Figure 3. FLOW-3D results for Strathcona Dam spillway with all gates fully open at an elevated reservoir level during passage of a large flood. Note the effects of poor approach conditions and pier overtopping at the leftmost bay.

BC Hydro Assesses Spillway Hydraulics with FLOW-3D

by Faizal Yusuf, M.A.Sc., P.Eng.
Specialist Engineer in the Hydrotechnical Department at BC Hydro

BC Hydro, a public electric utility in British Columbia, uses FLOW-3D to investigate complex hydraulics issues at several existing dams and to assist in the design and optimization of proposed facilities.

Faizal Yusuf, M.A.Sc., P.Eng., Specialist Engineer in the Hydrotechnical department at BC Hydro, presents three case studies that highlight the application of FLOW-3D to different types of spillways and the importance of reliable prototype or physical hydraulic model data for numerical model calibration.

W.A.C. Bennett Dam
At W.A.C. Bennett Dam, differences in the spillway geometry between the physical hydraulic model from the 1960s and the prototype make it difficult to draw reliable conclusions on shock wave formation and chute capacity from physical model test results. The magnitude of shock waves in the concrete-lined spillway chute are strongly influenced by a 44% reduction in the chute width downstream of the three radial gates at the headworks, as well as the relative openings of the radial gates. The shock waves lead to locally higher water levels that have caused overtopping of the chute walls under certain historical operations.Prototype spill tests for discharges up to 2,865 m3/s were performed in 2012 to provide surveyed water surface profiles along chute walls, 3D laser scans of the water surface in the chute and video of flow patterns for FLOW-3D model calibration. Excellent agreement was obtained between the numerical model and field observations, particularly for the location and height of the first shock wave at the chute walls (Figure 1).

W.A.C에서 Bennett Dam, 1960년대의 물리적 수력학 모델과 프로토타입 사이의 여수로 형상의 차이로 인해 물리적 모델 테스트 결과에서 충격파 형성 및 슈트 용량에 대한 신뢰할 수 있는 결론을 도출하기 어렵습니다. 콘크리트 라이닝 방수로 낙하산의 충격파 크기는 방사형 게이트의 상대적인 개구부뿐만 아니라 헤드워크에 있는 3개의 방사형 게이트 하류의 슈트 폭이 44% 감소함에 따라 크게 영향을 받습니다. 충격파는 특정 역사적 작업에서 슈트 벽의 범람을 야기한 국부적으로 더 높은 수위로 이어집니다. 최대 2,865m3/s의 배출에 대한 프로토타입 유출 테스트가 2012년에 수행되어 슈트 벽을 따라 조사된 수면 프로필, 3D 레이저 스캔을 제공했습니다. FLOW-3D 모델 보정을 위한 슈트의 수면 및 흐름 패턴 비디오. 특히 슈트 벽에서 첫 번째 충격파의 위치와 높이에 대해 수치 모델과 현장 관찰 간에 탁월한 일치가 이루어졌습니다(그림 1).

Figure 1. Comparison between prototype observations and FLOW-3D for a spill discharge of 2,865 m^3/s at Bennett Dam spillway.

The calibrated FLOW-3D model confirmed that the design flood could be safely passed without overtopping the spillway chute walls as long as all three radial gates are opened as prescribed in existing operating orders with the outer gates open more than the inner gate.

The CFD model also provided insight into the concrete damage in the spillway chute. Cavitation indices computed from FLOW-3D simulation results were compared with empirical data from the USBR and found to be consistent with the historical performance of the spillway. The numerical analysis supported field inspections, which concluded that deterioration of the concrete conditions in the chute is likely not due to cavitation.

Strathcona Dam
FLOW-3D was used to investigate poor approach conditions and uncertainties with the rating curves for Strathcona Dam spillway, which includes three vertical lift gates on the right abutment of the dam. The rating curves for Strathcona spillway were developed from a combination of empirical adjustments and limited physical hydraulic model testing in a flume that did not include geometry of the piers and abutments.

Numerical model testing and calibration was based on comparisons with prototype spill observations from 1982 when all three gates were fully open, resulting in a large depression in the water surface upstream of the leftmost bay (Figure 2). The approach flow to the leftmost bay is distorted by water flowing parallel to the dam axis and plunging over the concrete retaining wall adjacent to the upstream slope of the earthfill dam. The flow enters the other two bays much more smoothly. In addition to very similar flow patterns produced in the numerical model compared to the prototype, simulated water levels at the gate section matched 1982 field measurements to within 0.1 m.

보정된 FLOW-3D 모델은 외부 게이트가 내부 게이트보다 더 많이 열려 있는 기존 운영 명령에 규정된 대로 3개의 방사형 게이트가 모두 열리는 한 여수로 낙하산 벽을 넘지 않고 설계 홍수를 안전하게 통과할 수 있음을 확인했습니다.

CFD 모델은 방수로 낙하산의 콘크리트 손상에 대한 통찰력도 제공했습니다. FLOW-3D 시뮬레이션 결과에서 계산된 캐비테이션 지수는 USBR의 경험적 데이터와 비교되었으며 여수로의 역사적 성능과 일치하는 것으로 나타났습니다. 수치 분석은 현장 검사를 지원했으며, 슈트의 콘크리트 상태 악화는 캐비테이션 때문이 아닐 가능성이 높다고 결론지었습니다.

Strathcona 댐
FLOW-3D는 Strathcona Dam 여수로에 대한 등급 곡선을 사용하여 열악한 접근 조건과 불확실성을 조사하는 데 사용되었습니다. 여기에는 댐의 오른쪽 접합부에 3개의 수직 리프트 게이트가 포함되어 있습니다. Strathcona 여수로에 대한 등급 곡선은 경험적 조정과 교각 및 교대의 형상을 포함하지 않는 수로에서 제한된 물리적 수리 모델 테스트의 조합으로 개발되었습니다.

수치 모델 테스트 및 보정은 세 개의 수문이 모두 완전히 개방된 1982년의 프로토타입 유출 관측과의 비교를 기반으로 했으며, 그 결과 가장 왼쪽 만의 상류 수면에 큰 함몰이 발생했습니다(그림 2). 최좌단 만으로의 접근 흐름은 댐 축과 평행하게 흐르는 물과 흙채움댐의 상류 경사면에 인접한 콘크리트 옹벽 위로 떨어지는 물에 의해 왜곡됩니다. 흐름은 훨씬 더 원활하게 다른 두 베이로 들어갑니다. 프로토타입과 비교하여 수치 모델에서 생성된 매우 유사한 흐름 패턴 외에도 게이트 섹션에서 시뮬레이션된 수위는 1982년 현장 측정과 0.1m 이내로 일치했습니다.

Figure 2. Prototype observations and FLOW-3D results for a Strathcona Dam spill in 1982 with all three gates fully open.

The calibrated CFD model produces discharges within 5% of the spillway rating curve for the reservoir’s normal operating range with all gates fully open. However, at higher reservoir levels, which may occur during passage of large floods (as shown in Figure 3), the difference between simulated discharges and the rating curves are greater than 10% as the physical model testing with simplified geometry and empirical corrections did not adequately represent the complex approach flow patterns. The FLOW-3D model provided further insight into the accuracy of rating curves for individual bays, gated conditions and the transition between orifice and free surface flow.

보정된 CFD 모델은 모든 게이트가 완전히 열린 상태에서 저수지의 정상 작동 범위에 대한 여수로 등급 곡선의 5% 이내에서 배출을 생성합니다. 그러나 대규모 홍수가 통과하는 동안 발생할 수 있는 더 높은 저수지 수위에서는(그림 3 참조) 단순화된 기하학과 경험적 수정을 사용한 물리적 모델 테스트가 그렇지 않았기 때문에 모의 배출과 등급 곡선 간의 차이는 10% 이상입니다. 복잡한 접근 흐름 패턴을 적절하게 표현합니다. FLOW-3D 모델은 개별 베이, 게이트 조건 및 오리피스와 자유 표면 흐름 사이의 전환에 대한 등급 곡선의 정확도에 대한 추가 통찰력을 제공했습니다.

John Hart Dam
The John Hart concrete dam will be modified to include a new free crest spillway to be situated between an existing gated spillway and a low level outlet structure that is currently under construction. Significant improvements in the design of the proposed spillway were made through a systematic optimization process using FLOW-3D.

The preliminary design of the free crest spillway was based on engineering hydraulic design guides. Concrete apron blocks are intended to protect the rock at the toe of the dam. A new right training wall will guide the flow from the new spillway towards the tailrace pool and protect the low level outlet structure from spillway discharges.

FLOW-3D model results for the initial and optimized design of the new spillway are shown in Figure 4. CFD analysis led to a 10% increase in discharge capacity, significant decrease in roadway impingement above the spillway crest and improved flow patterns including up to a 5 m reduction in water levels along the proposed right wall. Physical hydraulic model testing will be used to confirm the proposed design.

존 하트 댐
John Hart 콘크리트 댐은 현재 건설 중인 기존 배수로와 저층 배수로 사이에 위치할 새로운 자유 마루 배수로를 포함하도록 수정될 것입니다. FLOW-3D를 사용한 체계적인 최적화 프로세스를 통해 제안된 여수로 설계의 상당한 개선이 이루어졌습니다.

자유 마루 여수로의 예비 설계는 엔지니어링 수력학 설계 가이드를 기반으로 했습니다. 콘크리트 앞치마 블록은 댐 선단부의 암석을 보호하기 위한 것입니다. 새로운 오른쪽 훈련 벽은 새 여수로에서 테일레이스 풀로 흐름을 안내하고 여수로 배출로부터 낮은 수준의 배출구 구조를 보호합니다.

새 여수로의 초기 및 최적화된 설계에 대한 FLOW-3D 모델 결과는 그림 4에 나와 있습니다. CFD 분석을 통해 방류 용량이 10% 증가하고 여수로 마루 위의 도로 충돌이 크게 감소했으며 최대 제안된 오른쪽 벽을 따라 수위가 5m 감소합니다. 제안된 설계를 확인하기 위해 물리적 수압 모델 테스트가 사용됩니다.

Figure 4. FLOW-3D model results for the preliminary and optimized layout of the proposed spillway at John Hart Dam.

Conclusion

BC Hydro has been using FLOW-3D to investigate a wide range of challenging hydraulics problems for different types of spillways and water conveyance structures leading to a greatly improved understanding of flow patterns and performance. Prototype data and reliable physical hydraulic model testing are used whenever possible to improve confidence in the numerical model results.

다양한 유형의 여수로 및 물 수송 구조로 인해 흐름 패턴 및 성능에 대한 이해가 크게 향상되었습니다. 프로토타입 데이터와 신뢰할 수 있는 물리적 유압 모델 테스트는 수치 모델 결과의 신뢰도를 향상시키기 위해 가능할 때마다 사용됩니다.

About Flow Science, Inc.
Based in Santa Fe, New Mexico USA, Flow Science was founded in 1980 by Dr. C. W. (Tony) Hirt, who was one of the principals in pioneering the “Volume-of-Fluid” or VOF method while working at the Los Alamos National Lab. FLOW-3D is a direct descendant of this work, and in the subsequent years, we have increased its sophistication with TruVOF, boasting pioneering improvements in the speed and accuracy of tracking distinct liquid/gas interfaces. Today, Flow Science products offer complete multiphysics simulation with diverse modeling capabilities including fluid-structure interaction, 6-DoF moving objects, and multiphase flows. From inception, our vision has been to provide our customers with excellence in flow modeling software and services.

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Fig. 4. Meshed quarter aluminum model with HAZ regions and support steel plates.

Benchmark study on slamming response of flat-stiffened plates considering fluid-structure interaction

유체-구조 상호작용을 고려한 평판 보강판의 슬래밍 응답에 대한 벤치마크 연구

Dac DungTruong^abBeom-SeonJang^aCarl-ErikJanson^cJonas W.Ringsberg^cYasuhiraYamada^dKotaTakamoto^fYasumiKawamura^eHan-BaekJu^a
^aResearch Institute of Marine Systems Engineering, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Seoul National University, Seoul, South Korea
^bDepartment of Engineering Mechanics, Nha Trang University, Nha Trang, Viet Nam
^cDivision of Marine Technology, Department of Mechanics and Maritime Sciences, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden
^dNational Maritime Research Institute, National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology, Tokyo, Japan
^eDepartment of Systems Design for Ocean-Space, Yokohama National University, Kanagawa, Japan
^fDepartment of Mechanical Systems Engineering, Tokyo University of Agriculture and Technology, Tokyo, Japan

ABSTRACT

이 논문은 해양구조물의 평보강판의 슬래밍 반응에 대한 벤치마크 연구를 제시합니다. 목표는 유체-구조 상호작용(FSI) 시뮬레이션 방법론, 모델링 기술 및 슬래밍 압력 예측에 대한 기존 연구원의 경험을 비교하는 것이었습니다.

수치 FSI 시뮬레이션을 위해 가장 일반적인 상용 소프트웨어 패키지를 사용하는 3개의 연구 그룹(예: LS-Dyna ALE, LS-Dyna ICFD, ANSYS CFX 및 Star-CCM+/ABAQUS)이 이 연구에 참여했습니다.

공개 문헌에서 입수할 수 있는 경량 선박과 같은 바닥 구조의 평평한 강화 알루미늄 판에 대한 습식 낙하 시험 데이터는 FSI 모델링의 검증에 활용되었습니다. 형상 모델 및 재료 속성을 포함한 실험 조건의 요약은 시뮬레이션 전에 참가자에게 배포되었습니다.

충돌 속도와 강판의 강성이 슬래밍 응답에 미치는 영향을 조사하기 위해 해양 설비에 사용되는 실제 치수를 갖는 평판 보강 강판에 대한 매개변수 연구를 수행했습니다. 보강판에 작용하는 전체 수직력에 대한 FE 시뮬레이션 결과와 이러한 힘에 대한 구조적 반응을 참가자로부터 획득하여 분석 및 비교하였다.

앞서 언급한 상용 FSI 소프트웨어 패키지를 사용하여 슬래밍 부하에 대한 신뢰할 수 있고 정확한 예측을 평가했습니다. 또한 FSI 시뮬레이션에서 관찰된 동일한 영구 처짐을 초래하는 등가 정적 슬래밍 압력을 보고하고 분류 표준 DNV에서 제안한 해석 모델 및 슬래밍 압력 계산을 위한 기존 실험 데이터와 비교했습니다.

연구 결과는 등가 하중 모델이 물 충돌 속도와 플레이트 강성에 의존한다는 것을 보여주었습니다. 즉, 등가정압계수는 충돌속도가 증가함에 따라 감소하고 충돌구조가 더 단단해지면 증가한다.

This paper presents a benchmark study on the slamming responses of offshore structures’ flat-stiffened plates. The objective was to compare the fluid-structure interaction (FSI) simulation methodologies, modeling techniques, and established researchers’ experiences in predicting slamming pressure. Three research groups employing the most common commercial software packages for numerical FSI simulations (i.e. LS-Dyna ALE, LS-Dyna ICFD, ANSYS CFX, and Star-CCM+/ABAQUS) participated in this study. Wet drop test data on flat-stiffened aluminum plates of light-ship-like bottom structures available in the open literature was utilized for validation of the FSI modeling. A summary of the experimental conditions including the geometry model and material properties, was distributed to the participants prior to their simulations. A parametric study on flat-stiffened steel plates having actual scantlings used in marine installations was performed to investigate the effect of impact velocity and plate rigidity on slamming response. The FE simulation results for the total vertical forces acting on the stiffened plates and their structural responses to those forces, as obtained from the participants, were analyzed and compared. The reliable and accurate predictions of slamming loads using the aforementioned commercial FSI software packages were evaluated. Additionally, equivalent static slamming pressures resulting in the same permanent deflections, as observed from the FSI simulations, were reported and compared with analytical models proposed by the Classification Standards DNV and existing experimental data for calculation of the slamming pressure. The study results showed that the equivalent load model depends on the water impact velocity and plate rigidity; that is, the equivalent static pressure coefficient decreases with an increase in impact velocity, and increases when impacting structures become stiffer.

Fig. 6. (a) Boundary conditions of water hitting case and (b) water jets at end of the simulation.

Fig. 7. Comparison of prediction and test results for deflection time history of (a) D1 and (b) D2 for Vi = 2.3 m/s.

Fig. 8. Comparison of prediction and test results for maximum deflection with different impact velocities.

Fig. 16. Boundary conditions applied to present FSI simulations (Sym. denotes symmetric, and Cons. denotes constrained)

Fig. 24. Distribution of deflections at moment of maximum deflection in: (a) LS-Dyna ALE, (b) Star-CCM+/ABAQUS, (c) ANSYS CFD, and (d) LSDyna ICFD (unit: m).

Keywords

Benchmark studyEquivalent static pressureFlat-stiffened plateFluid-structure interactionPermanent deflectionSlamming pressure coefficient

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여수로 방류에 따른 여수로 바닥 슬래브의 손상 메커니즘 검토

Examinations of Damage Mechanism on the Chuteway Slabs of Spillway under Various Flow Conditions

Yoo, Hyung Ju ;
Shin, Dong-Hoon ;
Lee, Seung Oh

유형주 (홍익대학교 공과대학 건설환경공학과) ;
신동훈 (K-water연구원 물인프라안전연구소) ;
이승오 (홍익대학교 공과대학 건설환경공학과)
Published : 2021.06.03

Abstract

최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로의 유입량이 설계 당시보다 증가하여 댐의 안전성 확보가 필요하다(감사원, 2003). 이에 건설교통부(2003)는 기후변화와 댐 노후화에 대비하여 치수능력증대사업을 추진하여 댐의 홍수배제능력을 확보하였고, 환경부(2020)에서는 40년 이상 경과된 댐을 대상으로 스마트 안전관리체계 구축을 통한 선제적 보수보강, 성능개선 및 자산관리로 댐의 장수명화를 목적으로 댐의 국가안전대진단을 추진하고 있다. 이에 본 연구에서는 댐 시설(여수로)의 노후도 평가 시 활용 될 수 있는 여수로 표면손상 원인규명에 대하여 3차원 수치모형(FLOW-3D 및 COMSOL Multiphysics)을 통해 검토하고자 한다. 연구대상 댐은 𐩒𐩒댐으로 지형 및 여수로를 구축하였으며, 계획방류량(200년 빈도) 및 최대방류량(PMF) 조건에서 모의를 수행하였다. 수치모의 계산의 정확도 검토를 위하여 Baffle의 설치를 통하여 시간에 따른 유량의 변화를 설계 값과 비교하였고 오차가 1.0% 이내를 만족하는 것을 확인하였다. 여수로 표면손상의 다양한 원인 중 기존연구(USBR, 2019)를 통하여 공동침식(Cavitation Erosion) 및 수력잭킹(Hydraulic Jacking)에 초점을 두었으며 방류조건 별 공동지수(Cavitation Index)산정을 통하여 공동침식 위험 구간을 확인하였다. 이음부의 균열 및 공동으로 인한 표층부 콘크리트의 탈락현상을 가속화시키는 수력잭킹 검토를 위하여 국부모형을 구축하였고 음압력(Negative Pressure), 정체압력(Stagnation Pressure), 양압력(Uplift Pressure)의 분포를 확인하였다. 최종적으로 COMSOL Multiphysics를 통하여 압력분포에 따른 구조해석을 수행하여 폰 미세스(Von Mises) 등가응력 및 변위를 검토하여 콘크리트의 탈락가능성을 확인하였다. 본 연구는 여수로 공동부 및 균열부에서의 손상메커니즘을 확인할 수 있는 기초적인 연구이지만 향후에는 다양한 지형조건 및 흐름조건에서의 압력분포 분석 및 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI)모의를 수행한다면 구조물 노후도 및 잔존수명 평가에 필요한 손상한계함수 도출이 가능할 것으로 기대된다.

Keywords

원문보기

Investigation of Mould Leakages in a Gravity Casting

This article was contributed by Gabriele Taricco of CM Taricco and Stefano Mascetti of XC Engineering.

Metal leakages in the original gravity casting mould

몰드 설계는 유체 역학과 금속 응고 패턴뿐만 아니라 주형 자체에서 발생할 수 있는 문제와 응력에 대한 반응을 고려해야 하는 매우 복잡한 작업입니다. 이탈리아에 본사를 둔 주형 제작 업체인 CMTaricco 사는 최근에 새로운 주형 중 하나의 하부에서 금속 누출 문제에 직면했습니다. 주형 누출의 원인은 처음에는 분명하지 않았으며 몇 번의 공정 주기 후에만 나타났습니다. 제작 일정에 차질이 생기고 부품 주조 비용이 급격히 증가하기 때문에 문제가 중요한 것은 분명했습니다.

Investigation of an idea

공정 자체는 주입과 오버플로우 설계인 중력 주조 방식이었기 때문에 유체 역학 부분에서는 문제가 발생할 수 없었습니다. GabrieleTaricco (CMTaricco의 소유주)의 가설은 금속 누출이 주형의 열 손실의 설계 불량에서 기인하여 균일하지 않은 분포를 초래한다는 것이었습니다. 변형률과 그에 따라 주형 바닥에서 크고 원하지 않는 변형이 순환하면서 금속이 유출될 수 있는 중요한 영역의 개방까지 주기적으로 시행되었습니다. 이를 확인하고 문제에 대한 신속한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D시뮬레이션을 실행하여 주형이 가열될 때 발생하는 현상을 정확하게 파악했습니다.

Schematic of a critical area where metal was flowing out of the mould

A careful setup, to achieve a fast resolution of the issue

문제의 원인은 신속하게 파악할 수 있어야 했기 때문에 최신 Flow-3D기능을 모두 활용하여 정확한 설정이 필요했습니다. 특히, 채택된 meshing기법은 전통적인 설정과 거의 동일한 정확도를 유지하면서 전산 셀의 수를 크게 줄이는데 매우 도움이 되었습니다. 빠른 시뮬레이션으로 주형 세척에 사용된 첫 번째 방법은 주형 내부의 얇은 캐비티를 직교 축과 정렬하기 위해 주형을 수직 축 주위로 회전시키는 것이었습니다.

Rotating the mould around the vertical axis in order to align the inner thin cavity of the mould

두 번째 트릭은 내부 공동 (얇은 벽)에 new conformal mesh기능을 사용하는 한편 전체 도메인에 대해 기존의 더 큰 메쉬 블록을 유지하는 것 이었습니다. The conformal mesh는 open volume과 일치하고, 작은 간극을 갖는 cavity로 제한됩니다.

A global view of the mould with cores and its alignment with the mesh blocks

마지막으로, 외부 공간을 주형에 제한하기 위해(현재 구두 상자 모양이 되고, 20도 회전하며, 모델 축과 정렬상태) 일부’ 도메인제거’ 요소가 사용되었습니다.즉, FLOW-3D의 내부 솔리드 모델을 통해 직접 연결됩니다

Domain removing components (yellow) were used to limit the space externally to the mould.

나머지 설정은 소프트웨어의 권장 기본값 대부분을 이용하여 기존 체계를 따랐습니다. 이러한 기능과 FLOW-3D의 새로운 하위 도메인 분해 기능 덕분에 설계된 9 000 000 셀을 유체 하위 도메인의 경우에만 1 840 000 셀로, 고체 서브 도메인의 경우 2 430 000 셀로 줄이는 것이 가능했습니다.

The analysis

주입 시뮬레이션 후, 양호한 주입 패턴을 보장하기 위해 시뮬레이션의 초점이 열 다이 사이클링 분석으로 리디렉션 되었습니다. 이 경우 설정은 일반 데스크 톱 컴퓨터에서 10개의 생산 사이클을 재현하는 데 1시간이면 간단하고 빠릅니다(i7930 K, 상업적 가치 1500달러). 그 결과 CM의 초기 가설이 확인되었습니다. FlowSight를 사용하여 단일 이미지에서 여러 시점과 횡단면에서 온도 필드를 관찰한 결과 온도가 d라는 것이 분명했습니다. 주형의 침입은 예상되는 변형과 금속 누출을 쉽게 유발할 수 있습니다.

Simulation of the mould’s temperature during the die cyclings

Further analysis with the Fluid-Structure Interaction module

일단 문제가 확인되고 기술 요원이 향상된 금형 설계를 시작하면 CM Taricco는 다이 상의 응력 및 변형에 대한 FEM 해석을 실행하는 최종 확인을 원했습니다. 이 분석을 수행하기 위해 XC Engineering Srl은 CM이 계산을 설정하고 수행하는 것을 도왔습니다. 분석의 결과는 정확히 CM이 생각하고 있는 것을 보여주었습니다. FLOW-3D는 붓기가 거의 걸리지 않은 금형에서 발견 된 실제 변형과 동일한 위치와 크기를 극도의 정확도로 재현 할 수 있었습니다. 이것은 CM에 대한 좋은 소식이었으며, 실제 주조 조건을 기반으로 실제 금형 변형을 예측하기 위해 설계 단계에서 FSI 모듈을 사용하는 추가 권장 사항을 시행했습니다.

Deformation of the mould during the die cyclings, simulated using the Fluid Structure Interaction model. Deformations are amplified x20.

Conclusion

해석결과, CM직원은 CFD솔루션의 온도영역에 대한 모든정보를 사용하여 최적화된 새로운 주형을 설계할 수 있었습니다. 새로운 주형은 열 에너지를 보다 효율적인 방법으로 방출할 수 있었으며 주조물은 수 십번의 공정 주기 후에도 금속 누출의 영향을 받지 않았습니다.

The cast part after mould optimization. No critical leak defects are present.

Thermal Stress Evolution

FLOW-3D의 열 응력 진화 (TSE) 모델은 모델링 할 수있는 주조 공정의 범위를 확장합니다. FSI / TSE 모델은 주변 유체의 압력 력, 온도 구배 및 지정된 구속 조건에 대한 응답으로 솔리드 및 응고 부품의 모델 응력 및 변형에 대한 유한 요소 접근법을 사용하여 유체와 솔리드 간의 완전 결합 상호 작용을 설명합니다.

불균일 냉각으로 인해 응고 과정에서 열 응력이 발생합니다. 이러한 응력은 주형 벽의 수축과 주조 모양의 불규칙성에 영향을받습니다.

위의 시뮬레이션은 고형 알루미늄 V6 엔진 블록의 Von Mises 응력을 보여줍니다. 이 블록은 강철 다이 내에서 주조 된 알루미늄 A380 합금으로 구성됩니다. 알루미늄의 주입 온도는 527 ° C 였고 초기 다이 온도는 125 ° C였다. 부품을 다이에서 60 초 동안 냉각시킨 후 다이를 열고 주변 조건 (125 ° C)에서 부품을 9 분 동안 계속 냉각시켜 총 10 분의 시뮬레이션 시간을 가졌다. 보여진 폰 미제스 응력은 부품 내부의 전단 응력의 크기를 측정 한 것으로, 파열이 가장 많이 발생하는 부위를 나타냅니다. 응력은 금형과 응고 금속에서 동시에 계산 될 수 있습니다. 메싱은 FLOW-3D의 구조화 된 메쉬를 초기 템플릿으로 사용하여 자동으로 수행 할 수 있습니다. 사용자는 중첩 또는 링크 된 메쉬 블록을 생성하고 V11.0의 새로운 준수 메쉬 기능을 사용하여 메쉬의 로컬 해상도를 제어 할 수 있습니다. 또는 Exodus-II 형식의 타사 메쉬 생성 소프트웨어에서 Finite Element 메쉬를 가져 오는 옵션이 있습니다.

Simulating Thermal Stress

아래 그림은 강철 다이 내에 알루미늄 A380 합금 주물로 구성된 알루미늄 커버입니다. 주입 온도는 654 ℃이고 초기 다이 온도는 240 ℃이다. 부품은 6 초 동안 다이 내에서 냉각되어 부품이 완전히 고화되었다 (러너 시스템 제외). 그런 다음 다이를 열고 부품을 주변 조건 (25 ° C)에서 10 초 더 냉각시켰다. 러너 시스템을 제거한 후 주위 조건에서 10 초간 더 냉각시켰다. 여기에 표시된 일반 변위는 가장 큰 변형 영역을 강조하기 위해 30 번 확대 된 부품 표면의 동작을 나타냅니다.

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

FLOW-3D v11의 새로운 기능은 인접한 유체 구조 상호 작용 (FSI) 구성 요소 및 / 또는 열 응력 진화 (TSE) 응고 유체 영역 사이의 탄성 응력을 허용하는 기존의 유한 요소 역학 해석법으로의 업그레이드입니다. 결합. 이 새로운 기능은 복잡하고 변형이 심한 다중 재료 부품 (예 : 몰드에서 금속 주 조용 응고 또는 바이메탈 게이지)의 열 응력과 변형을 시뮬레이션하고 연결된 유압에서 힘을 시뮬레이션하는 것을 포함하여 풍부한 모델링 가능성을 열어줍니다. 레이디 얼 게이트 및 파이프 라인 지원 시스템과 같은

모델에는 복잡한 프로세스를 효율적으로 계산할 수있는 몇 가지 옵션이 있습니다.

No coupling

이 옵션은 인접한 FSI 구성 요소가 스트레스를 교환하지 않는 단순화 된 사례를 나타냅니다. 이것은 계산 상 효율적이며 구성 요소 간의 응력 상호 작용이 중요하지 않은 시나리오에 적합합니다.

Full coupling

전체 커플 링 옵션은 함께 융합되었지만 재료 특성이 다른 이웃 FSI 구성 요소를 모델링하기위한 것입니다. 두 구성 요소는 서로 떨어져서 당기거나 서로 밀어 낼 수 없지만 인터페이스의 응력은 구성 요소간에 전송됩니다. 이는 바이메탈 스트립과 같은 접합 구조를 모델링하는 데 이상적입니다.

Partial coupling

부분 커플 링 옵션은 인접한 FSI 구성 요소가 마찰 및 수직력을 통해 상호 작용하지만 분리 될 수있는 일반적인 문제를 모델링하기위한 것입니다. 이 옵션은 FSI 구성 요소와 TSE 응고 유체 영역을 결합하는 데 사용할 수 있으므로 다이에서 냉각되는 부품과 주조 부품에 대한 열 응력의 영향을 조사하는 데 이상적입니다.

모델의 새로운 기능을보다 자세히 보여주기 위해 두 가지 시뮬레이션이 제공됩니다. 첫 번째 상황은 전체 커플 링 옵션을 사용하여 시간에 따라 변화하는 온도에 따라 바이메탈 스트립 벤딩을 모델링하는 반면 두 번째 예는 다이 커플 링에서 V6 엔진 블록의 응고 중 열 응력을 보는 부분 커플 링 모델의 사용을 보여줍니다 .

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

전체 커플 링 옵션의 가장 단순한 예 중 하나는 온도 구배에 따른 바이메탈 스트립의 움직임입니다. 이러한 스트립은 두 개의 금속이 온도 변화에 반응하여 동일한 속도로 팽창하지 않기 때문에 열 스위치 및 굴곡에서 일반적으로 사용됩니다. 시뮬레이션에서 모델링 된 바이메탈 스트립은 그림 1에서와 같이 동일 치수의 구리 스트립에 접합 된 길이 15cm, 두께 0.5cm의 강철 스트립으로 구성된 캔틸레버 빔입니다.

그림 1 : 예제 시뮬레이션에 사용 된 바이메탈 스트립의 개략도. 검은 색 화살표는 처짐이 탐지 된 곳을 나타냅니다. 긍정적 인 처짐은 상향이다.
이어서, 스트립을 온도가 70 초 이상 균일하게 변화하는 환경에 두었다. 그림 2는 시뮬레이션을위한 스트립 팁의 편향과 시간 경과에 따른 다양한 온도에서의 분석 솔루션을 보여줍니다. 결과는 온도가 변했을 때와 스트립의 열 관성으로 인한 스트립의 응답 사이의 약간의 지연을 포함하여 몇 가지 흥미로운 특징을 보여줍니다. 이 지연은 해석 솔루션이 온도의 순간 변화를 가정하기 때문에 계산 된 해석 편차와 해석 편향 사이의 타이밍 차이에 영향을 미칩니다. 변위의 진폭 차이는 분석 결과에서 무한히 얇은 스트립의 가정에 기인 할 수 있습니다. 계산 모델의 두께는 장착 지점에서 추가 응력을 추가하여 처짐이 증가합니다.

그림 2 : 시뮬레이션 시간 동안 스트립의 끝에서의 처짐. 플롯에는 해석 적 (밝은 파란색) 및 계산 된 (빨간색) 편향과 스트립의 평균 온도 (진한 파란색)가 표시됩니다.

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

그림 3 : V6 엔진 블록의 온도 프로파일 단면도. 시뮬레이션 시작 7 초.

두 번째 예제 시뮬레이션은 부분 결합 모델을 사용하여 변형 가능한 스틸 다이 내의 금속 주조물에 응력이 발생하는 것을 보여줍니다. 다이의 두 반쪽과 응고 된 유체는 서로 부분적으로 결합되어있어 정상 응력과 마찰을 통해 상호 작용합니다. 이 시뮬레이션은 금형과 주조 부품의 열 응력 변화가 770K의 고 상선 온도 바로 아래에서 293K의 주변 온도까지 냉각되는 것을 보여줍니다. 주조 부품은 A380 알루미늄 합금으로 이루어져 있으며 금형 반은 H-13 강으로 구성됩니다.

캐스트 부품과 주변 다이의 유한 요소 메쉬는 그림 3과 같이 3,665,533 개의 요소와 3,862,378 개의 노드로 구성됩니다. 또한 다이 반쪽과 TSE 응고 된 유체 영역 각각에 대해 서로 다른 메쉬가 표시됩니다. 앞면에있는 빨간색 원은지지 피스톤 (그림에서는 보이지 않음)으로 인한 것입니다.

그림 4는 충진 후 고압 다이 캐스팅 부품 300s의 주조물 온도와 변위 크기로 채색 된 강철 다이 조각을 결합한 이미지를 보여줍니다. 이 시뮬레이션에서, 다이는 응고 알루미늄에 결합되어 응력이 그들 사이에 전달됩니다. 변위 크기는 다이의 에지에서 0에서부터 주조에 인접한 0.1mm 이상까지 다양합니다.

몰드와 응고 된 유체 표면 사이의 계면에서의 응력은 부분적으로 결합되고, 구속 된 수축이 보일 수있다. 그림 4는 시뮬레이션을 통해 주조 부품과 다이 반제품의 절반에 발생하는 변형을 보여줍니다. 다이 반쪽과 주물은 온도가 감소함에 따라 다른 속도로 줄어들므로 간섭 영역에 큰 응력이 발생하고 잠재적 문제 영역이 있음을 나타냅니다. 금형과 부품의 결합 응력을 계산하면 각 부품 내에서 발생하는 응력을 더 잘 예측하고 부품 품질을 개선하고 공구 수명을 연장하는 방법에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

Conclusion

서로 다른 솔리드 오브젝트의 상호 작용은 현대의 설계 및 엔지니어링에서 중요한 부분입니다. FLOW-3D에 대한 FSI 구성 요소와 TSE 응고 유체 영역 간의 새로운 커플 링 옵션을 추가하면 오늘날의 엔지니어가 정기적으로 겪게되는 복잡한 형상을 평가할 수있는 유용한 도구를 제공합니다.

[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 와 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 과 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 나 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 iterations와 Convergence 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^-8보다 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.

Preconditioning of FSI GMRES 옵션이 활성화되고
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(FAVOR^TMfractions)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

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.
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 the part and runners, die open.

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.

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

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.

THE ELASTIC MEMBRANE AND WALL MODEL IN FLOW-3D [FLOW-3D의 탄성 멤브레인과 벽 모델]

1. Introduction
An elastic membrane and wall model has been developed to provide a limited Fluid-Structure Interaction (FSI) capability in FLOW-3D. In the model, deformation of an elastic membrane or an elastic wall impacts the adjacent fluid flow, while fluid pressure, in turn, affects the deformation. These interactions are described in the code in a fully coupled fashion.
The main assumption of the model is that the deformations are small, i.e., the deflections are much smaller than the size of the deforming object (for elastic membranes) or the characteristic lengths of fluid flow and wall thickness (for elastic walls), allowing for a few useful simplifications. The geometries of membranes and elastic walls are assumed to be time-invariant, while the effects of their deformation on fluid flow are described with volume sources and sinks distributed along the fixed fluid-structure interface. With the further assumption that the pressure force is uniformly distributed on the membrane surface, analytical solutions rather than structural analysis algorithms are used to determine the membrane deformation.
There are many potential applications for the model in microfluidic systems, e.g., chemical analysis systems, medical microdosage systems and inkjet devices. The model can be used to simulate flow in piezoelectric valveless pumps which convert membrane vibrations into a pumping action. The model can also be used to simulate droplet formation for piezoelectric inkjet printheads where a membrane or an elastic tube deforms under the force of a piezoelectric actuator to produce a droplet of ink.

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

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

Gridding에 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.

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Modeling Fluid Flow in Complex Geometry is Easy with FAVOR™

FLOW-3D 는 직사각형 격자 내에서 일반 기하학적 영역을 정의하는데 사용되는 FAVOR™ (Fractional Area Volume Obstacle Representation) 방법으로 알려진 특별한 기술을 사용합니다. FAVOR™ 기본 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.