[FLOW-3D 물리모델]Fluid-Structure Interaction / 유체-구조 상호작용

Fluid-Structure Interaction / 유체 구조 상호작용

유체-구조 상호작용모델(FSI) 은 FLOW-3D 의 통합된 고체역학모델링 기능이다. 이 모델은 고체구성요소 안의 응력과 이에 따른 변형을 모사하고 해석하기 위해 유한요소법(FEM)을 이용한다. 응력이 주변 유체의 힘에 의해 작용하는 힘, 고체 구성요소 안에서의 열응력 그리고/또는 벽과 다른 구조물에 의해 부과된 제약조건에 따라 고체 안에 발생한다

단지 고체구성요소만 FSI 변형물이 될 수 있다.

Model Setup모델 설정

From the Component Properties list, select FSI Deformable Properties to open up the FSI properties. Checking the box next to FSI Deformable Component in Component Properties activates the model for that component.

Component Properties표로부터 FSI속성을 열기 위해 FSI Deformable Properties를 선택한다. Component Properties에 있는 FSI Deformable Component 옆의 박스를 체크해서 그 구성요소의 모델을 활성화한다.

막이나 간단한 벽의 변형을 모델링하는 Simple Deforming Object 선택과 혼동하지 않는다. 이 모델 사용시의 최소 물성치들은 Solid Density Bulk Modulus, Shear Modulus, Elastic (Young’s) Modulus, 와 Poisson Ratio중 최소한 2개의 탄성 물성치이다. 이것이 만족되지 않으면 preprocessor 는 모사를 중단할 것이다. 이 모든 물질 속성들은 온도에 의존하는 tabular data 로 입력될 수 있다. 위에 언급한 물성치에서 2개이상이 지정되면 우선 순위는 GUI상의 표 위에서부터 아래의 순서로 주어질 것이다.

(구성요소에서 완전열전도를 갖는) 열전달 모델이 작동하고 열구배가 고체 안에 있으면 모델은 물질 안에 밀도변화에 따라 발생할 수 있는 열응력을 계산한다; 이를 계산하기 위해 열팽창 계수나 고상 밀도를 위한 Tabular data가 주어져야 한다. 또한 고체 물성이 온도에 의존하고 이에 대한 정보가 있으면 이 물성은 temperature dependent tables 에서 정의될 수 있다. 직접 온도에 따라 변하는 물성치를 입력하기 위해 Tabular 버튼 또는 기존 csv 파일을 이용하는 Import Values 을 클릭한다. 또한 이 값들은 prepin.* 파일에 복사될 필요 없이 외부파일에서 직접 읽혀질 수 있다(Temperature Dependent Properties참조). 이 물성치들은 또Materials 메뉴 아래의Solids Database로부터 구성요소로 입력될 수 있다.

Yield Stress입력을 통해서 항복응력 임계값(응력 단위로)을 넣을 수 있다. 구성요소들에 대해 이 값을 지정하면 이 구성요소에 대한 소성변형모델이 활성화되며, 이는 지역 von Mises stress 가 특정값을 초과하는 곳에서 비탄성 변형을 예측한다.

Fluid/Solid Coupling 하단 메뉴는 현 요소와 주변유체와의 연결을 제어한다: Partial 결합은 고체가 주변 유체를 인식하지만 이 고체의 변형이 유체의 유동에 영향을 미치지 않는다. 이는 디폴트이고 고체의 변형이 작을 때의 경우에는 적절하다. 한편 변형이 크고(또는) 급속하게 발생하는 경우, 또는 고체 내의 음향 진동이 모사하는데 중요할 경우, 완전결합은 고체변형에 의해 발생하는 유체의 운동도 계산할 것이다. 이 선택은 계산시간을 증가시킬 것이고 실제로 필요하지 않다면 추천하지 않는다.

FSI Coupling between… 라고 불리는 소 부제는 현 FSI 요소와 인접 FSI 요소와의 결합을 제어한다. 각 인접 FSI 요소를 위한 하단 메뉴가 있으며, 디폴트 선택은 구성요소 사이에 고정된 경계가 있다(즉, 변위가 없다)고 가정하는No coupling 이다. 다른 선택은 Complete coupling Partial coupling 이다. Complete coupling 을 선택하면 모델은 두 요소가 완전히 붙어서 미끄러짐이나 분리가 불가능한 경우이다. Partial coupling 을 선택하면 요소들이 서로 분리되거나 방해 없이 미끄러져 지나가는 것이 가능하지만 서로 간섭할 수 없다. 미끄럼 마찰은 각 하단 메뉴에서Friction coefficient를 지정함으로써 조절된다. 디폴트로 미끄럼 마찰은 제한이 없다. (즉 미끄럼은 구성요소들이 접촉하고 있는 한 발생할 수 없다.): 이를 0과 같거나 큰 값을 지정하면 미끄럼이 발생한다. 일반적으로 이들의 물리적 값은 1보다 작다.

탄성물성이 주어지면 고체에 대한 유한요소격자를 생성해야한다. preprocessor는 고체성분에 대한 운동방정식을 해석하는데 사용되는 유한요소격자를 구성하기 위해, 고체구성요소 주위에 직교 좌표격자를 이용한다. 이 직교격자는 유체격자(디폴트)일 수도 있고, 단지 유한요소격자를 생성할 목적의 독립적인 Local Input Mesh 일 수도 있는데, 이의 유일한 목적은 고체구성요소를 위한 격자생성이다.

FE mesh type 하단 메뉴에서 Hexahedron 또는 Tetrahedron 격자를 선택할 수 있다. Hexahedron 격자는 디폴트로 6면 요소로 구성되고, 매끄러운 경계면을 위해 요소경계주위의 꼭지점들이 합쳐진다. Tetrahedron 격자는 4면요소로구성되나 요소경계주위의 꼭지점들이 합쳐질 필요가 없다. 이 Tetrahedron 격자는 더 간단한 선형기저함수를 사용하며 계산시간이 적게 소요된다. 그러나 선형기저함수 때문에 결과는 다소 덜 매끄러울 수 있다.

디폴트(유체)격자가 고체요소를 위한 유한요소격자를 생성하는데 이용된다면, 격자가 지금 생성될 필요가 없다. ; 자동적으로 preprocessing 단계에서 생성될 것이다.

The cylindrical coordinate fluid mesh can be used to generate the FE mesh, either axisymmetric or fully three dimensional. The only limitation is that for 3-D meshes, the FE mesh cannot contact the centerline of the mesh; this will result in a singularity point for the FE mesh.

원통형좌표의 유체 격자도 축대칭이거나 3차원인 유한요소격자를 생성하는데 이용될 수 있다. 단 제약은3차원에서 유한요소격자는 격자의 중심축을 포함할 수 없다. 이는 유한요소격자에 특이점을 초래할 것이다.

If if a different resolution is desired, select the Use local input mesh check box, and open the mesh tree. As with the fluid mesh, you can create several mesh blocks, both linked and/or nested of varying resolution.

다른 해상도를 원하면 Use local input mesh 체크박스를 선택하고 mesh tree를 연다. 유체격자와 마찬가지로 연결되거나 다른 해상도에 포함하는 다수의 격자 블록을 생성할 수 있다.

파일이름이 지정되지 않으면 요소의 격자파일 이름은 comp#.project.FEmesh 가 되는데 여기서 project 는 project 이름이다. FE Mesh File 목록에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하면 Generate Generate and Display를 선택할 수 있다. 전자를 선택하면 격자를 생성하고 지정파일에 저장한다. 후자는 이를 시각적으로 보고 그 질을 평가할 수 있도록 화면에 보여줄 것이다. 유한요소격자를 보이는 것을 방해할 수 있으므로 구성요소를 숨기는 것이 필요할지도 모른다.

이미 한 개의 FE mesh 파일이 있으면 File options 버튼을 이용하여 열어서 FE Mesh File 항목에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 기존의 FE mesh 파일을Load and Display한다.

만족스러운FE격자가 얻어지면 Use FLOW-3D FE mesh 옵션을 FE mesh file usage 하단 메뉴로부터 선택한다. Generate FE mesh 옵션이 선택되면 이 요소의 유한요소격자 파일은 모사가 되는 동안 매번 새로 쓰여질 것이다.

FE mesh file usage 하단 메뉴의 마지막 옵션은 Use EXODUS FE mesh 이며, 이는EXODUS II format mesh 파일을 불러올 수 있거나, FLOW-3D 에 의해 생성되는EXODUS II format 파일을 이용한다.

Note:

  • Local input mesh 정보는 다음 단계에서 생성되는 FE격자파일에 저장되나 prepin.* file 에는 저장되지 않는다.
  • Generate FE mesh 가 선택되면 the Local input mesh 정보는 사용되지 않고 생성된 격자는 디폴트 유체격자에 의해 생성된 유한요소격자에 의해 다시 쓰여질 것이다.
Simulation모사(simulation)

고체요소 안에서의 응력해석을 위한 솔버는 Generalized Minimum Residual (GMRES) 압력 솔버와 유사하다. 이는 유일한 솔버이며 사용자는 GMRES subspace size (가끔문헌상에서 restart number 라고 불리고 input 파일에서는 MRSTRTFSI 라고 불리는), Maximum number of iterationsConvergence tolerance 를 조절한다. 이 매개변수들의 변경은 Numerics 탭의 FSI/TSE solver options 부분에서 처리된다.

GMRES subspace size 의 디폴트 값은20이다. 이 값을 증가시키면 solver 는 적은 반복횟수에 수렴할 것이나 반복당 CPU 시간이 증가하고 메모리 사용은 subspace 의 크기에 따라 증가할 것이다. 수렴이 되지 않는 모사의 경우(즉 최대 반복수가 수행되고 FEA convergence ratio 가 1보다 커지는) 이 값을 증가시키면 전반적인 CPU 시간을 현저하게 감소시킬 것이다.

추가로, Dynamically selected subspace size 을 선택하면, 솔버는 자동적으로 해석 효과를 최적화하기 위해 subspace size 조절할 것이다. 이 경우 입력(또는 디폴트)된 GMRES subspace size 의 값은 최대 subspace size가 된다. 그러므로 이 선택은 가능한 한 최대의 값으로 정하는 것이 좋으며(컴퓨터에서 가능한 메모리에 따라)이는 더 큰 유연성을 허용한다. 수렴이 쉽게 되는 경우에는 subspace size 는 자동적으로 최적 효과를 유지할 수 있도록 감소될 것이다.

Maximum number of iterations 는 솔버에 의해 사용되는 반복수를 제한한다; 디폴트는 25인데 이는 대부분의 모사의 경우에 충분하다. FSI 에서의 반복수가 계속해서 한계(Simulation 메세지에서 보여지듯이)에 도달하면 이 제한이나 subspace 의 크기를 증가시킬 수 있다. (가능한 메모리에 따라) 먼저 subspace size를 증가시키는 것을 추천한다.

Convergence tolerance 는 고체역학 방정식의 해에서 허용된 최대 잔존값을 지정한다. 이 값은 격자크기나 time step에 무관한 무차원 수이다. 이 값은 계산된 변형의 상대적 에러를 나타낸다. 이의 디폴트 값은 10-3이며 대부분의 경우에 잘 맞을 것이나 모사의 목적이 각 시간에 정확한 결과보다 최종 시간의 응력결과이면 이 값을 증가시키는 것은 마지막 결과의 정확성에 크게 악영향을 안 미칠 것이다. 모사 과정 동안에 변위와 응력이 아주 정확해야 하는 경우에는 이 값을 줄이는 것이 도움이 된다. 일반적으로 10-8 보다 작은 수렴 공차값에 대해서 컴퓨터 정확도 반올림 때문에 수렴은 점점 더 느려진다.

선택인 Preconditioning of FSI GMRES (디폴트)는 GMRES 알고리즘을 사용하기 전에 GMRES 반복수를 줄이기 위한 목적으로 preconditioning 알고리즘을 이용한다. preconditioning 알고리즘은 단지 다음 경우에 사용한다.

  1.  Preconditioning of FSI GMRES 옵션이 활성화되고
  2. 전 10단계의 계산사이클 동안에 고체 역학식을 해석하는데 필요한 평균반복수가 4를 초과할때 사용한다.

FSI모델은 고체역학방정식을 점진적으로 해석하므로 이론적으로 큰 변형을 적절한 정확성을 가지고 예측할 수 있다. 고체유체 경계면에서 변위에 의한 유체의 운동이 모델에 의해 예측되지만 FLOW-3D 부피나 면적 분율(FAVORTM fractions)은 갱신되지 않으므로 고체의 형상변화를 유체가 감지하지 못한다. 그러므로 상당한 변형이 발생하는 모사에서는 고체 역학은 정확히 나타나지만 유체에 대한 이의 영향은 그렇지 못하다.

고체구성요소는 모사하는 동안에 유체격자 경계 또는 다른 구성요소와 어디에선가 접촉해야 하므로 이들의 운동은 제약을 받는다. 그렇지 않다면 고체역학 방정식은 요소에 대해 강체운동을 나타낼 것이고, 이 운동은 유체에 반영되지 않을 것이다. 예를 들면, 중력장안에 자유롭게 움직이는 구는 계산영역 내에서 자유낙하를 하도록 예측될 것이다.

Postprocessing 후처리

이 모델에 의한 유한요소 결과는 유체 영역과는 별도로 보여진다. 이 FSI 데이터를 보기 위해 Analyze 탭 에서 FSI TSE 탭을 선택한다.

이 탭으로부터 어느 구성요소를 볼지 선택한다.

또한 시간과 데이터 소스를 선택할 수 있다.  Selected 데이터를 보기 위해 Fluid structure interaction 는 모사를 설정하는 동안에 Model Setup Output 에 있는 Selected data로부터 선정되었어야 한다. Render 를 클릭하면 Display 탭이 나타나고 이로부터 여러 가지 변수 데이터들이 FSI 구성요소들에 대해서 그려질 수 있다. 확대하거나 회전 같은 다른 제어들도 3-D display 에서와 마찬가지이다.

디폴트 display(초기화면)는 Normal displacement 이다. 이는 구성요소 전체표면에서 외부로 향하는 수직방향의 표면 변위다. 음의 값은 원래 위치에서 상대적으로 내부로 양의 값은 외부로 이동했다는 것을 의미한다. 각 x, y 그리고 z 방향의 요소내의 각기 변위는 각 x, y 그리고 z 를 택함으로써 보여질 수 있다.

각6요소의 탄성응력과 6요소의 변형을 plot할 수 있다. 이는 대칭인 탄성응력과 변형텐서를 이루는 6개의 독립요소이다. 이 요소들은 심지어 좌표상에 대해 대각인 간단한1차원 인장도 0이 아닌 값을 나타내므로 대부분의3차원 문제에서 생각하기가 쉽지 않다. 이는 mean iso stress (mean isotropic stress) 와 Von Mises stress가 주어지기 때문이다. 이들은 응력 불변량이므로 좌표선정에 관련이 없다. mean iso stress 는 등방성 응력-좌굴이나 균열에 가장 취약한 부위를 가리키는 고체내의 순수 압축(음의 값) 또는 인장(양의 값)응력의 양인 등방성 응력이다. 이에 반해서 Von Mises stress 는 전단응력의 척도이다. ; 이값은 항상 양이다. 큰 전단응력을 갖는 부위는 찢어지기 쉽다. 그러므로 순수한 압축이나 인장 응력을 받는 고체는 무시할 만한 Von Mises stress를 갖는다. ; 역으로 순수 전단응력을 받는 고체는 무시할 만한 인장이나 압축응력을 받는다.

항복응력의 값이 지정되면 고체의 소성변형에 대한 데이터들이 이용 가능하다. 이 데이터들은 소성변형 텐서(모두 무차원)와 소성변형 크기 (소성 변형 텐서의 2차 불변량)의 독립적 요소들을 포함한다. 이 값들은 가장 큰 소성변형이 발생한 요소내의 위치를 가리킨다.

온도는 편의상 plot 할 수가 있다. 이 온도는 유체3차원 display에서 이용 가능한 벽 온도와 같다. volume expansion 은 모사과정 중에 늘어나거나(양의 값) 줄어든(음의 값)요소의 영역을 가리킨다. 이런 팽창이나 수축은 온도 변화에 의해 또는 인장 또는 압축 응력에 의해 일어날 수 있다.

Export/Import FSI Meshes FSI 격자의 출력 및 입력

FSI 격자와 데이터는 임의 접근이 가능하고, 기계와 무관하고,  2진 포맷인 EXODUS II 파일포맷으로 읽혀 들여지거나 외부로 보내질 수가 있다. EXODUS II 는 유한요소 해석 데이터를 저장하고 회수하기 위해 개발된 널리 사용되는 모델이다. EXODUS II 파일포맷 에서 FSI 격자와 데이터를 외부로 보내는 기능은 이동성을 강화하고 FLOW-3D GUI 밖에서 결과를 보는 것을 가능하게 한다. ParaView는 EXODUS II 파일을 보는데 사용할 수 있는 무료의 다중 플랫폼 데이터 해석 및 가시화 응용 소프트웨어이다. EXODUS II output 파일을 생성하기 위해 Setup → Output 를 선택한다. Additional output 섹션에서 FSI/TSE EXODUS output format 하위 메뉴에 있는 필요한 옵션을 선택한다.

 

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

FLOW-3D의 TSE(Thermalstressdiversion)모델은 모델링 가능한 주조 프로세스의 범위를 확장합니다. FSI/SETSE모델은 주변 유체, 열 구배 및 지정된 구속 조건의 압력에 대응하여 솔리드 및 단단한 구성 요소의 응력 및 변형을 모델링 하는 유한 요소 접근 방식을 사용하여 유체와 솔리드 사이의 완전 결합 상호 작용을 설명합니다.

균일하지 않은 냉각에 의해 발생하는 응고 과정 동안 열 스트레스가 발생합니다. 이러한 응력은 주형 벽의 수축 및 주물 형상의 불규칙에 의해 영향을 받습니다.Thermal stress evolution simulation
Von Mises stresses in a solidified aluminum V6 engine block

위의 시뮬레이션은 VonMises가 단단한 알루미늄 V6엔진 블록에서 응력을 나타냅니다. 이 블록은 강철 다이 내에서 주조된 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다.

알루미늄의 주입 온도는 527°C였으며 초기 다이 온도는 125°C였습니다. 부품을 60초 동안 다이 내에서 냉각한 후 주변 조건(125°C)에서 9분 동안 부품을 계속 냉각시켜 총 10분의 시뮬레이션 시간을 제공했습니다. 표시된 VonMises 응력은 부품 내 전단 응력의 크기를 측정한 것이며, 따라서 찢어지기 쉬운 부위를 보여 줍니다.

응력은 금형과 응고 금속에서 동시에 계산할 수 있습니다. FLOW-3D의 구조화된 메쉬를 초기 템플릿으로 사용하여 자동으로 메쉬 작업을 수행할 수 있습니다. 사용자는 중첩 또는 링크된 메쉬 블록을 만들고 V1.1.0의 새로운 적합한 메쉬 기능을 사용하여 메쉬의 로컬 해상도를 제어할 수 있습니다. 또는, Exodus-II형식의 타사 메쉬 생성 소프트웨어에서 유한 요소 메쉬를 가져올 수 있습니다.

Simulating Thermal Stress

아래에 표시된 알루미늄 커버는 강철 다이 내 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다. 주입 온도는 654°C였으며 초기 다이 온도는 240°C였습니다. 부품이 다이 내에서 6s동안 냉각되었으며 이때 부품이 완전히 경화되었습니다(러너 시스템 제외). 그런 다음 다이를 열고 부품이 주변 조건(25°C)에서 10초 이상 냉각되도록 했습니다. 그런 다음 탕도(runner)시스템을 제거했고, 이후 주변 조건에서 10초간 더 냉각했습니다. 여기에 표시된 정상 변위는 부품 표면의 움직임을 나타내며, 최대 변형 영역을 강조하기 위해 30회 증폭됩니다.

Displacements in a die cast part, die closed
Displacements in a die cast part, die closed.
Displacements in the part and runners, die open
Displacements in the part and runners, die open.
Displacements in the part with runner system removed
Displacements in the part with runner system removed.

Component Coupling within the Fluid-Structure Interaction and Thermal Stress Evolution Models

FLOW-3Dv11의 새로운 기능은 인접한 FSI(유체-구조물 상호 작용)구성 요소 및/또는 TSE(열 스트레스 진화)고체화된 유체 영역 간의 탄성 응력을 결합할 수 있는 기존의 유한 요소 고체 역학 용제의 업그레이드입니다. 이 새로운 기능은 복합 재료 부품(예:주형에서 응고되는 금속 주물 응고제 또는 바이메탈 게이지)의 열 응력과 변형을 시뮬레이션하고 반경 게이트 및 파이프 라인 지지 시스템과 같은 연결된 유압 구조에 가해지는 힘을 시뮬레이션하는 등 다양한 모델링 가능성을 열어 줍니다.

모델에는 복잡한 프로세스를 효율적으로 계산할 수 있는 여러가지 옵션이 있습니다.

No coupling

이 옵션은 인접 FSI구성 요소가 응력을 교환하지 않는 단순화된 경우를 나타냅니다. 그것은 계산적으로 효율적이며 요소들 간의 스트레스 상호 작용이 중요하지 않은 시나리오에 적합하다.

Full coupling

전체 커플링 옵션은 서로 다른 재료 특성을 가진 인접 FSI구성 요소를 모델링 하기 위한 것입니다. 두 구성 요소는 서로 당기거나 미끄러질 수 없지만 인터페이스의 응력은 구성 요소 간에 전달됩니다. 이는 바이메탈과 같이 접합된 구조물을 모델링 하는 데 이상적입니다.

Partial coupling

부분 커플링 옵션은 인접 FSI구성 요소가 마찰력과 정상적인 힘을 통해 상호 작용하지만 분리될 수 있는 일반적인 문제를 모델링 하기 위한 것. 이 옵션은 FSI구성 요소와 TSE의 고체화된 유체 영역을 결합하는 데 사용될 수 있으므로 부품이 다이에서 냉각될 때 주조 부품 및 다이에 대한 열 응력의 영향을 조사하는 데 이상적입니다.

두가지 시뮬레이션이 제시되어 모델의 새로운 특징을 보다 자세히 보여 줍니다. 첫번째 상황에서는 완전한 커플링 옵션을 사용하여 시간이 변화하는 온도에 대응하여 바이메탈 벤딩을 모델링 하는 반면, 두번째 예에서는 다이에서 V6엔진 블록을 응고하는 동안 부분 커플링 모델을 사용하여 열 응력을 확인하는 것을 보여 줍니다.

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

전체 커플링 옵션의 가장 간단한 예 중 하나는 온도 구배에 대한 반응으로 바이메탈이 움직이는 것입니다. 이러한 스트립은 온도 변화에 대응하여 두 금속이 동일한 속도로 팽창하지 않기 때문에 열 스위치 및 벤딩에 일반적으로 사용됩니다. 시뮬레이션에서 모델링 된 바이메탈은 그림 1과 같이 길이 15cm, 두께 0.5cm의 강철 스트립으로 구성된 캔틸레버 빔입니다.

Schematic of bimetallic strip
그림 1:예제 시뮬레이션에 사용된 바이메탈의 개략도; 검은 색 화살표는 편향이 프로브 되는 위치를 나타내고, 양의 편향은 상향이다.

그리고 나서 스트립은 온도가 70초에 걸쳐 균일하게 변화하는 환경에 배치되었다. 그림 2는 시간 경과에 따른 다양한 온도에서 시뮬레이션 및 분석 용액을 위한 스트립 팁의 편향을 보여 준다. 결과는 온도가 변한 시기와 스트립의 열적 관성으로 인한 스트립의 반응 사이의 약간의 지연을 포함하여 몇가지 흥미로운 특징을 보여 준다. 이러한 지연은 분석 솔루션이 온도의 즉각적인 변화를 가정하기 때문에 계산된 편향과 분석적 편향 사이의 타이밍 차이에도 영향을 미친다. 변위의 진폭 차이는 분석 결과에서 무한대의 얇은 스트립의 가정에 기인할 수 있다. 계산 모델의 두께는 장착 지점에 응력을 추가하여 편향을 증가시킵니다.

Bimetallic deflection plot FLOW-3D
그림 2:스트립의 끝에서 시뮬레이션 시간에 걸쳐 처짐. 그림에 표시된 것은 스트립의 평균 온도( 진한 파란 색)뿐만 아니라 분석적( 연한 파란 색)및 계산( 빨간 색)편향입니다.

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

Temperature profile of a v6 engine block
Figure 3: V6 엔진 블록의 온도 프로파일 단면도. 시뮬레이션 시작 7 초.

두번째 예제 시뮬레이션에서는 부분 커플링 모델을 사용하여 변형 가능한 강철 다이 내 금속 주물의 응력 개발을 보여 줍니다. 다이의 두 절반과 응고된 유체는 부분적으로 서로 결합되어 정상적인 응력과 마찰을 통해 상호 작용합니다. 시뮬레이션은 다이와 주물 부품의 열 응력 변화를 770,000 K의 solidus온도 바로 아래에서 298K의 주변 온도로 냉각하는 모습을 보여 줍니다. 주물 부분은 A380알루미늄 합금으로 구성되어 있고 다이 반쪽은 H-13강철로 구성되어 있습니다.

주조 부품과 주변 다이의 유한 요소 메시는 그림 3과 같이 3,665,533 요소와 3,862,378개 노드로 구성됩니다. 또한 각 다이의 절반에 대해 분리된 메쉬와 TSE고형화된 유체 영역도 나와 있습니다. 전면의 빨간 색 원은 서포트 피스톤 때문입니다(그림과 같이 표시되지 않음).

Thermal stress model
Figure 4 는 채워진 후 고압 다이 캐스팅 부품 300s의 주조물 온도와 변위 크기로 채색 된 강철 다이 조각을 결합한 이미지를 보여줍니다. 이 시뮬레이션에서, 다이는 응고하는 알루미늄에 연결되어 응력이 그들 사이에 전달됩니다. 변위 크기는 다이의 에지에서 0에서부터 주조에 인접한 0.1mm 이상까지 다양합니다.

금형과 응고된 유체 표면 사이의 경계면에서 발생하는 응력이 부분적으로 결합되어 제한된 수축을 확인할 수 있습니다. 그림 4는 시뮬레이션을 통해 주형 부분의 변형과 다이 부분의 절반의 변형을 보여 줍니다. 온도가 감소함에 따라 다이 캐스트와 주물이 서로 다른 속도로 수축하여 간섭 영역에 큰 응력이 발생하고 잠재적인 문제 영역이 나타납니다. 다이와 부품에서 결합된 응력을 계산하면 사용자가 각 구성 요소 내에서 발생하는 응력을 더 잘 예측하고 부품 품질을 개선하고 도구 수명을 연장하는 방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

Conclusion

다른 단단한 물체들의 상호 작용은 현대 디자인과 공학의 중요한 부분입니다. FSI구성 요소와 TSE고정 유체 영역 간의 새로운 결합 옵션이 FLOW-3D에 추가되어 오늘날의 엔지니어들이 정기적으로 접하는 복잡한 기하학적 구조를 평가하는 데 유용한 도구가 되었습니다.

Why FLOW-3D?

Why FLOW-3D ?

FLOW-3D는 엔지니어들에게 다양한 분야의 유동해석에 대해 귀중한 통찰력을 제공하는 강력한 모델링 도구입니다. 정확하게 자유 표면 흐름을 예측하는 특별한 기능을 통해 FLOW-3D는 설계 단계에서뿐만 아니라, 생산 공정 개선에도 사용할 수 있는 이상적인 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어입니다.


TruVOF and Free Surface Modeling

TruVOF - Volume of Fluid - VOF Method

FLOW-3D 는 다른 유동해석 프로그램과는 유체 계면을 다루는 기법이 확연하게 다릅니다. FLOW-3D 는 자유표면의 위치를 추적하고, 그 자유표면에 적절한 동적 경계 조건을 적용하는 특수한 수치기법(numerical method)을 사용합니다. FLOW-3D 에서 모델링된 자유표면은 로스알라모스 국립 연구소에서 Flow Science의 설립자인 C. W. Hirt 박사와 함께 소속한 과학자 그룹에 의해서 개발된 VOF(Volume of Fluid) 기법으로 모델링됩니다. CFD 프로그램의 대부분은 세 가지 기본 VOF 성분 중 실제로는 단지 하나 또는 두 가지만 구현하여 VOF 기능을 통합 구현한 것으로 주장하고 있습니다. CFD 사용자는 이러한 유사 VOF 기법으론 종종 잘못된 결과를 얻을 수 있음을 알고 있어야 합니다. FLOW-3D는 자유표면의 성공적인 해석에 필요한 모든 요소를 포함하고 있습니다. 또한, FLOW-3D는 경계 조건과 계면 추적의 정확도를 증가시키기 위해 원래의 VOF 방법을 크게 향상 시키고 있습니다. 좀더 자세한 사항은 TruVOF 방법을 참고하시기 바랍니다.
TruVOF 방법에 대해 자세히 알아보기>

Free Gridding Separates Meshing from Geometry Construction

Free gridding capabliity in FLOW-3DGridding에 대한 FLOW-3D’의 기본 접근 방식은 deformed, body-fitted grids의 유연성과 단순한 직사각형 그리드의 장점을 결합합니다. 직사각형 컨트롤 요소의 고정 그리드는 간단하고 매우 바람직한 특성을 갖도록(예를 들어, 향상된 정확도, 작은 메모리 크기 요구, 간단한 수치 근사치) 생성 처리됩니다. 이 접근법은 그리드나 형상을 각각 서로 독립적으로 자유롭게 변경 할 수 있기 때문에 “free-gridding”으로 지칭합니다.

이 기능은 body-fitted 또는 유한 요소 격자를 생성하는 지루한 작업을 하지 않도록 해 줍니다.
Rectangular gridding 의 유연성과 효율은 multi-block 과 conforming meshing 같은 고급 기능에 의해 강화됩니다. 연결되어 있고 부분적으로 중첩된 메쉬 블록은 복잡한 멀티 스케일 유동 도메인과 관심 영역에서 효과적으로 높은 해상도를 가질 수 있는 수단을 제공합니다. Conforming mesh는 직사각형 gridding 구조와 관계 없이 특별한 기하학적 형상, cavities, 얇은 구조물, 경계층 등에 적합한 고품질의 grids를 생성할 수 있습니다.
Read more about FLOW-3D‘s free-gridding approach in CFD-101 >

Modeling Fluid Flow in Complex Geometry is Easy with FAVOR™

FAVOR technique in FLOW-3DFLOW-3D 는 직사각형 격자 내에서 일반 기하학적 영역을 정의하는데 사용되는 FAVOR™ (Fractional Area Volume Obstacle Representation) 방법으로 알려진 특별한 기술을 사용합니다. FAVOR기본 철학은 수치 알고리즘이 각 제어 체적(control volume)에 대해 하나의 압력, 하나의 속도, 하나의 온도 등으로 이루어지는 정보를 기반으로 하므로 형상을 정의하는 데 많은 정보를 사용하는 것이 적합하지 않는다는 것입니다. 따라서, FAVOR ™ 기술은 직사각형 격자의 단순성을 유지하면서 각 제어 체적 내의 유동 값의 정밀도와 일치하는 수준으로 복잡한 기하학적 형상을 나타냅니다.

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Meshing Capabilities

FLOW-3D 는 복잡한 유체 해석 모델링시 간단하면서도 효율적이고 견고한 대규모 격자 생성 능력을 제공합니다. 특히, FLOW-3D의 효율좋은 단순한 메쉬 구조와 다중 블록 메쉬의 다양한 특징에 의해 최고의 메싱 효율과 견고성을 자랑합니다. 여러개의 메쉬 블록 사용은 관심 영역의 최적화를 허용하고 주어진 시뮬레이션에 필요한 연산 리소스를 훨씬 감소시킵니다. 작은 장애물(Small obstacles), 복잡한 형상 그리고 전체 영역 크기에 비해 좁은 통로(channel)는 다음과 같은 linked, nested, conforming, 그리고/또는 부분 중첩 mesh blocks등의 여러 다중 블록 메싱능력 중 하나를 사용하여 정확히 해결 될 수있습니다. Linked mesh blocks은 관심영역의 격자 생성과 계산 격자의 총 수를 제한하는 데에만 사용될 수 있습니다. Nested mesh blocks은 관심영역 주위의 해상도를 향상시키기 위해 사용될 수 있습니다. Conforming 과 partially overlapping mesh blocks은 단순히 중첩된 급격한 변화와 불규칙한 형상을 해결하기 위해사용될 수 있습니다. FLOW-3D 는 또한 Fluid-Structure Interaction에 필요한 body-fitted 유한요소 격자를 허용합니다. 이 body-fitted 격자는 FLOW-3D 또는 외부 CAD 패키지 S/W로 부터 가져와 자동으로 생성할 수 있습니다. 이 모든 메쉬 기술은 사용자에게 간단하면서 효율적으로 메쉬를 생성하게 하여 솔버 성능 향상 및 해석시간을 줄이는 유연성을 제공합니다.

FlowSight

FlowSight

FlowSight는 FLOW3DFLOW-3D CAST결과의 정교한 시각화를 제공하도록 설계된 고급 후 처리 도구입니다. FlowSight는 직관적인 후처리 인터페이스 내에서 우수한 결과 분석 기능을 갖춘 모델을 제공합니다. 스플 라인 경로를 따라 임의의 2D클립, 3D클립 및 투명도, 볼륨 렌더링, 고급 데이터 타임 시리즈 플로팅, 간소화 및 벡터 플롯은 사용 가능한 놀라운 도구의 일부에 불과합니다. FlowSight를 사용하면 여러 뷰 포트와 동적 객체 시각화 도구로 구성된 풍부한 기능 세트와 결합되어 있으므로 엔지니어는 분석 및 프레젠테이션 요구 사항에 맞게 CFD결과를 최대한 활용할 수 있습니다.

FlowSight는 모든 FLOW-3DFLOW-3D CAST라이센스에 포함되어 추가비용 없이 사용할 수 있습니다.

새로운–스플 라인 클립!

FlowSight의 스플라인 클립 기능을 사용하면 복잡한 곡면을 따라 클립을 생성할 수 있습니다. ogee weir 위로 물이 흐르는 시뮬레이션에서, 스플 라인은 ogee weir의 표면을 따라 형성됩니다. 그런 다음 스플 라인이 돌출되어 웨어 표면을 따라 물의 자유 표면 높이에 의해 색상이 지정된 클립을 생성합니다.

키 프레임 기능

크고 복잡한 시뮬레이션을 분석 할 때 매우 일반적인 문제는 관심 영역이 형상에 의해 가려지거나 시뮬레이션이 시간이 지남에 따라 변경됨에 따라 관심 영역이 변경 될 수 있다는 것입니다. 키 프레임은 분석 중에 형상을 “분리되도록”허용하고 시점이 시간과 공간을 통해 이동할 수 있도록 하여 이 문제를 해결합니다.

이 애니메이션은 FlowSight의 키 프레임 기능을 사용하여 충전하는 동안 다이 반쪽을 “시각적으로”열고 다이를 채우는 금속을 표시하면서 다이 표면에 고체 온도를 표시하는 방법을 보여줍니다.

Particle Visualization

FlowSight는 파티클(입자) 시각화 기능을 완벽하게 갖추고 있습니다. 입자는 입자 직경, 입자 밀도, 입자 수명, 속도 및 관련성이 있는 기타 변수에 의해 색상이 지정될 수 있습니다. 이 경우, 입자는 각각의 직경의 크기에 의해 착색됩니다.

속도 벡터 필드

FlowSight는 사용자에게 평면 또는 도메인 전체에 걸친 전체 볼륨 속도 및 방향 분석에 속도 벡터 필드를 시각화하는 옵션을 제공합니다. 사용자 지정 가능한 벡터 필드를 사용하면 다양한 색상 지정 및 밀도 조정이 가능하여 선명도를 높일 수 있습니다.

Streamlines & Pathlines

FlowSight의 유선(Streamlines) 기능은 복잡한 동적 패턴을 완전한 충실도로 시각화하여 유동장 속도 방향에 대해 실시간 스냅 샷을 제공합니다. 경로 선(Pathlines)은 시간을 따른 유체 입자의 궤적을 시뮬레이션하는 동안, 히스토리 라인은 유동장에서 유체 입자를 애니메이션 합니다.

Iso-surfaces

Iso-surfaces 은 유체 및 고체 표면을 시각화하는 강력하고 빠른 방법으로, 일정한 난류 에너지 영역을 표시하는 데 적합합니다.

Volume Render

iso-surface에서만 변수를 표시하는 대신 사용자 지정 가능한 볼륨 맵을 사용하여 볼륨 전체에 걸쳐 변수를 표시합니다. 그림에 표시된 바와 같이 각 기포와 주변 액체의 변형률 크기는 볼륨 렌더링과 함께 표시됩니다.

 

Multiple Data Views

숫자 및 다양한 그래프 등의 시각적 형식으로 분석하기

Visualizing Non-inertial Reference Frame Motion

Non-inertial reference frame visualization는 편리한 시뮬레이션 설정을 제공하고 계산 시간을 단축하며 사용자가 사실적인 방식으로 모델을 시각화 할 수 있게합니다.

2D Clips

2D 클립은 모든 단면 평면에서 유체 매개 변수를 시각화하는 데 사용됩니다.

3D Clipping

3D 클리핑 도구를 사용하면 사용자가 6 개 방향 모두에서 등면을 동시에 슬라이스 할 수 있으며, 높은 결함 영역을 감지하고 유체 및 고체 영역 내부의 온도, 압력, 속도 프로파일을 시각화하는 데 유용합니다.

  • 특정 방향의 범위 사이에 애니메이션 제공
  • 한 번에 한 방향으로 스왑
  • 양방향 애니메이션 : 앞으로 및 뒤로

Arbitrary Clips

평면, 원통형, 상자, 원뿔형, 구형 및 간소화된 표면에 대한 시각화를 포함하여 광범위한 유연성으로 표면 뷰를 분석할 수 있습니다. 유체 흐름이 평면이 아닌 표면에 대한 시각화가 필요한 경우 유용합니다. 임의 클립을 사용하면 연속적으로 여러 클립을 만들 수도 있습니다.

Probe Data

포인트 프로브는 시간에 따른 변수의 진화를 보여주고, 라인 프로브는 거리에 따른 변수 값의 변화를 반환합니다. 오른쪽, 프로브는 유체의 응고 비율을 보여줍니다.

Vortex Cores

와류 코어 식별에 사용할 수있는 두 가지 옵션인 와류 및 고유 분석을 통해 코어 강도에 따라 필터링 가능한 결과 생성이 가능합니다.

엔지니어들은 연구를 위해 다양한 시각화 방법을 사용합니다. 유체 흐름에서 와류 코어의 분석은 중요한 문제로, 와류 코어는 속도 필드 내에 와류 구조 (중앙 트레이스)를 나타내는 선 입니다. 기술적으로, FlowSight는 와류 방법 및 고유치 분석에서 속도 벡터와 소용돌이 벡터의 속도장에서의 식별위치는 평행합니다. FlowSight는 사용자에게 와류 코어 식별을 위한 두 가지 옵션을 제공합니다. 코어는 특정 강도 이상 또는 이하로 FlowSight에서 필터링 될 수 있습니다. 코어는 일반적으로 코어 주위에 회전 또는 단순히 순환 강도의 비율에 의해 채색됩니다. 아래의 예에서는, 와류 코어 고유치 값 분석을 이용하여 생성됩니다. 강한 코어는 소용돌이의 중심에 형성되어있는 것을 알 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 펌프로 공기 흡입의 가능성을 연구 할 수 있습니다. 코어가 너무 강한 경우, 공기는 강한 와류로 인해 야기되는 열린 통로로부터 흡입될 수 있습니다.

History Data

그래프 도구는 일반적인 히스토리, 진단 및 메시 종속 데이터에 강력한 수준의 분석을 제공하여 서로 다른 시뮬레이션 데이터를 상대적으로 보여줍니다.