 Flow Sight에서 이력데이터로 그려질 수 있다.

Elastic Springs & Ropes 탄성 스프링과 로프

The GMO model allows existence of elastic springs (linear and torsion springs) and ropes which exert forces or torques on objects under coupled motion. Users can define up to 100 springs and ropes in one simulation, and each moving object can be arbitrarily connected to multiple springs and ropes. For a linear spring, the elastic restoring force Fe is along the length of the spring and satisfies Hooke’s law of elasticity,

GMO 모델은 결합운동하는 물체에 힘과 토크를 미치는 탄성스프링(선형과 비틀림 스프링)과 로프로 이용될 수 있다. 사용자는 한 모사(simulate)에서 100개까지의 스프링과 로프를 정의할 수 있고 각 이동체는 임의로 다수의 스프링과 로프에 연결될 수 있다. 선형 스프링에서 탄성회복력 Fe 는 스프링의 길이 방향을 따라서 작용하며 Hooke 의 탄성법을 만족한다.

Fe = kl l

where: 여기서

  • kl is the spring coefficient,

kl 는스프링상수

  • l is the spring’s length change from its free condition,

l 는 스프링의 길이 변화량

  • Fe is a pressure force when the spring is compressed, and a tension force when stretched.

Fe 는 스프링이 압축되었을 때는 압축힘이며 늘어났을 때는 인장력이다.

An elastic rope also obeys Hooke’s law. It generates tension force only if stretched, but when compressed it is relaxed and the restoring force vanishes as would be the case of a slack rope.

탄성 로프 또한 Hooke 의 탄성법칙을 따른다. 단지 인장의 경우에만 인장력을   발생시키나 압축의 경우 느슨한 로프의 경우에서와 같이 느슨해지고 복원력은 사라진다.

A torsion spring produces a restoring torque T on a moving object with fixed-axis when the spring is twisted, following the angular form of Hooke’s law,

비틀림 스프링은 스프링이 비틀렸을 때 의 각 형태의 Hooke 법칙을 따라 고정 회전축을 갖는 이동체에 복원 토크 T 를 일으킨다.

Te = kθ θ

where: 여기서

  • kθ is the spring coefficient in the unit of [torque]/degree, and

kθ  [torque]/degree 는 단위의 스프링상수 그리고

  • θ is the angular deformation of the spring.

θ 는 스프링의 각변형

  • It is assumed that there is no elastic limit for the springs and ropes, namely Hooke’s law always holds no matter how big the deformation is.

스프링과 로프에는 탄성한계가 없다고 가정된다. 즉 아무리 스프링과 로프의 변형이 커도 Hooke 의 법칙이 작용한다고 가정된다.

A linear damping force associated with a spring/rope and a damping torque associated with a torsion spring may also be defined. The damping force Fd is exerted on the moving object at the attachment point of the spring/rope. Its line of action is along the spring/rope, and its value is proportional to the time rate of the spring/rope length,

스프링/로프에서의 선형 감쇠력 그리고 비틀림 스프링에서의 감쇠토크가 또한 정의된다. 감쇠력 Fd 는 스프링/로프의 부착점이 있는 이동체에 작용한다. 이의 작용선은 스프링/로프를 따라서이며 그 값은 스프링/로프 길이의 시간당 변화율에 비례한다.

dl

Fd = −cl

dt

Note the damping force for a rope vanishes when the rope is relaxed.

로프의 감쇠력은 로프가 느슨해질 때 없어진다.

The damping torque Td can only be applied on an object with a fixed-axis rotation. Its direction is opposite to the angular velocity, and its value is proportional to the angular velocity value,

감쇠 토크 Td 는 단지 고정축 회전을 하는 물체에만 적용된다. 그 방향은 각속도에 반대방향이고 값은 각속도 값에 비례한다.

Td = −cdω

where ω (in rad/time) is the angular velocity of the moving object.

여기서 ω (in rad/time) 는 이동체의 각속도이다.

 

In this model, a linear spring or rope can have one end attached to a moving object under coupled motion and the other end fixed in space or attached to another moving object under either prescribed or coupled motion. A torsion spring, however, must have one end attached to an object under coupled fixed-axis motion and the other end fixed in space. It is assumed that the rotation axis of the object and the axis of the torsion spring are the same. As a result, the torque applied by the spring on the object is around the object’s rotation axis, and the deformation angle of the spring is equal to the angular displacement of the object from where the spring is in free condition.

이 모델에서 선형 스프링 또는 로프는 한쪽 끝은 결합 운동하는 물체에 그리고 다른 끝은 공간에 고정되어 있거나 지정 또는 결합 운동을 하는 다른 이동체에 연결될 수 있다. 그러나 비틀림 스프링은 한 끝은 결합된 운동을 하는 물체에, 그리고 다른 한끝은 공간에 고정되어 있어야 한다. 물체의 회전축 및 비틀림 스프링의 축은 같다고 가정된다. 결과적으로 물체에 스프링에 의해 가해진 토크는 물체의 회전축둘레로 작용하며 스프링의 각 변형은 스프링의 자유위치로부터의 각변위와 같다.

 

A linear spring has a block length due to the thickness of the spring coil. It is the length of the spring at which the spring’s compression motion is blocked by its coil and cannot be compressed any further. This model allows for three types of linear springs:

선형스프링은 스프링 코일의 두께에 의한 차단 거리가 있다. 이는 스프링의 압축 운동이 그 코일에 의해 방해되어 더 이상 압축될 수 없는 스프링의 길이이다. 이 모델은 3가지의 선형 스프링을 고려할 수 있다.

  • Compression and extension spring: a spring that can be both compressed and extended. Its block length, by default, is 10% of its free length (the length of the spring in the force-free condition).

압축 및 확장스프링: 압축되거나 확장될 수 있는 스프링이며 이의 차단거리는 디폴트로 자유길이(힘을 받지 않을 때의 스프링의 길이) 의 10%이다

  • Extension spring: a spring that can only be extended. Its block length is always equal to its free length.

확장스프링: 확장될 수 있는 스프링이며 차단거리는 항상 자유 길이와 같다.

  • Compression spring: a spring that applies force only when it is compressed. When it is stretched, the force on the connected object vanishes. Its default block length is 10% of its free length.

압축스프링: 단지 압축되었을 경우에만 힘이 작용한다.  늘어날 경우 연결된 물체에 힘은 없고, 이의 디폴트 길이는 자유 길이의 10%이다.

To define a spring or rope, go to Model Setup Meshing Geometry. Click on the spring icon to bring up the Springs and Ropes window. Right click on Springs and Ropes to add a spring or rope. In the combo box for Type, select the type for the spring or rope.

스프링이나 로프를 정의하기 위해 Model Setup Meshing Geometry 로 가서 Springs and Ropes 창을 불러오기 위해 스프링 아이콘을 클릭한다. 스프링이나 로프를 추가하기 위해 Springs and Ropes 를 오른쪽 클릭한다. Type 을위한 combo 상자에서 스프링이나 로프를 선택한다.

  • Linear spring and rope: Click to open the branches for End 1 and End 2 which represent the initial coordinates of the ends of the spring/rope. In each branch, go to Component # and select the index of the moving object which the spring end is connected to. If the end is not connected to any moving component, i.e., is fixed in space, select None. In the X, Y and Z edit boxes, enter the initial coordinates of the spring’s end. Each end can be placed anywhere inside or outside the moving object and the computational domain. Enter Free Length (the length of the spring/rope in the force-free condition), Block Length, Spring Coefficient (required) and Damping Coefficient (default is 0.0). Note that the Block Length is deactivated for rope and extension spring because the former has no block length while the latter always has its block length equal to its free length. By default, the free length is set equal to the initial distance between the two ends.

선형 스프링과 로프: 스프링/로프의 양쪽 끝의 초기좌표를 나타내는 End 1 End 2 를 위한 branches를 열기 위해 클릭한다. 각 branch 에서 Component #로 가서 스프링의 끝이 연결되어 있는 이동체의 색인을 설정한다. 끝이 어떤 이동체에 연결되어 있지 않다면, 즉 공간에 고정되어 있다면 None 을 선택한다. X, Y Z 편집상자에서 스프링 끝의 초기좌표를 입력한다. 각 끝은 이동체나 계산 영역의 내, 외부 어디에도 놓여질 수 있다.

Free Length (힘이없는상태에서의 스프링/로프의 길이), Block Length, Spring Coefficient (필요함) 그리고 Damping Coefficient (디폴트는0.0)를 입력한다. 로프와 인장스프링에서는 Block Length 가 비 활성화됨을 주목하는데 그 이유는 전자는 Block Length 가 없고 후자는 항상 자유 길이와 같은 Block Length 를 가지기 때문이다.

디폴트로 자유길이는 양쪽 끝 사이의 초기길이와 같게 설정된다.

  • Torsion spring: End 1 represents the spring’s end that is attached to a moving object under fixed-axis rotation, and End 2 the end fixed in space. Click to open the branch for End 1. In the combo box for Component #, select the index of the moving object which End 1 is attached to. Then enter Spring Coefficient (required, in unit of [torque]/degree) and Damping Coefficient (default is 0.0). Finally enter the Initial Torque in the input box. The initial torque is the torque of the spring applied on the moving object at t = 0. It is positive if it is in the positive direction of the coordinate axis which the rotation axis of the moving object is parallel to.

비틀림 스프링: End 1은 고정축 회전을 하는 이동체에 연결된 스프링의 끝을 나타내고 End 2는 공간에 고정된 끝을 나타낸다. End 1의 branch 를 열기 위해 클릭한다. Component #를위한 combo 상자에서 End 1 이 연결된 이동체의 색인을 선택한다. 그런 후에 Spring Coefficient ([torque]/degree의 단위로 필요) 와 Damping Coefficient (디폴트는0.0)를 입력한다.

마지막으로 입력 상자에서 Initial Torque 를 넣는다. 초기토크는 t = 0일 때 이동체에 적용된 스프링의 토크이다. 이동체의 회전축이 평행한 좌표축의 양의 방향이면 양의 값이다.

After the simulation is complete, users can display the calculated deformation and force (or torque) of each spring and rope as functions of time. Go to Analyze Probe Data source and check General history. In the variable list under Data variables, find the Spring/rope index followed by spring/rope length extension from free state, spring/rope force and/or spring torque. Then check Output form Text or Graphical and click Render to display the data. Positive/negative values of spring force and length extension mean the linear spring or rope is stretched/compressed relative to its free state and the restoring force is a tension/pressure force. Positive/negative values of the torque of a torsion spring means its deformation angle (a vector) measured from its free state is in the negative/positive direction of the coordinate axis which its axis is parallel to.

모사(simulate)가 끝난 후에 사용자는 시간의 함수로 각 스프링의 계산된 변형과 힘(토크)를 나타낼 수 있다. Analyze Probe Data source 로가서 General history 를 체크한다. Data variables 에 있는 변수 목록에서 spring/rope length extension from free state, spring/rope force 과/또는 spring torque 로 이어지는 스프링/로프의 색인을 찾는다. 그리고 Output form Text 또는 Graphical 를 체크하고 데이터를 나타내기 위해 Render 를 클릭한다.

스프링 힘과 인장길이의 양/음의 값은 선 스프링과 로프가 자유상태에 대해 상대적으로 늘어나거나 압축된 것을 뜻한다. 비틀림스프링 토크의 양/음의값은 축에 평행한 좌표 축의 양/음의 방향에 대해 측정된 변형각(벡터)을 뜻한다.

 

It is noted that the spring/rope calculation is explicitly coupled with GMO motion calculation. If a numerical instability occurs it is recommended that users activate the implicit GMO model, define limited compressibility of fluid, or decrease time step.

스프링/로프 계산은 GMO 운동계산과 외재적으로 결합되어 있음에 주목한다. 수치 불안정성이 발생하면 사용자는 내재적 GMO모델을 활성화하고 유체의 제한적 압축성을 정의하던가 또는 시간간격을 줄이는 것을 추천한다.

Mooring Lines 계류선

The mooring line model allows moving objects with prescribed or coupled motion to be connected to fixed anchors or other moving or non-moving objects via compliant mooring lines. Multiple mooring lines are allowed in one simulation, and their connections to the moving objects are arbitrary. The mooring lines can be taut or slack and may fully or partially rest on sea/river floor. The model considers gravity, buoyancy, fluid drag and tension force on the mooring lines. The mooring lines are assumed to be cylinders with uniform diameter and material distributions, and each line can have its own length, diameter, mass density and other physical properties. The model numerically calculates the full 3D dynamics of the mooring lines and their dynamic interactions with the tethered moving objects.

계류선 모델링은 유연한 계류선을 이용하여 지정 또는 결합운동을 하는 이동체가 고정 닻 또는 다른 이동 또는 고정물체에 연결되는 것을 가능하게 해준다. 다수의 계류선도 한 모사(simulate)내에서 가능하며 이들의 이동체에의 연결은 인위적이다.

계류선은 팽팽하거나 느슨할 수 있고 전체 또는 부분이 해저나 하상에 위치할 수 있다. 이 모델은 계류선에 작용하는 중력, 부력, 유체저항 및 인장력을 고려할 수 있다. 계류선은 일정직경과 균일분포의 원통형으로 가정되고 각 선은 각 길이, 직경, 밀도 및 기타 물리적 물성을 가질 수 있다. 이 모델은 수치적으로 3차원계류선 운동 및 선에 의해 묶여진 이동체와의 동적 상호작용을 계산한다.

 

The model allows the mooring lines to be partially or completely outside the computational domain. When a line is anchored deep in water, depending on the vertical size of the domain, the lower part of the line can be located below the domain bottom where there is no computation of fluid flow. In this case, it is assumed that uniform water current exists below the domain for that part of mooring line, and the corresponding drag force is evaluated based on the uniform deep water velocity. Limitations exist for the model. It does not consider bending stiffness of mooring lines. Interactions between mooring lines are ignored. When simulating mooring line networks, free nodes are not allowed.

이 모델은 계류선이 계산 영역의 완전히 또는 부분적으로 외부에 위치하게 할 수 있다. 계류선은 영역의 심해에 앵커되어 있을 때 수직(세로)크기에 따라 선의 하부는 유동 계산이 없는 영역 바닥에 위치할 수 있다. 이 경우 계류선의 하부가 있는 영역하부에는 균일한 유속이 존재한다고 가정되고 이에 상응하는 유속저항은 균일한 심해유속에 근거하여 계산된다.

이모델은 제약이 있는데 선의 굽힘 강도는 고려하지 않는다. 선간의 상호작용도 무시된다. 선간의 관계를 모사(simulate)활 때 자유접속점은 허용되지 않는다.

 

To define a mooring line, go to Model Setup Meshing & Geometry. Click on the spring icon to bring up the Springs, Ropes and Mooring Lines window. Right click on Springs / Ropes / Mooring Lines to add a mooring line. Click on Mooring Lines Deep Water Velocity and enter x, y and z components of the deep water velocity (default value is zero). Click on Mooring Line # and enter the physical and numerical properties of the mooring line.

계류선을 정의하기위해 Model Setup Meshing & Geometry 로간다. Springs, Ropes and Mooring Lines 창을 불러오기 위해 스프링 아이콘을 클릭한다. 계류선을 추가하기위해 Springs / Ropes / Mooring Lines 에서 오른쪽 클릭을 하고 Mooring Lines Deep Water Velocity 를클릭해서 심해속도의 x, y 및 z 성분을 입력한다(디폴트는0이다). Mooring Line # 를 클릭하고 선의 물리적 및 수치적 물성들을 입력한다.

 

Free Surface Fluid Flow

본 자료는 국내 사용자들의 편의를 위해 원문 번역을 해서 제공하기 때문에 일부 오역이 있을 수 있어서 원문과 함께 수록합니다. 자료를 이용하실 때 참고하시기 바랍니다.

Free Surface Fluid Flow

Fluid flow problems often involve free surfaces in complex geometry and in many cases are highly transient. Examples in hydraulics are flows over spillways, in rivers, around bridge pilings, flood overflows, flows in sluices, locks, and a host of other structures. A capability to computationally model these types of flows is attractive if such computations can be done accurately and with reasonable computational resources. To be useful, simulations should be much faster and less expensive than using physical models.

자유 표면 유체 흐름

유체 흐름 문제는 복잡한 기하학적 구조의 자유 표면과 관련되는 경우가 많으며 대부분 매우 일시적입니다. 수력학의 예로는 배수로, 강, 교각 주변, 홍수 범람, 수문, 잠금 장치 및 다수의 기타 구조물의 흐름이 있습니다. 이러한 유형의 흐름을 계산적으로 모델링 하는 능력은 이러한 계산이 정확하고 합리적인 계산 자원으로 수행될 수 있다면 매력적입니다. 유용하게 사용하려면 시뮬레이션은 물리적 모델을 사용하는 것보다 훨씬 빠르고 저렴해야 합니다.

Many computer programs can solve the partial differential equations describing the dynamics of fluids. Not many programs are capable of including free surfaces in their simulations. The difficulty is a classical mathematical one often referred to as the free-boundary problem. A free boundary poses the difficulty that on the one hand the solution region changes when its surface moves, and on the other hand, the motion of the surface is in turn determined by the solution. Changes in the solution region include not only changes in size and shape, but in some cases, may also include the coalescence and break up of regions (i.e., the loss and gain of free surfaces).

많은 컴퓨터 프로그램은 유체의 역학을 설명하는 편미분 방정식을 풀 수 있습니다. 시뮬레이션에 자유 표면을 포함 할 수있는 프로그램은 많지 않습니다.  그 이유는 Free Surface 경계 문제로 잘 알려진 수학적인 문제입니다.  자유 경계 문제는 다루기 어려운 표면이 이동함에 따라 계산 영역이 변화하는 한편, 그 표면 이동 자체가 계산에 의해 결정된다는 점에 있습니다.  계산 영역의 변화는 그 크기와 모양의 변화뿐만 아니라, 경우에 따라서는 영역의 결합과 분리(즉, 자유 표면의 발생과 소멸)을 포함합니다.

In this note a computational modeling technique for fluid flows with arbitrary free surfaces is discussed. The technique is based on the Volume-of-Fluid (VOF) technique. This technique has many unique properties that make it especially applicable to flows having free surfaces. The goal of this discussion is to show why the VOF approach offers a natural way to capture free surfaces and their evolution with great efficiency.

이 책에서는 모든 자유 표면을 고려한 유체흐름 현상을 수치 해석용으로 모델링하는 방법에 대해 설명합니다.  이 기술은 VOF (Volume-of-Fluid) 법에 근거한 것으로, 특히 자유 표면 흐름에 적합한 다양한 기능을 제공합니다.  이 책에서는 VOF 법이 자유 표면과 그 발생과 소멸을 해석하는데 가장 자연스럽고 매우 효율적인 방법을 제시합니다.

A good recommendation for the VOF method is to demonstrate its capabilities on a simple hydraulic flow problem, one that is far from trivial. The example selected is of flow over a step. This flow has conceptual simplicity and good experimental data available for validation (see N. Rajaratnam and M.R. Chamani, “Energy Loss at Drops,” J. Hydraulic Res. Vol. 33, p.373, 1995).

VOF 법의 특징을 잘 보여주기 위해 간단하지만 매우 중요한 유동 현상에 관한 문제를 다룹니다.  여기에서는 계단 낙차형상의 낙하류를 예로 들어 있습니다.  개념적으로 간단한 흐름인 동시에 결과의 타당성을 확인하기위한 좋은 실험 데이터도 제공되어 있습니다 (N. Rajaratnam and MR Chamani “Energy Loss at Drops”J. Hydraulic Res. Vol. 33 p.373,1995 참조).

Prototype Hydraulic Flow with Free Surfaces

Figure 1a shows the flow problem after it has reached a steady-state condition. The overflow (sheet of liquid or nappe) leaving the top of the step has both an upper and lower free surface. At the bottom of the overflow a pool has formed between the overflow and the face of the step, while downstream, liquid is flowing to the right with a flat, steady surface. Strictly speaking, the flow conditions in the pool region are not steady because turbulent mixing is generated in the pool by the impinging fluid. There is, however, an average configuration and that is what is reported in the experiments.

자유 표면을포함한 유동 현상의 프로토타입

그림 1a는 정상 상태에 도달 한 후 흐름의 문제를 보여줍니다.  계단 낙차형상 상부로부터의 월류(액체 또는 스냅 시트)에는 상하 모두의 자유 표면이 있습니다.  월류의 아래쪽에는 월류와 계단 가공면 사이에 웅덩이가 형성되어 있으며, 하류에서는 액체는 평평한 정상 표면에서 오른쪽으로 흐르고 있습니다.  엄밀히 말하면, 웅덩이 영역의 흐름 상태는 정상입니다.  이것은 충돌하는 액체에 의해 풀에 난류 혼합이 발생하고 있기 때문입니다.  그러나 평균적인 구성이 존재하고 그것은 실험에서도 보고됩니다.

For all practical purposes the flow is two-dimensional, that is, it does not have any significant variation in the direction normal to the illustration in Fig. 1a. In actuality, to have an air space above the pool there must be some opening to the atmosphere otherwise it would close up.

실용 목적은 흐름은 항상 2 차원입니다.  즉, 그림 1a에서 수직 방향에서는 큰 변화는 없습니다.  현실에서는 웅덩이 위쪽으로 공간을 만들기 위해서는 대기에 여유공간이 필요하고, 그게 없으면 닫힐 것입니다.

The flow speed at the top of the step is critical, that is, it has a speed equal to or greater than the speed of surface waves, so that no disturbances from downstream can penetrate through this region to affect flow upstream (to the left of the step), which is why the flow is exceptionally smooth and steady in that region.

계단 낙차형상 상단의 유속은 중요합니다.  즉, 이것은 표면파와 같거나 그 이상의 속도이기 때문에 하류에서의 교란이 영역을 관통하고 상류 흐름 (계단 낙차형상의 왼쪽)에 영향을 줄 수 없습니다.  따라서 이 영역에서의 흐름은 예외적으로 원활하고 정상입니다.

There are many geometric features in this problem that can be compared with a numerical simulation; such as flow heights before and after the step, the angle of the overflow stream when it strikes the bottom and the depth of the pool formed under the overflow. Additionally, an important comparison for practical applications is the amount of energy (i.e., kinetic plus potential) lost by the flow in passing over the step.

이 문제는 수치 시뮬레이션과 비교할 수 있는 기하 형상 기능이 많이 있습니다.  예를 들어, 계단 낙차형상의 전후 흐름의 높이, 월류가 바닥에 충돌 할 때의 각도, 월류 아래에 형성되는 웅덩이의 깊이 등입니다.  또한 실용화를 위한 중요한 비교 항목으로는, 계단 낙차형상을 통해 떨어지는 낙하 류에 의해 손실되는 에너지의 양 (운동 에너지와 위치 에너지의 합)가 있습니다.

Simulation of Prototype Problem

Figure 1a is from a simulation. For this example all of the geometric and material properties used in the experiments were used in the simulation. The height of the step used in the laboratory test is 62cm and the fluid is ordinary water (density=1.0 gm/cc and dynamic viscosity=0.01dynes/cm). The depth of water entering the computational region was 15.5cm and was given a near critical velocity of 123.0cm/s. Of course, gravity was in the vertical direction with magnitude g=-980cm/s^2.

프로토 타입 문제의 시뮬레이션

그림 1a는 시뮬레이션의 결과입니다.  이 예에서는 실험에 사용된 모든 기하 형상 및 물질의 특성이 시뮬레이션에 사용되었습니다.  실험실 테스트에서 사용한 계단 낙차형상의 높이가 62cm에서 액체는 보통의 물 (밀도 = 1.0gm / cc 어떻게 점성 = 0.01dynes / cm)입니다.  계산 영역에 들어가는 물의 깊이는 15.5cm에서 속도가 임계에 가까운 123.0cm/s 였습니다.  물론, 중력은 수직 방향으로 크기는 g = -980cm / s^2입니다.

 

Figure 1a. Simulation of flow over a step.
Figure 1b. Grid used in simulation.

Because some turbulence was expected to develop in the pool to the left of the overflow, a turbulence model (the Renormalization Group or RNG model) was used in the simulation. Subsequent simulations without a turbulence model produced very similar results, which is not too surprising since most of the important elements of the flow are smooth (i.e., non-turbulent) inflow, overflow and outflow streams.

월류 왼쪽에 있는 웅덩이에 난류가 발생 할 것으로 예상 되었기 때문에, 시뮬레이션에서는 난류 모델 (the Renormalization Group, 즉 RNG 모델)을 사용했습니다.  그 후, 난류 모델을 사용하지 않고 한 시뮬레이션에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있었지만, 이것은 그다지 놀라운 일이 아닙니다.  흐름의 중요한 요소의 대부분은 매끄러운 (즉 난류가 아닌) 유입, 유출, 월류 때문입니다.

The simulation region shown in Fig. 1b is 170cm wide and 100cm high and has been subdivided into a grid of equal sized rectangular cells consisting of 80 cells in the horizontal direction and 60 cells in the vertical direction, for a total of 4800 cells. This grid is used as the basis for finite-difference approximations of the governing differential equations of fluid dynamics (the Navier-Stokes equations). The number and size of the grid cells was chosen with the goal of capturing the smallest expected features of the flow. The number can be easily increased or decreased if the results seem to warrant some adjustment. In fact, it is often a good idea to repeat a simulation with a change of resolution to make sure that the solution is not too sensitive to such changes.

그림 1b 시뮬레이션 영역은 폭 170cm, 높이 100cm에 가로 80 개, 세로 60 개, 총 4800 개의 셀로 구성되는 같은 크기의 사각형 셀의 격자로 세분화되어 있습니다.  이 격자는 유체 역학의 지배 미분 방정식 (나비에 – 스토크스 방정식)의 유한 차분 근사의 기초로 사용됩니다.  격자 셀의 수와 크기는 흐름 속에서 예측되는 최소의 특성을 파악하는 목적으로 선택되었습니다.  결과를보고 어떤 조정이 필요하다고 생각되는 경우는 숫자를 쉽게 늘리거나 줄일 수 있습니다.  사실, 해상도를 바꾸어 시뮬레이션을 반복하여 계산이 그러한 변화에 영향을 많이 들어 있지 않은지 확인하는 것이 좋습니다.

The left boundary was a specified velocity boundary (also with a specified fluid height). The right boundary was an outflow boundary where all flow quantities have a zero gradient normal to the boundary to encourage a uniform outflow. The top and bottom boundaries are rigid walls, while in the third direction the boundaries were treated as planes of symmetry (i.e., walls with zero viscous drag). The surface of the step was also treated as a free-slip boundary.

왼쪽의 경계는 지정된 속도 경계입니다 (유체의 높이도 지정).  오른쪽의 경계는 유출 경계에서 모든 유량이 경계에 수직 제로 기울기이며, 균일 한 유출이 촉진됩니다.  상하 경계는 단단한 벽으로 세 번째 방향의 경계는 대칭면 (점성 저항 제로의 벽)으로 처리되었습니다.  계단 낙차형상의 표면도 자유-미끄럼(free slip) 경계로 처리되었습니다.

Initial conditions could have been set to roughly approximate the expected flow arrangement, but since the flow configuration is one of the things that one would like to compute, especially for situations where one doesn’t know what the distribution of fluid is likely to be, a simpler approach is needed. Because a transient flow simulator was used for this example a simple initial condition could be defined that consisted of just a block of fluid on top of the step, Fig. 1a with the same horizontal velocity and height assigned to the left boundary. The simulation then followed the development of the steady flow, which occurs after about 8.0s. The simulation was run out to a time of 10.0s to assure that steady conditions had been reached. Figure 2 shows two intermediate times; 2.b at 0.2s and 2.c at 0.5s plus the final time in 2.d at 10.0s.

초기 조건은 예측되는 흐름의 배열을 대략적으로 근사하도록 설정할 수 있었지만, 흐름의 구성은 계산하고 싶은 것 중 하나이기 때문에 유체가 어떻게 분포되는지를 모르는 경우에는 간단한 방법이 필요합니다.  이 예제에서는 비정상 흐름 시뮬레이터를 사용했기 때문에 그림 1a의 계단 낙차형상에 유체의 블록만 있고 왼쪽 경계의 같은 수평 속도와 높이가 할당된 간단한 초기 조건을 정의할 수 있습니다.  시뮬레이션은 이후 정상 흐름으로 발전하고 있지만, 이것은 약 8.0 초 후에 발생합니다.  시뮬레이션은 정상 상태에 도달 한 것을 보장하기 위해, 10.0 초의 시간까지 실행되었습니다.  그림 2는 중간 시간을 두 보여줍니다.  도 2b는 0.2 초, 그림 2c는 0.5 초 시점에서 그림 2d는 마지막 10.0 초 시점을 보여줍니다.

 

Figures 2a-2d. Simulation times of 0.0, 0.2, 0.5 and 10.0s.

It should be noted that what starts as a single, connected free surface changes to two independent free surfaces (upper and lower nappe surfaces) after the fluid strikes the bottom. No difficulties are experienced with this separation of the flow into portions flowing to the left and right of the impact point on the bottom boundary. This will be discussed at further length in the next section.

처음에는 단일 결합하고 있는 자유 표면이었던 것이 액체가 바닥에 충돌한 후 2 개의 독립적인 자유 표면 (상하 스냅 표면)으로 변화하는 것에 주목하십시오.  아래 경계의 충격점의 좌우로 흐름이 분리되도 문제는 없습니다.  이에 대해서는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

Comparisons between experiment and simulation are given in the following table and are in excellent agreement.

실험과 시뮬레이션의 비교는 다음 표와 같으며 매우 잘 일치하고 있습니다.

Comparison Table Experimental Results Simulation Results
Outflow Height/Step Height 0.094 0.094
Pool Height/Step Height 0.41 0.41
Angle of Nappe at Bottom 57° 59°
Energy Loss/Initial Energy 0.29 0.296

In view of these results it might be expected that a considerable amount of computational time would be required to achieve such accuracy. In fact, the total cpu time on a desktop Pentium 4, 3.20GHz computer was only 88s. Such a short computational time requires explanation and that is the purpose of the following sections.

이러한 결과를 고려하면이 같은 정밀도를 달성하려면 상당한 계산시간이 필요할 것으로 생각될지도 모릅니다.  그러나 실제로는 Pentium 4, 3.20GHz의 데스크톱 컴퓨터의 총 CPU 시간은 단 88 초였습니다. 계산시간이 너무 짧은 것은 설명이 필요하며, 이것은 다음 섹션의 목적입니다.

 

Figures 2a-2d. Simulation times of 0.0, 0.2, 0.5 and 10.0s.

Why the VOF Technique Works Well / VOF 법이 적합한 이유

There are a few general concepts about computational methods and the VOF technique in particular that can be used to gain an understanding of how and why VOF works so efficiently.

VOF 법의 구조와 그것이 매우 효율적인 방법인 이유를 이해하기 위해 다양한 계산법 중에서도 특히 VOF 법에 대한 몇 가지 기본 개념을 나타냅니다.

Basic Theory

All numerical methods must use some simplification to reduce a fluid flow problem to a finite set of numerical values that can then be manipulated using elementary arithmetical operations. A typical procedure for approximating a continuous fluid by a discrete set of numerical values is to subdivide the space occupied by the fluid into a grid consisting of a set of small, often rectangular “bricks.” Within each element an averaging process is applied to obtain representative element values for the fluid’s pressure, density, velocity and temperature.

모든 수치해석 방법에서 흐름의 문제를 단순하게 산술 계산하도록 유한의 수치 세트로 단순화해야합니다.  연속 유체를 이산화된 수치 세트에 근사하기 위해서 일반적으로 사용되는 것이 유체가 차지하는 공간을 격자로 분할하는 방법입니다.  이 격자는 일반적으로 다수의 작은 직사각형의 블록(요소)로 구성됩니다.  이러한 각 요소에 대해 평균화 처리를 실시함으로써 그 요소의 유체의 압력, 밀도, 속도 및 온도의 대표 값을 얻을 수 있습니다.

Simple equations can be devised to approximate how each element’s values interact with neighboring elements over time. For instance, the density of an element can only change when there is a net flow of mass exchanged between an element and its neighbors (i.e., conservation of mass). The material velocity that carries mass between elements is computed from the conservation of momentum principal, usually expressed in the form of the Navier-Stokes equations, which uses the pressures and viscous stresses acting between neighboring elements to approximate the changing fluid velocities in the elements.

간단한 수식을 사용해, 어느 시간에 걸친 각 요소 값과 인접한 요소의 상호 작용을 근사할 수 있습니다.  예를 들어, 요소의 밀도는 그 요소와 인접 요소 사이에서 (질량 보존에 의한) 질량 유량이 교환된 경우에만 변경됩니다.  요소 사이에서 질량이 교환되는 물질의 속도는 운동량 보존 법칙에 의해 계산되며 일반적으로 나비에-스토크스 방정식으로 표현됩니다.  나비에-스토크스 방정식은 인접한 요소 사이에 작용하는 압력과 점성 응력을 이용하여 요소에서 변화하는 유체 속도를 근사합니다.

This idea of an element interacting with its neighbors is essentially what is meant by a partial differential equation; that is, evaluating the effects of small changes caused by the variation in quantities nearby. Partial differential equations are typically derived in engineering text books as the limit of approximations made with small control volumes whose sizes are then reduced to infinitesimal values. In a numerical simulation the same thing is done except that the control volume sizes cannot be taken to the limit because that would require too many elements to keep track of. In practice, the goal is to use enough elements to resolve the phenomena of interest, and no more, so that computing times are kept to a minimum.

이러한 요소와 인접 요소 사이의 상호 작용에 따른 아이디어는 편미분 방정식 근방의 양의 변화에 의해 생기는 작은 변화의 효과를 평가하는 것과 본질적으로 동일합니다.  공학계의 교과서에서 파생된 작은 컨트롤 볼륨을 사용하여 그 크기를 무한대까지 작게 한 근사치의 극한으로 편미분 방정식이 유도됩니다.  수치 시뮬레이션에서도 같은 방식을 취하고 있지만, 요소 수가 너무 많으면 추적이 어렵게  되어 컨트롤 볼륨의 크기를 최대한 작게 만들 수 없습니다.  실제 시뮬레이션 현상을 해결하는데 충분하고 계산 시간을 최소한으로 억제 할 수 있는 요소수를 설정하는 것이 목표입니다.

Arithmetical operations associated with an element generally involve only simple addition, subtraction, multiplication and division. For instance, the change of mass in an element involves the addition and subtraction of mass entering and leaving through the faces of the element over a fixed interval of time. A simulation requires that these operations be done for thousands or even millions of elements as well as repeated for many small time intervals. Computers are ideal for performing these types of repetitive operations very rapidly.

요소에 사용되는 연산은 기본적으로 더하기, 빼기, 곱하기 및 나누기만 포함된 간단한 것입니다.  예를 들어, 요소의 질량의 변화는 일정한 시간 간격에 걸쳐 요소의 측면에서 유입 및 유출된 질량의 가산 및 감산에서 구할 수 있습니다. 그러나 시뮬레이션에서는 이러한 연산을 수천, 때로는 수백만 요소에 대해 매우 짧은 시간 간격에 대해 반복 계산해야합니다.  따라서 이러한 반복 계산의 고속 처리는 컴퓨터가 적합합니다.

Simulating fluid motion with free surfaces introduces the complexity of having to deal with solution regions whose shapes are changing. A convenient way to deal with this is to use the Volume of Fluid (VOF) technique described next.

자유 표면을 수반하는 유체 운동의 시뮬레이션에서는 형상이 변화하는 계산 영역을 다루어야합니다.  이 복잡성에 대응할 수있는 분석 방법이 아래에서 설명하는 VOF 법입니다.

The VOF Concept

The VOF technique is based on the idea of recording in each grid cell the fractional portion of the cell volume that is occupied by liquid. Typically the fractional volume is represented by the quantity F. Because it is a fractional volume, F must have a value between 0.0 and 1.0.

VOF 법은 각 격자 셀의 체적 중 액체가 차지하는 비율, 즉 체적 점유율을 기록한다는 생각에 근거합니다.  일반적으로 부피 점유율은  F로 표시됩니다.  F는 부피 점유율이기 때문에 값이 취할 수있는 범위는 0.0 ~ 1.0입니다.

In interior regions of liquid the value of F would be 1.0, while outside of the liquid, in regions of gas (air for example), the value of F is zero. The location of a free surface is where F changes from 0.0 to 1.0. Thus, any element having an F value lying between 0.0 and 1.0 must contain a surface.

액체 내부의 영역에서는 F 값은 1.0이 액체의 외부, 즉 (공기 등) 기체 영역에서 F 값은 0입니다.  F 값이 0.0과 1.0 사이에서 변화하는 장소가 자유 표면이 존재하는 위치입니다.  즉 0.0보다 크고 1.0보다 작은 F 값을 가지는 요소는 반드시 표면을 가지고 있습니다.

It is important to emphasize that the VOF technique does not directly define a free surface, but rather defines the location of bulk fluid. It is for this reason that fluid regions can coalesce or break up without causing computational difficulties. Free surfaces are simply a consequence of where the fluid volume fraction passes from 1.0 to 0.0. This is a very desirable feature that makes the VOF technique applicable to just about any kind of free surface problem.

여기서 유의해야 할 것은 VOF 법에서 자유 표면을 직접적으로 정의하는 것이 아니라 벌크 유체의 위치를 정의한다는 점입니다.  이렇게하면 계산상의 어려움을 초래하지 않고 유체 영역을 결합 또는 분할 할 수 있습니다.  자유 표면은 단순히 유체의 체적 점유율이 1.0과 0.0 사이에서 변화하는 장소로 정의됩니다.  이것은 자유 표면을 수반하는 거의 모든 문제에 적용 할 수 VOF 법의 뛰어난 특징이기도합니다.

Another important feature of the VOF technique is that it records the location of fluid by assigning a single numerical value (F) to each grid element. This is completely consistent with the recording of all other fluid properties in an element such as pressure and velocity components by their average values.

또한 격자의 각 요소에 단일 수치 (F)를 할당하여 유체의 위치를 기록 할 수 있는 점도 VOF 법의 중요한 특징입니다.  이것은 평균값을 기준으로 압력과 속도 등 다른 모든 유체 물성의 기록과 완전히 일치합니다.

Some Details of the VOF Technique

 

Figure 3. Surface in 1D column of elements.

For accuracy purposes it is desirable to have a way to locate a free surface within an element. Considering the F values in neighboring elements can easily do this. For example, imagine a one-dimensional column of elements in which a portion of the column is filled with liquid, Fig. 3. The liquid surface is in an element in the central region of the column, which will be referred to as the surface element. Because we assume the values of F must be either 0.0 or 1.0, except in the surface element, we can use this to locate the exact position of the surface. First a test is made to see if the surface is a top or bottom surface. If the element above the surface element is empty of liquid, the surface must be a top surface. It the element above is full of liquid then, of course, the surface is a bottom surface. For a top surface we compute its exact location as lying above the bottom edge of the surface element by a distance equal to F times the vertical size of the element. A bottom surface is similarly located a distance equal to F times the vertical size of the element below the top edge of the surface element. Locating the surface within an element in this way follows from the definition of F as a fractional volume of liquid in the element.

정확도를 위해 요소 내에 자유 표면을 배치하는 방법을 갖는 것이 바람직합니다. 인접 요소의 F 값을 고려하면 이를 쉽게 할 수 있습니다.  예를 들어, 열의 일부에 액체가 충전되어있는 1 차원 요소를 상상하십시오 (그림 3).  액체의 표면은 열 중앙 영역의 요소에 있습니다.  이것을 표면 요소라고합니다.  여기에서는 표면 요소를 제외하고 F 값은 0.0 또는 1.0이어야한다고 가정하고 있기 때문에 이를 사용하여 표면의 정확한 위치를 파악할 수 있습니다.  우선, 표면이 표면 또는 바닥을 확인하는 테스트를 실시합니다.  표면요소에 대해 액체가 없을 경우에는 표면으로 간주합니다.  위의 요소에 액체가 들어있는 경우는 물론, 그 표면은 바닥입니다.  윗면에 관해서는 정확한 위치는 표면 요소의 아래쪽에서 위쪽으로 요소의 세로 크기를 F 배 한 거리에있는로 계산합니다.  바닥도 마찬가지로 표면 요소의 상단에서 아래로, 요소의 세로 크기를 F 배 한 거리에 있습니다.  이 방법에 의한 요소의 표면 위치의 특정은 요소 내의 액체의 부피 점유율로 F를 정의한 후에 합니다.

Calculating surface locations in one-dimensional columns is simple, accurate and requires very little arithmetic. In two and three dimensional situations, however, computing a location is a little more complicated because there is a continuous range of surface orientations possible within a surface cell. Nevertheless, dealing with this is not difficult. A two-dimensional example, Fig. 4, will illustrate a simple way to not only compute the location of the surface, but also to get a good idea of its slope and curvature.

1 차원 열의 표면 위치 계산은 간단하고 정확하며 계산이 거의 필요없습니다. 그러나 2 차원 및 3 차원의 경우 하나의 표면 셀에 연속적인 표면 방향이 존재할 가능성이 있기 때문에 위치 계산은 조금 복잡해집니다.  그럼에도 불구하고 이를 취급하는 것은 어렵지 않습니다.  그림 4의 이차원의 예는 표면의 위치를 계산할 뿐만 아니라 경사와 곡률도 이해할 수 있는 쉬운 방법을 보여줍니다.

 

Figure 4. Surface in 2D grid of elements.

As in the one-dimensional case, it is first necessary to find the approximate orientation of the surface by testing the neighboring elements. In Fig. 4 the outward normal would be closest to the upward direction because the difference in neighboring values in that direction is larger than in any other direction. Next, local heights of the surface are computed in element columns that lie in the approximate normal direction. For the two-dimensional case in Fig. 4 these heights are indicated by arrows. Finally, the height in the column containing the surface element gives the location of the surface in that element, while the other two heights can be used to compute the local surface slope and surface curvature.

1 차원의 경우처럼 먼저 인근 요소를 테스트하여 표면의 대략적인 방향을 찾아야합니다.  그림 4는 바깥 쪽의 법선이 상승 방향에 가장 가깝게 됩니다.  이것은 그 방향 밖의 값의 차이가 다른 방향보다 크기 때문입니다.  그럼 거의 수직으로 있는 요소 열에서 표면의 국소적인 높이가 계산됩니다.  그림 4의 2 차원의 경우에는 이러한 높이가 화살표로 표시되어 있습니다.  마지막으로, 표면 요소를 포함하는 컬럼의 높이에 따라 그 요소의 표면의 위치를 확인합니다.  다른 2 개의 높이를 사용하면 국소적인 표면 경사와 표면 곡률을 계산할 수 있습니다.

In three-dimensions the same procedure is used although column heights must be evaluated for nine columns around the surface element. Although a little more computation is needed, it consists primarily of simple summations in the columns and then sums and differences of column heights for evaluating the slope and curvature. Based on this discussion, the reader should now see how the fractional fluid volume can be used to quickly and easily evaluate all the information needed to define free surfaces.

3 차원에서도 동일한 절차를 사용하지만, 표면 요소의 주위에 있는 9개의 열에 대해 열 높이를 요구해야합니다.  필요한 계산은 조금 더 걸리지만, 주된 내용은 열의 간단한 덧셈과 경사와 곡률을 추구하는 열의 높이의 합과 차이가 있습니다.  이 토론을 토대로, 이제 자유 표면을 정의하는 데 필요한 모든 정보를 빠르고 쉽게 평가하기 위해 부분 유체 체적을 사용하는 방법을 알아야합니다.

There are two remaining issues to deal with. One issue is that a simulation like that in Figs. 1 and 2 is only solving for the fluid dynamics in regions where there is fluid. This is another reason for the computational efficiency of the VOF method. The region occupied by fluid in the flow over a step problem is much less than half of the open region in the computational grid. If it were necessary to also solve for the flow of gas surrounding the liquid, then considerably more computational time would be required. In order to perform solutions only in the liquid, however, it is necessary to specify boundary conditions at free surfaces. These conditions are the vanishing of the tangential stress and application of a normal pressure at the surface that equals the pressure of the gas.

다루어야 할 문제가 앞으로 2 개 남아 있습니다.  하나는 그림 1 및 2와 같은 시뮬레이션은 유체가 존재하는 영역에는 유체 역학만으로 해결합니다.  이것은 VOF 법의 계산 효율이 높은 또 하나의 이유입니다.  계단 형상의 낙하류의 문제로 유체가 차지하는 영역은 계산 격자의 오픈 공간의 절반 이하입니다.  액체를 둘러싼 기체의 흐름을 계산할 필요가 있다면 필요한 계산 시간이 크게 늘어납니다.  그러나 액체만으로 계산을 할 경우 자유 표면 경계 조건을 지정해야합니다.  이 조건은 접선 응력의 소실과 기체의 압력에 동일한 표준 압력을 표면에 추가하는 것입니다.

A second issue is that movement and deformation of a free surface must be computed by solving for the fraction of fluid variable, F, as it moves with the fluid. Because the variable F is discontinuous (i.e., primarily 0.0 or 1.0) some care must be taken to maintain this discontinuity as it moves through a computational grid. In the VOF method, special advection algorithms are used for this purpose.

두 번째 문제는 자유 표면이 유체와 함께 움직일 때의 움직임과 변형을 유체 점유율 변수 F를 구함으로써 계산해야 한다는 것입니다.  변수 F는 불연속 (주로 0.0 또는 1.0)이기 때문에 계산 격자를 이동할 때 이 불연속성이 유지되도록주의해야합니다.  VOF 법은이 목적으로 특수 이류(advection) 알고리즘이 사용되고 있습니다.

Illustration of Free-Surface Tracking by VOF Technique

Figure 6a is an illustration of how well this works; the fluid volume fraction is colored uniformly in each grid element to represent its value in that element. The free surface is sharply defined nearly everywhere. Only in the lowest and narrowest part of the nappe is there any noticeable loss of a sharp fluid fraction distribution, Fig. 5b. This was expected because in this region the nappe is less than three elements in thickness and this allows some of the smaller F values associated with partially filled surface elements to mix in with the central element, which should have a value of 1.0. For computational purposes this doesn’t really matter because the simulation method treats elements interior to the liquid as though they are pure liquid elements.

그림 6a는 이것의 적합 여부를 보여줍니다.  유체의 체적 점유율은 격자 요소마다 균일하게 분류되고 그 요소의 값을 나타냅니다.  자유 표면은 거의 모든 곳에서 선명하게 정의되어 있습니다.  스냅의 가장 낮은 가장 좁은 부분에만 선명한 유체 분포의 손실을 확인할 수 있습니다 (그림 5b).  이것은 예상대로입니다.  이 영역에서는 스냅의 두께는 3 가지 요소보다 작고, 따라서 부분 충전된 표면 요소에 연결된 작은 F 값이 어떤 중심 요소 (값 1.0)에 혼입하기 때문입니다.  계산 목적으로 이 것은 별로 문제가 되지 않습니다.  이 시뮬레이션 방법은 액체 내부의 요소는 순수한 액체 성분과 같은 방식으로 처리되기 때문입니다.

It should also be pointed out that in the region shown in Fig. 5b turbulence and air entrainment are observed in actual experiments. Thus, the appearance of fluid fraction values a little less than unity is somewhat realistic. This is not entirely accidental because the intersection of jet of liquid with a pool, which is responsible for turbulence and air entrainment, is also responsible for the “entrainment” of fluid fraction values into the interior of the liquid.

그림 5b에 나타내는 영역에서는 실제 실험에서 난류 및 공기 혼입이 관찰된 것도 지적해 두지 않으면 안됩니다.  따라서 유체 점유율의 값을 1보다 조금 작게 보이는 것이 다소 현실적입니다.  이것은 전혀 의외라는 것은 없습니다.  난류와 공기 유입을 담당하는 풀의 액체 제트의 교점은 난류와 공기 유입의 원인이 되지만, 유체 점유율 값(fluid fraction values )은 액체 내부에 “유입” 원인이 되기 때문에 실수가 아닙니다.

 

Figure 5a (left): Fluid fraction values in elements, showing sharpness of surface definition. Figure 5b (right): Close up of fluid fraction values where the overflow hits bottom.

Summary

At first it may seem somewhat magical that a computer can simply perform repeated arithmetic operations on arrays of numbers and produce a realistic simulation of a complex, time-dependent, fluid dynamics problem. It was the purpose of this discussion to explain an approach that does this with relatively elementary procedures.

Using a simple, but non-trivial, hydraulic flow example it has been demonstrated that computational simulations can produce detailed results in excellent agreement with physical measurements. It has been further demonstrated that the simulation, which was based on the Volume of Fluid (VOF) technique, uses simple approximation methods that are both accurate and efficient.

Clearly, real world examples involving complex hydraulic structures such as those used in hydroelectric power stations, must consume more than the few seconds of computational time used in our example to obtain useful results. Nevertheless, those results can be generated in reasonable times (both man and computer) and contain a richness of detail rarely possible in physical experiments. For examples visit our water and environmental application pages. In addition, the ability to easily test the influence of just about any kind of change in geometry, flow condition or fluid property is another powerful reason to employ simulations. Current software and hardware for hydraulic flow simulations offer a significant cost advantage over traditional physical modeling.

처음에는 컴퓨터가 단순히 반복적인 산술 연산을 수행하고, 복잡하고 시간에 의존적인 유체 역학 문제에 대해, 현실적인 시뮬레이션을 할 수 있다는 것이 다소 마술처럼 보일 수 있습니다. 이 논의의 목적은 비교적 기본적인 절차로 이를 수행하는 접근법을 설명하는 것입니다.

간단하지만 사소한 유압 흐름 예제를 사용하여 계산된 시뮬레이션이 물리적인 측정 결과와 매우 일치하는 세부 결과를 생성 할 수 있음이 입증되었습니다. VOF (Volume of Fluid) 기술을 기반으로 한 시뮬레이션은 정확하고, 매우 효율적인 것이 추가로 입증되었습니다.

분명하게, 수력 발전소에서 사용되는 것과 같은 복잡한 유압 구조와 관련된 실제 예는 유용한 결과를 얻기 위해서는 이 예에서 사용되는 몇 초 이상의 많은 계산 시간을 소비해야합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 결과는 합리적인 시간 (사람과 컴퓨터 모두)에서 수행 될 수 있으며, 실제 실험에서는 거의 불가능한 세부 사항들을 포함합니다. 또한, 지오메트리, 유동 조건 또는 유체 특성의 거의 모든 종류의 변화의 영향을 쉽게 테스트 할 수있는 능력은 시뮬레이션을 사용하는 또 다른 강력한 이유입니다. 기술의 발전에 따라 hydraulic flow 시뮬레이션을 위한 현재 소프트웨어 및 하드웨어는 기존의 물리적 모델링에 비해 상당한 비용 이점을 제공합니다.

Postscript

The first detailed description of the VOF method was in 1981 by C.W. Hirt and B.D. Nichols, J. Comp. Phys., 39, p.201. All simulations appearing in this article were performed with the commercial software package FLOW-3D developed by Flow Science, Inc. This program uses an enhanced variant of the VOF concept called TruVOF.

FLOW-3D/MP Features List

FLOW-3D/MP Features

FLOW-3D/MP v6.1 은 FLOW-3D v11.1 솔버에 기초하여 물리 모델, 특징 및 그래픽 사용자 인터페이스가 동일합니다. FLOW-3D v11.1의 새로운 기능은 아래 파란색으로 표시되어 있으며 FLOW-3D/MP v6.1 에서 사용할 수 있습니다. 새로운 개발 기능에 대한 자세한 설명은 FLOW-3D v11.1에서 새로운 기능을 참조하십시오.

Meshing & Geometry

  • Structured finite difference/control volume meshes for fluid and thermal solutions
  • Finite element meshes in Cartesian and cylindrical coordinates for structural analysis
  • Multi-Block gridding with nested, linked, partially overlapping and conforming mesh blocks
  • Fractional areas/volumes (FAVOR™) for efficient & accurate geometry definition
  • Mesh quality checking
  • Basic Solids Modeler
  • Import CAD data
  • Import/export finite element meshes via Exodus-II file format
  • Grid & geometry independence
  • Cartesian or cylindrical coordinates
Flow Type Options
  • Internal, external & free-surface flows
  • 3D, 2D & 1D problems
  • Transient flows
  • Inviscid, viscous laminar & turbulent flows
  • Hybrid shallow water/3D flows
  • Non-inertial reference frame motion
  • Multiple scalar species
  • Two-phase flows
  • Heat transfer with phase change
  • Saturated & unsaturated porous media
Physical Modeling Options
  • Fluid structure interaction
  • Thermally-induced stresses
  • Plastic deformation of solids
  • Granular flow
  • Moisture drying
  • Solid solute dissolution
  • Sediment transport and scour
  • Cavitation (potential, passive tracking, active tracking)
  • Phase change (liquid-vapor, liquid-solid)
  • Surface tension
  • Thermocapillary effects
  • Wall adhesion
  • Wall roughness
  • Vapor & gas bubbles
  • Solidification & melting
  • Mass/momentum/energy sources
  • Shear, density & temperature-dependent viscosity
  • Thixotropic viscosity
  • Visco-elastic-plastic fluids
  • Elastic membranes & walls
  • Evaporation residue
  • Electro-mechanical effects
  • Dielectric phenomena
  • Electro-osmosis
  • Electrostatic particles
  • Joule heating
  • Air entrainment
  • Molecular & turbulent diffusion
  • Temperature-dependent material properties
  • Spray cooling
Flow Definition Options
  • General boundary conditions
    • Symmetry
    • Rigid and flexible walls
    • Continuative
    • Periodic
    • Specified pressure
    • Specified velocity
    • Outflow
    • Grid overlay
    • Hydrostatic pressure
    • Volume flow rate
    • Non-linear periodic and solitary surface waves
    • Rating curve and natural hydraulics
    • Wave absorbing layer
  • Restart from previous simulation
  • Continuation of a simulation
  • Overlay boundary conditions
  • Change mesh and modeling options
  • Change model parameters
Thermal Modeling Options
  • Natural convection
  • Forced convection
  • Conduction in fluid & solid
  • Fluid-solid heat transfer
  • Distributed energy sources/sinks in fluids and solids
  • Radiation
  • Viscous heating
  • Orthotropic thermal conductivity
  • Thermally-induced stresses
Turbulence Models
  • RNG model
  • Two-equation k-epsilon model
  • Two-equation k-omega model
  • Large eddy simulation
Metal Casting Models
  • Thermal stress & deformations
  • Iron solidification
  • Sand core blowing
  • Sand core drying
  • Permeable molds
  • Solidification & melting
  • Solidification shrinkage with interdendritic feeding
  • Micro & macro porosity
  • Binary alloy segregation
  • Thermal die cycling
  • Surface oxide defects
  • Cavitation potential
  • Lost-foam casting
  • Semi-solid material
  • Core gas generation
  • Back pressure & vents
  • Shot sleeves
  • PQ2 diagram
  • Squeeze pins
  • Filters
  • Air entrainment
  • Temperature-dependent material properties
  • Cooling channels
  • Fluid/wall contact time
Numerical Modeling Options
  • TruVOF Volume-of-Fluid (VOF) method for fluid interfaces
  • First and second order advection
  • Sharp and diffuse interface tracking
  • Implicit & explicit numerical methods
  • GMRES, point and line relaxation pressure solvers
  • User-defined variables, subroutines & output
  • Utilities for runtime interaction during execution
Fluid Modeling Options
  • One incompressible fluid – confined or with free surfaces
  • Two incompressible fluids – miscible or with sharp interfaces
  • Compressible fluid – subsonic, transonic, supersonic
  • Stratified fluid
  • Acoustic phenomena
  • Mass particles with variable density or diameter
Shallow Flow Models
  • General topography
  • Raster data interface
  • Subcomponent-specific surface roughness
  • Wind shear
  • Ground roughness effects
  • Laminar & turbulent flow
  • Sediment transport and scour
  • Surface tension
  • Heat transfer
  • Wetting & drying
Advanced Physical Models
  • General Moving Object model with 6 DOF–prescribed and fully-coupled motion
  • Rotating/spinning objects
  • Collision model
  • Tethered moving objects (springs, ropes, mooring lines)
  • Flexing membranes and walls
  • Porosity
  • Finite element based elastic-plastic deformation
  • Finite element based thermal stress evolution due to thermal changes in a solidifying fluid
  • Combusting solid components
Chemistry Models
  • Stiff equation solver for chemical rate equations
  • Stationary or advected species
Porous Media Models
  • Saturated and unsaturated flow
  • Variable porosity
  • Directional porosity
  • General flow losses (linear & quadratic)
  • Capillary pressure
  • Heat transfer in porous media
  • Van Genunchten model for unsaturated flow
Discrete Particle Models
  • Massless marker particles
  • Mass particles of variable size/mass
  • Linear & quadratic fluid-dynamic drag
  • Monte-Carlo diffusion
  • Particle-Fluid momentum coupling
  • Coefficient of restitution or sticky particles
  • Point or volumetric particle sources
  • Charged particles
  • Probe particles
Two-Phase & Two-Component Models
  • Liquid/liquid & gas/liquid interfaces
  • Variable density mixtures
  • Compressible fluid with a dispersed incompressible component
  • Drift flux
  • Two-component, vapor/non-condensable gases
  • Phase transformations for gas-liquid & liquid-solid
  • Adiabatic bubbles
  • Bubbles with phase change
  • Continuum fluid with discrete particles
  • Scalar transport
  • Homogeneous bubbles
  • Super-cooling
Coupling with Other Programs
  • Geometry input from Stereolithography (STL) files – binary or ASCII
  • Direct interfaces with EnSight®, FieldView® & Tecplot® visualization software
  • Finite element solution import/export via Exodus-II file format
  • PLOT3D output
  • Neutral file output
  • Extensive customization possibilities
  • Solid Properties Materials Database
Data Processing Options
  • State-of-the-art post-processing tool, FlowSight™
  • Batch post-processing
  • Report generation
  • Automatic or custom results analysis
  • High-quality OpenGL-based graphics
  • Color or B/W vector, contour, 3D surface & particle plots
  • Moving and stationary probes
  • Measurement baffles
  • Arbitrary sampling volumes
  • Force & moment output
  • Animation output
  • PostScript, JPEG & Bitmap output
  • Streamlines
  • Flow tracers
User Conveniences
  • Active simulation control (based on measurement of probes)
  • Mesh generators
  • Mesh quality checking
  • Tabular time-dependent input using external files
  • Automatic time-step control for accuracy & stability
  • Automatic convergence control
  • Mentor help to optimize efficiency
  • Change simulation parameters while solver runs
  • Launch and manage multiple simulations
  • Automatic simulation termination based on user-defined criteria
  • Run simulation on remote servers using remote solving
Multi-Processor Computing

FLOW-3D Features

The features in blue are newly-released in FLOW-3D v12.0.

Meshing & Geometry

  • Structured finite difference/control volume meshes for fluid and thermal solutions
  • Finite element meshes in Cartesian and cylindrical coordinates for structural analysis
  • Multi-Block gridding with nested, linked, partially overlapping and conforming mesh blocks
  • Conforming meshes extended to arbitrary shapes
  • Fractional areas/volumes (FAVOR™) for efficient & accurate geometry definition
  • Closing gaps in geometry
  • Mesh quality checking
  • Basic Solids Modeler
  • Import CAD data
  • Import/export finite element meshes via Exodus-II file format
  • Grid & geometry independence
  • Cartesian or cylindrical coordinates

Flow Type Options

  • Internal, external & free-surface flows
  • 3D, 2D & 1D problems
  • Transient flows
  • Inviscid, viscous laminar & turbulent flows
  • Hybrid shallow water/3D flows
  • Non-inertial reference frame motion
  • Multiple scalar species
  • Two-phase flows
  • Heat transfer with phase change
  • Saturated & unsaturated porous media

Physical Modeling Options

  • Fluid structure interaction
  • Thermally-induced stresses
  • Plastic deformation of solids
  • Granular flow
  • Moisture drying
  • Solid solute dissolution
  • Sediment transport and scour
  • Sludge settling
  • Cavitation (potential, passive tracking, active tracking)
  • Phase change (liquid-vapor, liquid-solid)
  • Surface tension
  • Thermocapillary effects
  • Wall adhesion
  • Wall roughness
  • Vapor & gas bubbles
  • Solidification & melting
  • Mass/momentum/energy sources
  • Shear, density & temperature-dependent viscosity
  • Thixotropic viscosity
  • Visco-elastic-plastic fluids
  • Elastic membranes & walls
  • Evaporation residue
  • Electro-mechanical effects
  • Dielectric phenomena
  • Electro-osmosis
  • Electrostatic particles
  • Joule heating
  • Air entrainment
  • Molecular & turbulent diffusion
  • Temperature-dependent material properties
  • Spray cooling

Flow Definition Options

  • General boundary conditions
    • Symmetry
    • Rigid and flexible walls
    • Continuative
    • Periodic
    • Specified pressure
    • Specified velocity
    • Outflow
    • Outflow pressure
    • Outflow boundaries with wave absorbing layers
    • Grid overlay
    • Hydrostatic pressure
    • Volume flow rate
    • Non-linear periodic and solitary surface waves
    • Rating curve and natural hydraulics
    • Wave absorbing layer
  • Restart from previous simulation
  • Continuation of a simulation
  • Overlay boundary conditions
  • Change mesh and modeling options
  • Change model parameters

Thermal Modeling Options

  • Natural convection
  • Forced convection
  • Conduction in fluid & solid
  • Fluid-solid heat transfer
  • Distributed energy sources/sinks in fluids and solids
  • Radiation
  • Viscous heating
  • Orthotropic thermal conductivity
  • Thermally-induced stresses

Numerical Modeling Options

  • TruVOF Volume-of-Fluid (VOF) method for fluid interfaces
  • Steady state accelerator for free-surface flows
  • First and second order advection
  • Sharp and diffuse interface tracking
  • Implicit & explicit numerical methods
  • Immersed boundary method
  • GMRES, point and line relaxation pressure solvers
  • User-defined variables, subroutines & output
  • Utilities for runtime interaction during execution

Fluid Modeling Options

  • One incompressible fluid – confined or with free surfaces
  • Two incompressible fluids – miscible or with sharp interfaces
  • Compressible fluid – subsonic, transonic, supersonic
  • Stratified fluid
  • Acoustic phenomena
  • Mass particles with variable density or diameter

Shallow Flow Models

  • General topography
  • Raster data interface
  • Subcomponent-specific surface roughness
  • Wind shear
  • Ground roughness effects
  • Manning’s roughness
  • Laminar & turbulent flow
  • Sediment transport and scour
  • Surface tension
  • Heat transfer
  • Wetting & drying

Turbulence Models

  • RNG model
  • Two-equation k-epsilon model
  • Two-equation k-omega model
  • Large eddy simulation

Advanced Physical Models

  • General Moving Object model with 6 DOF–prescribed and fully-coupled motion
  • Rotating/spinning objects
  • Collision model
  • Tethered moving objects (springs, ropes, breaking mooring lines)
  • Flexing membranes and walls
  • Porosity
  • Finite element based elastic-plastic deformation
  • Finite element based thermal stress evolution due to thermal changes in a solidifying fluid
  • Combusting solid components

Chemistry Models

  • Stiff equation solver for chemical rate equations
  • Stationary or advected species

Porous Media Models

  • Saturated and unsaturated flow
  • Variable porosity
  • Directional porosity
  • General flow losses (linear & quadratic)
  • Capillary pressure
  • Heat transfer in porous media
  • Van Genunchten model for unsaturated flow

Discrete Particle Models

  • Massless marker particles
  • Multi-species material particles of variable size and mass
  • Solid, fluid, gas particles
  • Void particles tracking collapsed void regions
  • Non-linear fluid-dynamic drag
  • Added mass effects
  • Monte-Carlo diffusion
  • Particle-fluid momentum coupling
  • Coefficient of restitution or sticky particles
  • Point or volumetric particle sources
  • Initial particle blocks
  • Heat transfer with fluid
  • Evaporation and condensation
  • Solidification and melting
  • Coulomb and dielectric forces
  • Probe particles

Two-Phase & Two-Component Models

  • Liquid/liquid & gas/liquid interfaces
  • Variable density mixtures
  • Compressible fluid with a dispersed incompressible component
  • Drift flux with dynamic droplet size
  • Two-component, vapor/non-condensable gases
  • Phase transformations for gas-liquid & liquid-solid
  • Adiabatic bubbles
  • Bubbles with phase change
  • Continuum fluid with discrete particles
  • Scalar transport
  • Homogeneous bubbles
  • Super-cooling
  • Two-field temperature

Coupling with Other Programs

  • Geometry input from Stereolithography (STL) files – binary or ASCII
  • Direct interfaces with EnSight®, FieldView® & Tecplot® visualization software
  • Finite element solution import/export via Exodus-II file format
  • PLOT3D output
  • Neutral file output
  • Extensive customization possibilities
  • Solid Properties Materials Database

Data Processing Options

  • State-of-the-art post-processing tool, FlowSight™
  • Batch post-processing
  • Report generation
  • Automatic or custom results analysis
  • High-quality OpenGL-based graphics
  • Color or B/W vector, contour, 3D surface & particle plots
  • Moving and stationary probes
  • Visualization of non-inertial reference frame motion
  • Measurement baffles
  • Arbitrary sampling volumes
  • Force & moment output
  • Animation output
  • PostScript, JPEG & Bitmap output
  • Streamlines
  • Flow tracers

User Conveniences

  • Active simulation control (based on measurement of probes)
  • Mesh generators
  • Mesh quality checking
  • Tabular time-dependent input using external files
  • Automatic time-step control for accuracy & stability
  • Automatic convergence control
  • Mentor help to optimize efficiency
  • Units on all variables
  • Custom units
  • Component transformations
  • Moving particle sources
  • Change simulation parameters while solver runs
  • Launch and manage multiple simulations
  • Automatic simulation termination based on user-defined criteria
  • Run simulation on remote servers using remote solving
  • Copy boundary conditions to other mesh blocks

Multi-Processor Computing

  • Shared memory computers
  • Distributed memory clusters

FlowSight

  • Particle visualization
  • Velocity vector fields
  • Streamlines & pathlines
  • Iso-surfaces
  • 2D, 3D and arbitrary clips
  • Volume render
  • Probe data
  • History data
  • Vortex cores
  • Link multiple results
  • Multiple data views
  • Non-inertial reference frame
  • Spline clip