Figure 4 A view of the ogee spillway and Type 2 piers in the 3D CFD model

NUMERICAL ANALYSIS AND THE REAL WORLD : IT LOOKS PRETTY BUT IS IT RIGHT?

D. K. H. Ho, S. M. Donohoo, K. M. Boyes and C. C. Lock
Advanced Analysis, Worley Pty Limited
L7, 116 Miller Street, North Sydney, NSW 2060 Australia
Tel: +61 2 8923 6817 e-mail: david.ho@worley.com.au

Abstract

엔지니어링 설계에서 유한 요소, 유한 차분 및 전산 유체 역학 분석 소프트웨어와 같은 수치 도구의 일상적인 사용이 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 소프트웨어 및 하드웨어 기술의 발전은보다 비선형적이고 복잡한 3 차원 분석이 수행되고 있음을 의미합니다.

그러나 본질적으로 “블랙 박스”인 이러한 강력한 소프트웨어는 “컴퓨팅”기술을 보유하고 있지만 광범위한 엔지니어링 경험이 필요하지 않은 분석가의 손에 “컴퓨터 보조 재해”로 이어질 수 있습니다. 품질 보증 절차의 엄격한 구현은 수치 모델이나 분석 기법이 정확한지 확인할 필요가 없을 수 있습니다.

이 백서에서는 복잡성이 증가하는 세 가지 실제 토목 공학 응용 프로그램에서 수치 분석 결과를 검증하는 방법을 설명합니다. 여기에는 유한 요소법을 이용한 수조 탱크의 구조 해석, 전산 유체 역학법을 이용한 수력 구조물 위의 홍수 조사, 유한 ​​차분법을 이용한 안벽 시공 시뮬레이션 등이 있습니다. 입력 데이터의 불확실성 수준과 각 사례에 대한 계산 결과의 신뢰성에 대해 논의합니다. 분석 과정에서 몇 가지 흥미로운 결과가 발견되었습니다.

첫 번째 사례 연구는 시공의 질이 구조물의 성능에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 그러나 설계자는 설계 단계에서 이러한 상황을 수량화하고 분석하지 못할 수도 있습니다. 필요할 경우 향후 역분석은 물론 설계 검증의 기준점이 될 수 있도록 공사 종료 시 모니터링의 중요성이 필수적입니다. 유한 요소 분석은 복잡한 문제를 분석할 수 있는 강력한 수치 도구이지만, 분석가들은 문제의 행동이 단순하고 잘 이해되는 것처럼 보일 수 있는 상황에서 예상치 못한 결과를 만날 수 있도록 준비해야 합니다.

두 번째 사례 연구에서는 중요한 배수로 구조에 전산 유체 역학 분석이 처음으로 적용 되었기 때문에 엄격한 검증 프로세스가 강조됩니다. 그것은 2D ogee 방수로 프로파일로 시작하여 문제의 방수로의 3D 모델을 분석하기 위해 진행되는 방식으로 수행되었습니다.
계산된 결과를 각 단계에서 이론 및 물리적 테스트 데이터와 비교했습니다. 유체 흐름 문제의 비선형적 특성에도 불구하고, 분석은 확신을 가지고 실제 설계 목적에 적합한 결과를 제공할 수 있었습니다.

최종 사례 연구에서는 안벽의 거동이 시공 이력과 매립 방식에 영향을 받은 것으로 나타났습니다. 벽의 움직임은 매우 가변적인 토양 속성에도 불구하고 질적으로도 단순한 비선형 토양 모델을 사용하여 정확하게 예측되었습니다. 지속적인 모니터링 기록이 없기 때문에 검증은 어려웠습니다. 계산된 결과를 검증하는 열쇠는 수치 소프트웨어 도구를 사용하지 않는 독립적인 계산을 찾는 것입니다. 대부분의 경우 이러한 솔루션을 사용할 수 있습니다. 그러나 다른 경우에는 실험실 또는 현장 관찰에만 의존할 수 있습니다.

Introduction

오늘날 수치 해석은 대부분의 엔지니어링 설계에서 필수적인 부분을 형성합니다. 따라서 결과 검증의 필요성은 분석 기술 / 방법론을 신뢰할 수 있고 설계자가 계산 된 결과에 대한 확신을 가질 수 있도록 설계 프로세스 전반에 걸쳐 매우 중요합니다.

일반적인 관행은 고전 이론, 실험 데이터, 게시 된 데이터, 유사한 구조의 성능 및 다른 사람이 수행 한 수치 계산에 대해 결과를 검증하는 것입니다. 때때로 소프트웨어 개발자가 제공 한 벤치 마크 또는 검증 예제가 이러한 목적으로 사용될 수 있지만 전체 범위의 문제를 포괄 할만큼 포괄적 인 경우는 거의 없습니다.

수치 해석을 시작하기 전에 분석가는 입력 데이터의 신뢰성, 소프트웨어 도구가 문제의 문제를 해결할 수 있는지 여부 및 결과를 검증하는 방법을 결정해야합니다. 검증 프로세스가 많은 실무자들에 의해 품질 보증 절차의 일부로 채택되었지만 비용이 많이 드는 실패가 여전히 발생했습니다 [1].

Validation

결과 검증의 필요성은 수치 분석의 사용 (남용)에서 일부 나쁜 업계 관행을 관찰함으로써 강화 될 수 있습니다. 수치 계산을 수행하기 위해 고용 된 일부 엔지니어 / 분석가는 계산 뒤에있는 기본 이론을 완전히 이해하지 못하거나 숨겨진 함정을 처리 할 수있는 실제 엔지니어링 경험이 충분하지 않을 수 있습니다.

일부 소프트웨어가 “CAD와 유사”해지고 많은 사람들이 작동하기 쉽다고 주장하기 때문에 엔지니어링 회사가 대학원 엔지니어 대신 초보를 고용하여 수치 모델링 및 분석을 수행하는 경향이 점차 증가하고 있습니다.

사용자는 복잡한 지오메트리 모델을 생성하고, 적절한 요소와 메시를 만들고, 각 하중 케이스에 대한 경계 조건 (접촉, 하중 및 고정)을 적용하고, 속성을 할당하고, 제출에 필요한 모든 플래그 / 스위치 / 버튼을 설정하는 데 상당한 노력을 기울일 것입니다.

분석이 실행됩니다. 자체 검사를위한 일부 품질 보증 절차는 전처리 단계에서 따를 수 있지만 계산이 완료되고 결과가 후 처리 될 때까지 많은 사용자는 출력이 어느 정도 정확하다고 쉽게 믿을 것입니다. 지오메트리 생성은 수치 모델링 프로세스의 일부일뿐입니다. 가장 어려운 문제 중 하나는 전체 설계 프로세스에서 불확실성을 다루는 것입니다. 재료 속성 및 로딩 순서와 같은 입력과 관련된 불확실성이 있습니다.

예를 들어 모델이 선형 또는 비선형 방식으로 동작하는지 여부와 같이 솔루션 유형의 적절성과 관련된 불확실성이 있습니다. 마지막으로 결과 해석과 관련된 불확실성이 있습니다. 수치 분석에서 결과를 검증하고 문제를 발견하는 데있어 분석가를위한 좋은 방법에 대한 간단한 지침은 없습니다. 그러나 다음 방법을 통해 점차적으로 달성 할 수 있습니다.

• 수치 적 방법 과정에 대한 좋은 이해 – 이것은 학부 및 / 또는 대학원 수준의 공식 교육을 통해 얻을 수 있으며 지속적인 전문성 개발의 일환으로 자습을 통해 더욱 향상 될 수 있습니다.
• 특정 유형의 문제에 대한 기본 이론과 해결책의 범위를 잘 이해합니다. 이 역시 위와 같은 교육을 통해 이루어질 수 있습니다.
• 실제 문제를 해결하는 데 공학적 판단을 사용하고 수치 분석을 수행 한 경험이 있습니다. 이는 숙련 된 엔지니어가 분석가를 적절하게 감독하는 환경에서 작업함으로써 얻을 수 있습니다.

품질 보증 시스템의 구현이 실행 가능한 솔루션으로 이어지는 엔지니어링 판단을 대체하는 것은 아니라는 점에 유의해야합니다. 복잡한 대규모 모델을 분석하기 전에 시뮬레이션 기술과 문제의 근본적인 동작을 완전히 이해하기 위해 간단한 테스트 모델을 사용하여 수치 “실험”을 수행해야하는 경우가 매우 많습니다.

경험에 따르면 때때로 테스트 모델 자체가 분석가가 최종 설계 솔루션에 도달 할 수있는 충분한 정보를 제공 할 수 있습니다. 해당 대형 복합 모델의 분석은 설계 기대치를 확인하는 것입니다. 다음 사례 연구는 결과 검증이 수행 된 방법과 신뢰 수준 및 불확실성이 해결된 방법을 보여줍니다.

Applications

일반적인 토목 공학 프로젝트에서 수치 분석은 구조 역학, 기하학 및 유체 역학의 세 가지 기본 분야 중 하나 또는 조합을 포함 할 수 있습니다. 문제의 성격은 토양-구조 상호 작용, 유체-구조 상호 작용 또는 토양-유체 상호 작용 중 하나로 분류 될 수 있습니다.

어떤 경우에는 세 가지 모두를 포함 할 수 있습니다. 잠재적 인 복잡성을 고려하여, 정확도를 잃지 않고 실제 목적을 위해 중요한 동작을 캡처하지 않고 문제를 단순화하기 위해 몇 가지 가정과 이상화가 이루어져야합니다. 이러한 문제를 해결할 수있는 범용 및 특수 수치 분석 소프트웨어가 있습니다. 두 가지 유형의 소프트웨어가 사례 연구에 사용되었습니다.

Case 1 – Deflection of a steel water tank

직경 약 90m의 대형 원형 강철 물 탱크는 처음 채울 때 큰 벽면이 휘어지면서 탱크의 장기적인 구조적 무결성에 대한 우려를 불러 일으켰습니다.

물의 높이는 전체 저장 용량에서 약 10m였습니다. 지붕 구조는 탱크 내부에있는 기둥으로 거의 전적으로지지되었습니다. 스트레이크(strakes)는 벽의 바닥 1/3이 더 두꺼운 고급 강판으로 구성되었습니다. 1 차 윈드 거더는 탱크 상단 주위에 용접되었고 2 차 윈드 거더는베이스 위 2/3에 위치했습니다. 하단 스트레이 크는 환형베이스 플레이트에 필렛 용접되었습니다. 내부 기둥의 기초를 제외한 전체 바닥은 용접 된 강판으로 덮여있었습니다.

이 탱크는 유능한 중간층 사암과 미사암 기반암 위에 압축된 채움물 위에 세워졌습니다. 일련의 축 대칭 유한 요소 분석 (FEA)을 수행하여 관찰된 처짐을 예측할 수 있는지 여부를 결정하고 매일 물을 채우고 비울 때 피로 파괴가 발생할 가능성으로 인해 벽 바닥의 응력 상태를 계산했습니다.

내부 기둥과 지붕 빔을 포함하는 탱크의 12 분의 1 섹터에 대한 3 차원 모델을 처음에 분석하여 벽이 얼마나 많은 지붕 자중을지지하고 축 대칭 가정의 타당성을 조사했는지 조사했습니다. 이 분석의 결과는 지붕 구조의 강성 기여도가 중요하지 않아 후속 축 대칭 모델에 포함되지 않았 음을 보여주었습니다.

그러나 지붕 자체 무게의 작은 부분이 벽에 적용됩니다. 축 대칭 모델은 모든 강철 섹션, 필렛 및 맞대기 용접 및 기초로 구성되었습니다 (그림 1). 그것들은 몇 개의 3 노드 삼각형 축 대칭 요소가있는 4 노드 비 호환 모드 사변형으로 이산화되었습니다.

용접 재료를 통해서만 하중 전달이 허용되도록 용접이 모델링되었습니다. 용접 연결부에 미세한 메시를 사용하여 응력 상태를 정확하게 포착했습니다. 롤러 지지대는 모델의 측면 및 하단 경계에 적용되었습니다. 다음과 같은 하중이 적용되었습니다 :

철골 구조물의 자중, 지붕 자중, 벽의 정수압, 수위에 따른 바닥의 균일 한 압력. 한 모델은 용접 또는베이스의 강판이 플라스틱 힌지를 형성하기 위해 항복되었다고 가정했습니다. 이 경우 벽 바닥에서 핀 연결이 모델링되었습니다.

Partial FE mesh of tank/foundation. Insert shows mesh and stress distribution at wall base
그림2 Partial FE mesh of tank/foundation. Insert shows mesh and stress distribution at wall base

벽 처짐은 그림 2에 나와 있습니다. 측정 범위와 계산 된 결과는 비교 목적으로 표시됩니다. 계산 된 벽 처짐을 검증하기 위해 두 벽 두께에 대한 Timoshenko 및 Woinowsky-Krieger [2]에 기반한 고전 이론도 그림에 표시되었습니다. 계산 된 편향은 이론적 계산에 의해 제한됨을 관찰 할 수 있습니다.

벽 두께의 변화로 인한 전이가 분석에서 포착되었습니다. 이것은 유한 요소 모델에 대한 확신을 제공했습니다. 윈드 거더와 구속 된베이스의 영향도 볼 수 있습니다. 윈드 거더 설치로 인해 초기 변형이 발생하여 공사가 끝날 때 벽 상단이 안쪽으로 당겨질 수 있습니다. 굽힘 동작이 발생한베이스 근처를 제외하고는 후프 동작이 벽 동작을 지배했습니다.

계산된 최대 처짐이 측정된 순서와 동일하더라도 최대 돌출이 발생한 높이는 예측되지 않았습니다. 실제로 조사 데이터는 몇 가지 가능한 시나리오를 제안했습니다.베이스에 플라스틱 힌지 형성 (그러나이 영역에서 계산 된 응력은 항복 강도를 초과하지 않았습니다). 지반 재료의 국부적 인 베어링 고장 (다시 현장에서 균열과 같은 명백한 지시 신호가 보이지 않음); 또는 탱크 건설이 끝날 때 내장 된 기하학적 결함이있었습니다. 사전 변형 된 탱크에서 역 분석을 수행하여 측정 된 처짐이 정수압 하에서 “회복”되었습니다. 그러나 계산된 응력은 수율을 훨씬 초과했습니다. 불행히도 탱크는 완성 후 첫 번째 충전 전에 즉시 조사되지 않았습니다.

Figure 2 Wall deflection of water tank
Figure 2 Wall deflection of water tank

탱크의 원래 디자인과 건설이 2000 년대 초에 수행되었다는 점은 흥미 롭습니다. 설계 계산에 관련 표준 [3]을 사용했습니다. 이 표준은 탱크 벽이 후프 동작만으로 작용한다고 가정하고이 구조의 경우가 아닌베이스의 제약 조건을 무시합니다. 벽 처짐의 크기는 기초 강성을 고려한 Rish [4]가 개발 한 고전 이론 [2] 또는 FEA와 같은 수치 분석에 의해 결정될 수 있습니다. 고급 강철을 사용하면 설계자는 강도에는 적합하지만 서비스 가능성에는 필요하지 않은 더 얇은 섹션을 선택해야합니다. 굽힘 강성은 큐브 두께에 의해 결정됩니다. 수중 부하에서 후속 벽 변형 프로파일은 제작 품질에 영향을받습니다. 이것은 설계 단계에서 추정하기 어려웠을 것입니다.

사례 2 – 배수로 배출

호주의 많은 댐 구조는 제한된 수 문학적 정보로 1950 년대와 60 년대에 설계 및 건설되었습니다. 이러한 기존 방수로 구조는 수정 된 가능한 최대 홍수 수준에 대처하기 위해 크기가 작습니다. 증가 된 홍수 조건 하에서 방수로 꼭대기에 대한 음압 생성과 같은 잠재적 인 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 방수로 및 게이트 구조에 불안정성 또는 캐비테이션 손상을 유발할 수 있습니다. 역사적으로 스케일링 된 물리적 모델은 이러한 동작을 연구하기 위해 수력 학 실험실에서 구성되었지만 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며 스케일링 효과와 관련된 많은 어려움이 있습니다. 오늘날 고성능 컴퓨터와보다 효율적인 전산 유체 역학 (CFD) 코드를 사용하여 수리적 구조의 동작을 합리적인 시간과 비용으로 수치 적으로 조사 할 수 있습니다. 이 분석 기법은 대도시 지역에 주요 상수원을 제공하는 가장 큰 콘크리트 중력 댐에 호주에서 처음으로 적용 되었기 때문에 검증을 수행 할 필요가있었습니다. 이것은 그림 3과 같이 조사 프로세스에 통합되었습니다. 순서도는 간단한 2D에서 상세한 3D 방수로 모델로 어떻게 발전했는지 보여줍니다.

Figure 3 Flowchart showing the validation process
Figure 3 Flowchart showing the validation process

미 육군 공병대 [5]에서 발표 한 광범위한 데이터가 있기 때문에 검증을 위해 ogee 방수로 프로필 (그림 4 참조)이 선택되었습니다. 계산 된 결과는 조사의 각 단계에서 검토되었습니다. 게시 된 데이터에서 크게 벗어나면 프로젝트가 중단됩니다. 이것은 프로젝트가 시작되기 전에 고객과 상호 합의되었습니다.

Figure 4 A view of the ogee spillway and Type 2 piers in the 3D CFD model
Figure 4 A view of the ogee spillway and Type 2 piers in the 3D CFD model

이러한 종류의 분석의 초기 어려움 중 하나는 개방 채널 중력 흐름 문제에서 자유 표면의 정확한 계산이었습니다. 자유 표면을 추적하는 데 적응 형 메싱 및 반복 방법을 사용하는 것은 일부 유한 체적 CFD 코드에서 사용되었지만 성공은 제한적이었습니다. 본 연구에 사용 된 코드는 SOLA-VOF 방법으로 Navier-Stokes 방정식을 해결합니다. 유체 운동의 과도 동작을 해결하기 위해 유한 차분 방법이 사용되었습니다. 유체의 부피 (VOF) 함수는 자유 표면 운동을 계산하는 데 사용됩니다 [6].

분석에 대한 자세한 내용은 [7]에 설명되어 있습니다. 계산 된 파고 압력 분포, 자유 표면 프로파일 및 정상 상태에서의 배출 속도는 검증 목적으로 사용되었습니다. 다른 상류 수두 (H) 아래의 배수로 꼭대기를 따라 압력 분포가 그림 5에 나와 있습니다. 일부 압력 진동은 코드가 일반 메시와 곡선 배수로 장애물 사이의 인터페이스에서 계산을 처리하는 방식에 기인 할 수 있습니다. 훨씬 더 미세한 메쉬는 이러한 불규칙성을 부드럽게 만들었습니다. 압력 분포에 대한 교각의 영향은 3D 모델에서 올바르게 예측되었습니다 (그림 6).

계산된 자유 표면 프로파일 (그림 7)도 게시 된 데이터와 잘 일치했습니다. Savage와 Johnson [8]은 분석 기법에 대한 신뢰도를 높이는 동일한 CFD 코드를 사용하여 유사한 유효성 검사를 수행했습니다. 문제의 배수로에 대한 후속 분석은 스케일링 된 물리적 모델 테스트에서 얻은 결과와 비교할 때 상당히 좋은 결과를 제공했습니다.

Figure 5 Comparison of crest pressure for various heads (2D model), Hd is the design head
Figure 5 Comparison of crest pressure for various heads (2D model), Hd is the design head
Figure 6 Comparison of crest pressure next to pier (3D model)
Figure 6 Comparison of crest pressure next to pier (3D model)
Figure 7 Upper nappe profile next to pier
Figure 7 Upper nappe profile next to pier

분석에서 배수로의 기하학적 구조와 물 속성이 잘 정의되었습니다. 물은 비압축성이며 고정 된 온도에서 일정한 특성을 가지고 있다고 가정했습니다. 실제로 좋은 품질의 콘크리트 표면 마감을 얻을 수 있기 때문에 배수로 경계는 매끄럽다 고 가정했습니다. 불확실성은 메쉬 밀도와 적절한 난류 모델의 선택이라는 두 가지 소스에서 비롯됩니다. 메쉬 크기는 메모리 양과 컴퓨터의 클럭 속도에 의해 제한됩니다.

높은 레이놀즈 수의 난류 흐름은 소용돌이와 소용돌이의 형성을 포착 할 수있는 매우 미세한 메시로 계산할 수 있지만 현재 메시 밀도는 검증 및 설계 목적에 필요한 변수를 예측하기에 충분히 미세했습니다. 조사 결과는 큰 와류, k-ε 및 RNG 모델과 같은 난류 모델의 선택에 의해 크게 영향을받지 않는 것으로 나타났습니다. 분명히 벽 거칠기와 난류 모델의 도입은 방전율을 감소시킬 것입니다. 그러나 다시 분석 결과는 사용 된 메시에 거의 영향을 미치지 않음을 보여줍니다. 향후 분석은 다른 메쉬 밀도로 인한 이산화 오류를 조사 할 것입니다.

사례 3 – 안벽 건설
주요 컨테이너 항구 시설은 설계 단계에서 최소한의 수치 분석을 수행하여 약 25 년 전에 건설되었습니다. 당시에는 이러한 분석 도구를 사용하는 것이 비용 효율적이지 않은 것으로 간주되었습니다. 다수의 컨테이너 크레인이 측면을 따라 이어지는 2km 길이의 안벽을 건설하기 위해 광범위한 준설 및 매립 작업이 수행되었습니다.

시설이 완공 된 이후 일련의 콘크리트 카운터 포트 유닛으로 구성된 안벽과 후방 크레인 빔은 크레인이 할 수 있도록 후방 빔에 대한 레벨 조정 작업이 수행 될 정도로 지속적으로 이동하고 있습니다. 정상적으로 작동합니다. 그러나 영향을받는 두 구조물의 움직임을 저지하기 위해보다 영구적 인 해결책을 모색했습니다. 토양-구조 상호 작용 및 시공 시뮬레이션을 처리 할 수있는 명시 적 유한 차이 분석을 사용하여 다양한 교정 옵션의 순위를 지정했습니다.

그라우트 기둥, 타이백 앵커 및 말뚝 지지대와 같은 다양한 제안 된 개선을 분석하기 전에, 토양 및 구조적 특성과 시공 과정의 선택이 적절하도록 계산 모델을 관찰에 대해 보정해야한다고 결정했습니다. 지질 및 지질 공학 정보는 현장 및 실험실 테스트 데이터를 포함하는 현장 조사 보고서에서 평가되었습니다. 시설의 범위를 고려할 때 현장에서 만나는 특정 토양 유형에 대해 상당한 분산 테스트 데이터가 예상됩니다. 수력 모래 충전재에 대한 표준 침투 테스트 (SPT) 블로우 횟수 (N) 및 콘 침투 테스트 (CPT) 저항 (qc)에 대한 몇 가지 일반적인 기록이 그림 8과 9에 나와 있습니다.

Figure 8 SPT ‘N’ profiles
Figure 8 SPT ‘N’ profiles
Figure 9 CPT profiles
Figure 9 CPT profiles

이 결과로부터 평균 해수면 위와 아래에있는 모래 채우기의 강도와 강성의 대비를 관찰 할 수 있습니다. 이 현상은 배치 방법에 기인한다고 제안되었다 [9]. 또한 기초 수준에서 진동 압축 된 모래의 특성에도 변동이있었습니다. 분석을 위해 선택된 토양 특성은 테스트 데이터, 인근 사이트의 경험 및 유사한 토양 조건에 대한 발표 된 데이터를 기반으로합니다. 그것들은 표 1에 요약되어 있습니다. 일반적으로 시설의 건설 순서는 다음과 같습니다.

  1. Removal of pockets of soft marine clay by dredging
  2. Dredging of sand to the required level
  3. Vibro-compaction of the sand on which the counterfort units were to be founded
  4. Placement of gravel for the quay wall foundation.
  5. Placement of concrete counterfort units weighing 360 tonne each
  6. Placement of hydraulic sand fill behind the units
  7. Surcharging the fill just behind the capping beam
  8. Construct capping beam and place more sand fill to the finished level
  9. Additional surcharge prior to the operation of container cranes.

Table 1 Soil properties used in the construction
simulation of the quay wall

Table 1 Soil properties used in the construction simulation of the quay wal
Table 1 Soil properties used in the construction simulation of the quay wal

2D 평면 변형 모델의 수치 시뮬레이션에서 구성 순서 (그림 10)와 하중은 다음 단계에 따라 단순화 / 이상적입니다.

  1. The starting condition of the seabed consisted of the vibrocompacted sand, gravel bed, native sand, clay and fissured clay at depth. The “in-situ” stresses were also switched on in this step.
  2. Placement of counterfort unit (using equivalent linear elastic beam elements) with a vertical force applied through the centre of gravity of the unit to represent the buoyant self-weight.
  3. Sequentially placing hydraulic sand fill behind the unit to the level prior to surcharging.
  4. Apply an equivalent trapezoidal pressure to represent the surcharge.
  5. Placement of capping beam and the sand fill to the required level.
  6. Apply additional surcharge.
  7. Application of repeated loads from the crane seaward and landward legs.
Figure 10 Construction sequence
Figure 10 Construction sequence

분석에서는 침수 된 물질과 평균 해수면 위에있는 물질을 나타 내기 위해 적절한 밀도를 사용했습니다. 안벽의 장기적인 움직임이 중요했기 때문에 배수 된 토양 매개 변수가 사용되었습니다. 토양은 분석에서 Mohr-Coulomb 실패 기준을 따르는 것으로 가정되었습니다. 단순한 탄성-완전 소성 응력-변형 거동이 가정되었습니다. 일련의 강체 다이어그램으로 표현 된 안벽 이동의 역사는 그림 11에 나와 있습니다. 벽의 상단과 바닥에서 계산 된 수직 및 수평 이동은 그림 12와 13에 표시됩니다. 수치는 모니터링 된 데이터와 해당 상한 및 하한 (해당 상자에 표시됨)입니다. 측정에서 산란의 양에도 불구하고 벽 건설에 대해 계산 된 움직임은 합리적으로 잘 비교되었습니다. 조사 데이터와 예측을 일치시키기 위해 분석에서 토양 속성을 변경하려는 시도가 없었습니다. 반복되는 크레인 하중의 래칫 효과를 관찰 할 수 있습니다. 불행히도 반복적 인 크레인 하중 하에서 벽 이동에 대한 기준이 없었기 때문에 이러한 예상 이동을 비교할 수 없었습니다. 문제의 복잡성과 고도로 가변적 인 토양 특성을 고려할 때 계산 된 결과는 매우 고무적입니다.

Figure 11 Wall deformations
Figure 11 Wall deformations

토양에서 플라스틱 구역의 발달도 분석에서 계산되었습니다. 벽의 발가락 아래의 토양이 여러 번 과도하게 압박을받는 것으로 밝혀졌습니다. 접촉 압력은 경사 하중으로 인한 베어링 고장에 대한 안전 지표 (FOS)를 결정하는 데 사용되었습니다. 지지력은 계산 방법에 의해 크게 영향을 받았다고보고되었습니다 [10]. 원래의 기초 디자인은 덴마크 코드 [11]를 기반으로했기 때문에이 경우 일관성을 위해 사용되었습니다. 편심의 함수로서 FOS의 발전과 수평 대 수직 추력 (H / V)의 비율이 각각 그림 14와 15에 나와 있습니다.

Figure 12 Wall top movements
Figure 12 Wall top movements
Figure 13 Wall base movements
Figure 13 Wall base movements
Figure 14 ‘FOS’ vs. eccentricity
Figure 14 ‘FOS’ vs. eccentricity
Figure 15 ‘FOS’ vs. H/V ratio
Figure 15 ‘FOS’ vs. H/V ratio

그림은 벽이 추가 요금과 반복적 인 적재 단계 동안 국부적 인 베어링 고장에 가까웠음을 보여줍니다. 크레인 하중 하에서 FOS의 명백한 증가는 벽에 대한 수직 하중이 증가하는 반면 유지된 토양의 수평 압력이 다소 일정하게 유지됨에 따라 편심이 감소했기 때문입니다.

끝 맺는 말
세 가지 매우 다른 실제 응용 프로그램의 유효성 검사 프로세스가 설명되었습니다. 각 사례의 주요 특징과 결과는 표 2에 요약되어 있습니다. 재료 및 하중 불확도 및 예상 결과가 강조 표시됩니다. 건설 품질은 구조의 성능에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

이는 분석가가 프로젝트의 설계 단계에서 정량화하고 정확하게 분석하지 못할 수도 있습니다. 구조가 완료된 직후 모니터링의 중요성을 간과해서는 안됩니다. 이것은 미래의 역 분석을위한 유용한 자료가 될 것입니다. 수치 도구가 이러한 복잡한 문제를 분석 할 수 있다는 사실에도 불구하고 분석가는 어떤 매개 변수가 중요하거나 중요하지 않은지 식별 할 준비가되어 있어야합니다.

익숙하지 않은 문제를 분석 할 때 유효성 검사 프로세스를 점진적으로 수행해야합니다. 아마도 검증 방법을 찾는 핵심은 수치 분석 도구를 사용하지 않고 솔루션에 도달 할 수있는 다른 방법이 있는지 묻는 것입니다. 많은 경우 이러한 솔루션은 광범위한 문헌 검색 후에 존재합니다. 그러나 다른 경우에는 실험실 테스트와 현장 관찰이 유일한 대안이 될 것입니다.

자세한 내용은 원문을 참고하시기 바랍니다.

References
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Simulation of Transient and Three-Dimensional Coating Flows Using a Volume-of-Fluid Technique

Volume-of-Fluid 기법을 사용한 과도 및 3 차원 코팅 흐름 시뮬레이션

슬라이드 코팅 흐름은 정밀 필름 코팅 제품의 제조에 널리 사용됩니다. 코팅 속도를 높이고 코팅 필름의 성능을 향상시키기 위해 슬라이드 코팅 공정을 더 잘 이해하기 위해 상당한 노력을 기울이고 있습니다. 예를 들어 Chen1과 같이 잘 정의 된 한계 이상으로 코팅 속도를 높이면 코팅 비드가 완전히 파손될 수 있음이 입증되었습니다.

이 논문에서는 유체 표면의 임의, 3 차원 및 시간에 따른 변형을 설명 할 수있는 계산 방법에서 얻은 슬라이드 코팅 흐름의 시뮬레이션 결과를 제시합니다. 상용 프로그램에서 사용할 수있는이 방법은 VOF (Volume-of-Fluid) 기술 3,4로 유체를 추적하는 고정 그리드를 사용합니다. 표면 장력, 벽 접착력, 유체 운동량 및 점성 응력은 분석에서 완전히 설명됩니다.

기본 방법은 딥 코팅 데이터와의 비교를 통해 설명됩니다 5. 그런 다음 접촉 선과 동적 접촉각이 우리의 방법에서 암시 적으로 처리되는 방법에 대한 논의를 제시합니다. VOF 기술을 사용하기 때문에 유체를 포함하는 각 제어 볼륨에 작용하는 힘의 합계 만 필요합니다. 그러면 접촉 선의 위치와 동적 접촉각이 계산 된 힘 균형에서 자동으로 발생합니다. 우리의 기술은 코팅 흐름에서 시작 및 비드 분해 현상의 예와 함께 설명됩니다.

그림에서 볼 수 있듯이 신속한 공정의 경우 당사의 접근 방식은 기존 분석 방법으로는 달성하기 어려운 코팅 공정 설계 및 최적화 시뮬레이션을위한 효율성과 견고성을 제공합니다.

Introduction

모든 코팅 공정에는 일정한 조건을 달성하기 전에 코팅 재료가 큰 변형을 겪는 일종의 시작 기간이 포함됩니다. 시작 프로세스의 우수한 특성화는 낭비를 줄이고 프로세스가 원하는 한계 내에서 작동하는지 확인하는 데 종종 중요합니다.

다양한 섭동에 대한 코팅 흐름의 과도 ​​응답에 대한 유사한 이해가 또한 바람직하여 코팅 비드의 파손 및 코팅의 불균일성을 피할 수 있습니다. 코팅 흐름의 역학은 일반적으로 비선형이고 다양한 경쟁 물리적 프로세스의 결합 된 상호 작용을 포함하기 때문에 이론적 조사를 수행하기 위해 특수한 계산 도구에 의존해야합니다.

이 작업을 위해 선택한 모델링 도구의 장점은 고정 그리드를 통해 임의의 유체 변형을 추적 할 수있는 강력한 수치 기법 인 VOF (Volume-of-Fluid) 방법을 사용한다는 것입니다. 코팅 흐름 분석에 중요한 프로그램의 다른 기능과 함께 이것이 수행되는 방식은 다음 섹션에서 설명합니다.

Overview of Numerical Method

여기에 사용 된 수치 프로그램 FLOW-3D®는 1960 년대 중반 Los Alamos National Laboratory에서 개발 된 Marker-and-Cell (MAC) 방법 6에서 유래되었습니다. 원래 MAC 방법에 대한 많은 개선이 수년에 걸쳐 이루어졌습니다.

본 출원에서 가장 흥미로운 것은 유체 영역을 찾기 위해 연속적인 유체 부피 함수에 의해 개별 마커 입자를 대체하는 것입니다. VOF 방법에서는 관심있는 계산 영역을 포함하는 사각형 제어 볼륨의 고정 그리드가 구성됩니다. 각 제어 볼륨에 대해 숫자 F는 액체가 차지하는 볼륨의 비율을 표시하기 위해 유지됩니다.

F 함수를 사용하는 것 외에도 VOF 방법은 날카로운 액체-가스 인터페이스를 유지하는 방식으로 직사각형 셀의 고정 그리드를 통해 F 함수를 전진시키기 위해 특수 수치 기법을 사용합니다. 마지막으로 VOF 방법은 경계면에서 적절한 법선 및 접선 응력 조건을 충족하기 위해 신중하게 구현 된 자유 표면 경계 조건 세트를 사용합니다. 접근 방식의 또 다른 특징은 복잡한 기하학적 영역을 정의하는 방식입니다.

장애물은 제어 볼륨의 일부를 차단할 수 있도록하여 고정 그리드에 포함됩니다. 각 제어 볼륨에서 흐름을 위해 열린 분수 영역 및 볼륨은 지오메트리 표현으로 저장됩니다. FAVOR 방법 7이라고하는이 방법은 형상을 질량, 운동량 및 에너지에 대한 이산화 된 방정식에 자동으로 통합합니다. VOF 및 FAVOR 방법을 사용하면 코팅 문제에 대한 지오메트리 및 초기 유체 구성을 정의하는 데 필요한 복잡한 그리드 생성 프로세스가 없기 때문에 시간과 노력이 절약됩니다.

다음 섹션에서는 플랫 시트에 코팅을 담그는 응용 프로그램과 함께 기본적인 수치 방법의 유용성을 설명합니다.

Dip Coating – A Validation Test

Lee와 Tallmadge는 액체 수조에서 수직으로 인출 된 평판에 딥 코팅하는 과정에 대해 광범위한 조사를 수행했습니다.

이 프로세스는 다양한 상업용 응용 프로그램에서 널리 사용됩니다. 그들의 연구는 2 차원 흐름 (즉, 가장자리 효과 없음)에 초점을 맞추고 실험 데이터에 맞는 경험적 매개 변수를 포함하는 분석 표면 프로파일로 구성되었습니다. 0.085에서 23.9 사이의 모세관 수에 대한 실험 데이터가 수집되었으며, 레이놀즈 수는 0.044에서 12.7 사이입니다. 필름 두께에 대한 실험 데이터는 약 10 % 이하로 추정되는 오류를 가졌습니다.

이 실험에 대한 계산 모델은 코팅 할 시트의 수직 (접선) 속도와 동일한 수직 (접선) 속도가 주어진 직사각형 욕조로 구성되어 매우 간단합니다. 처음에 코팅액은 수평면을 가지며 시트는 충동 적으로 시작됩니다 (그림 1c 참조). 다양한 모세관 수 사례가 시뮬레이션되었으며 모든 경우에 예측 된 필름 두께는 실험 오차 범위 내에있었습니다. 예를 들어 모세관 번호 1.17에 해당하는 경우를 고려하십시오. 시트를 3.31cm / s에서 수조 (밀도 0.885gm / cc, 표면 장력 32.7dynes / cm 및 점도 1159.4cp를 갖는 점성 윤활유)에서 꺼냈다. 우리는 2.5cm의 욕조 너비와 2.0cm의 깊이 (35 x 25 그리드 셀)를 사용했습니다.

필름 흐름을 캡처하기 위해 욕조 위의 2.0cm 영역이 모델에 포함되었습니다 (수직으로 추가 25 개 셀 필요). 수조의 오른쪽은 유체 높이가 일정하게 유지되고 압력이 수압이고 흐름이 계산 영역으로 들어갈 수있는 열린 경계 였지만 휴식에서 시작해야했습니다. 이른바 “정체”경계 조건은 움직이는 시트의 오른쪽으로 충분히 멀리 떨어져있는 경우 수평 무한 욕조에 대한 좋은 근사치입니다. 모델링이 필요한 수조의 폭을 설정하기 위해 여러 가지 계산이 수행되었으며, 필름 두께가이 폭에 크게 민감하지 않다는 것이 밝혀졌으며 그 결과는 실험에서도 발견되었습니다.

그림 1a는 초기 조건, 그림 1b는 계산 된 과도 상태의 스냅 샷, 그림 1c는 최종 정상 상태 결과를 보여줍니다. 처음에 시트에 의해 그려지는 액체 팁의 모양은 정적 접촉각 (즉, 시트와 액체 사이의 접착력)에 따라 달라지며 임의로 10 도로 취해졌습니다. 액체가 끌어 올려짐에 따라, 배출되는 액체 필름을 대체하기 위해 시트쪽으로 흐름이 시작되어야한다는 신호로서 함몰 파가 나머지 수조에 대한 신호로 오른쪽으로 이동합니다. 약 5.0 초만에 정상 상태에 도달합니다. 필름 두께는 0.145cm로 계산되었으며, 이는 0.142cm의 측정 값과 매우 일치합니다.

Rivulet Formation in Slide Coating
Rivulet Formation in Slide Coating

자세한 내용은 본문을 참고하시기 바랍니다.

The realm of operations of FLOW-3D

ADDITIVE MANUFACTURING SIMULATIONS

Capabilities of FLOW-3D

FLOW-3D는 자유 표면 유체 흐름 시뮬레이션을 전문으로하는 다중 물리 CFD 소프트웨어입니다. 자유 표면의 동적 진화를 추적하는 소프트웨어의 알고리즘인 VOF (Volume of Fluid) 방법은 Flow Science의 설립자인 Tony Hirt 박사가 개척했습니다.

또한 FLOW-3D에는 금속 주조, 잉크젯 인쇄, 레이저 용접 및 적층 제조 (AM)와 같은 광범위한 응용 분야를 시뮬레이션하기위한 물리 모델이 내장되어 있습니다.
적층 제조 시뮬레이션 소프트웨어, 특히 L-PBF (레이저 파우더 베드 융합 공정)의 현상 유지는 열 왜곡, 잔류 응력 및지지 구조 생성과 같은 부분 규모 모델링에 도움이되는 열 기계 시뮬레이션에 초점을 맞추고 있습니다.

유용하지만 용융 풀 역학 및 볼링 및 다공성과 같은 관련 결함에 대한 정보는 일반적으로 이러한 접근 방식의 영역 밖에 있습니다. 용융 풀 내의 유체 흐름, 열 전달 및 표면 장력이 열 구배 및 냉각 속도에 영향을 미치며 이는 다시 미세 구조 진화에 영향을 미친다는 점을 명심하는 것도 중요합니다.

FLOW-3D와 이산 요소법 (DEM) 및 WELD 모듈을 사용하여 분말 및 용융 풀 규모에서 시뮬레이션 할 수 있습니다.
구현되는 관련 물리학에는 점성 흐름, 열 전달, 응고, 상 변화, 반동 압력, 차폐 가스 압력, 표면 장력, 움직이는 물체 및 분말 / 입자 역학이 포함됩니다. 이러한 접근 방식은 합금에 대한 공정을 성공적으로 개발할 수 있게 하고, AM 기계 제조업체와 AM 기술의 최종 사용자 모두에게 관심있는 미세 구조 진화에 대한 통찰력을 제공하는데 도움이 됩니다.

The realm of operations of FLOW-3D
The realm of operations of FLOW-3D

FLOW-3D는 레이저 분말 베드 융합 (L-PBF), 직접 에너지 증착 (DED) 및 바인더 제트 공정으로 확장되는 기능을 가지고 있습니다.
FLOW-3D를 사용하면 분말 확산 및 패킹, 레이저 / 입자 상호 작용, 용융 풀 역학, 표면 형태 및 후속 미세 구조 진화를 정확하게 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이러한 기능은 FLOW-3D에 고유하며 계산 효율성이 높은 방식으로 달성됩니다.

예를 들어 1.0mm x 0.4mm x 0.3mm 크기의 계산 영역에서 레이저 빔의 단일 트랙을 시뮬레이션하기 위해 레이저 용융 모델은 단 8 개의 물리적 코어에서 약 2 시간이 걸립니다.
FLOW-3D는 모든 관련 물리 구현 간의 격차를 해소하는 동시에 업계 및 연구 표준에서 허용하는 시간 프레임으로 결과를 생성합니다. 분말 패킹, 롤러를 통한 파워 확산, 분말의 레이저 용융, 용융 풀 형성 및 응고를 고려하고 다층 분말 베드 융합 공정을 위해 이러한 단계를 순차적으로 반복하여 FLOW-3D에서 전체 AM 공정을 시뮬레이션 할 수 있습니다.

FLOW-3D의 다층 시뮬레이션은 이전에 응고된 층의 열 이력을 저장한다는 점에서 독특하며, 열 전달을 고려하여 이전에 응고된 층에 확산된 새로운 분말 입자 세트에 대해 시뮬레이션이 수행됩니다.
또한, 응고 된 베드의 열 왜곡 및 잔류 응력은 FLOW-3D를 사용하여 평가할 수 있으며, 보다 복잡한 분석을 수행하기 위해 FLOW-3D의 압력 및 온도 데이터를 Abaqus 및 MSC Nastran과 같은 FEA 소프트웨어로 내보낼 수 있습니다.

Sequence of a multi-layer L-PBF simulation setup in FLOW-3D

Ease of Use

FLOW-3D는 다양한 응용 분야에서 거의 40 년 동안 사용되어 왔습니다. 사용자 피드백을 기반으로 UI 개발자는 소프트웨어를 사용하기 매우 직관적으로 만들었으며 새로운 사용자는 시뮬레이션 설정의 순서를 거의 또는 전혀 어려움없이 이해합니다.
사용자는 FLOW3D에서 구현 된 다양한 모델의 이론에 정통하며 새로운 실험을 설계 할 수 있습니다. 실습 튜토리얼, 비디오 강의, 예제 시뮬레이션 및 기술 노트의 저장소도 사용할 수 있습니다.
사용자가 특정 수준의 경험에 도달하면 고급 수치 교육 및 소프트웨어 사용자 지정 교육을 사용할 수 있습니다.

Available Literature

실험 데이터에 대해 FLOW-3D 모델을 검증하는 몇 가지 독립적으로 발표된 연구가 있습니다. 여기에서 수록된 저널 논문은 레이저 용접 및 적층 제조 공정으로 제한됩니다. 더 많은 참조는 당사 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.

Laser Welding

  1. L.J.Zhang, J.X.Zhang, A.Gumenyuk, M.Rethmeier, S.J.Na, Numerical simulation of full penetration laser welding of thick steel plate with high power high brightness laser, Journal of Materials Processing Technology, Volume 214, Issue 8, 2014.
    A study by researchers from BAM in Germany, KAIST in Korea, and State Key Laboratory of Mechanical Behavior of Materials in China that focuses on keyhole dynamics and full penetration laser welding of steel plates.
  2. Runqi Lin, Hui-ping Wang, Fenggui Lu, Joshua Solomon, Blair E.
    Carlson, Numerical study of keyhole dynamics and keyhole-induced porosity formation in remote laser welding of Al alloys, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 108, Part A, 2017.
    General Motors (GM) and Shangai University collaborated on a study on the influence of welding speed and weld angle of inclination on porosity occurrence in laser keyhole welding.
  3. Koji Tsukimoto, Masashi Kitamura, Shuji Tanigawa, Sachio Shimohata, and Masahiko Mega, Laser Welding Repair for Single Crystal Blades, International Gas Turbine Congress, Tokyo, 2015.
    Mitsubishi Heavy Industry’s study on laser welding repair using laser cladding for single Ni crystal alloys used in gas turbine blades.

Additive Manufacturing

  1. Yu-Che Wu, Cheng-Hung San, Chih-Hsiang Chang, Huey-Jiuan Lin, Raed Marwan, Shuhei Baba, Weng-Sing Hwang, Numerical modeling of melt-pool behavior in selective laser melting with random powder distribution and experimental validation, Journal of Materials Processing Technology, Volume 254, 2018
    This paper discusses powder bed compaction with random packing for different powder-size distributions, and the importance of considering evaporation effects in the melting process to validate the melt pool dimensions.
  2. Lee, Y.S., and W.Zhang, Mesoscopic simulation of heat transfer and fluid flow in laser powder bed additive manufacturing, Proceedings of the Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, USA. 2015
    A study conducted by Ohio State University researchers to understand the influence of process parameters in formation of balling defects.
  3. Y.S. Lee, W.Zhang, Modeling of heat transfer, fluid flow and solidification microstructure of nickel-base superalloy fabricated by laser powder bed fusion, Additive Manufacturing, Volume 12, Part B, 2016
    A study conducted by Ohio State University researchers to understand the influence of solidification parameters, calculated from the temperature fields, on solidification morphology and grain size using existing theoretical models in laser powder bed fusion processes.

 

 

FLOW-3D CAST Bibliography

FLOW-3D CAST bibliography

아래는 FSI의 금속 주조 참고 문헌에 수록된 기술 논문 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D CAST 해석 결과가 수록되어 있습니다. FLOW-3D CAST를 사용하여 금속 주조 산업의 응용 프로그램을 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

Below is a collection of technical papers in our Metal Casting Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D CAST results. Learn more about how FLOW-3D CAST can be used to successfully simulate applications for the Metal Casting Industry.

33-20     Eric Riedel, Martin Liepe Stefan Scharf, Simulation of ultrasonic induced cavitation and acoustic streaming in liquid and solidifying aluminum, Metals, 10.4; 476, 2020. doi.org/10.3390/met10040476

20-20   Wu Yue, Li Zhuo and Lu Rong, Simulation and visual tester verification of solid propellant slurry vacuum plate casting, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2020. doi.org/10.1002/prep.201900411

17-20   C.A. Jones, M.R. Jolly, A.E.W. Jarfors and M. Irwin, An experimental characterization of thermophysical properties of a porous ceramic shell used in the investment casting process, Supplimental Proceedings, pp. 1095-1105, TMS 2020 149th Annual Meeting and Exhibition, San Diego, CA, February 23-27, 2020. doi.org/10.1007/978-3-030-36296-6_102

12-20   Franz Josef Feikus, Paul Bernsteiner, Ricardo Fernández Gutiérrez and Michal Luszczak , Further development of electric motor housings, MTZ Worldwide, 81, pp. 38-43, 2020. doi.org/10.1007/s38313-019-0176-z

09-20   Mingfan Qi, Yonglin Kang, Yuzhao Xu, Zhumabieke Wulabieke and Jingyuan Li, A novel rheological high pressure die-casting process for preparing large thin-walled Al–Si–Fe–Mg–Sr alloy with high heat conductivity, high plasticity and medium strength, Materials Science and Engineering: A, 776, art. no. 139040, 2020. doi.org/10.1016/j.msea.2020.139040

07-20   Stefan Heugenhauser, Erhard Kaschnitz and Peter Schumacher, Development of an aluminum compound casting process – Experiments and numerical simulations, Journal of Materials Processing Technology, 279, art. no. 116578, 2020. doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116578

05-20   Michail Papanikolaou, Emanuele Pagone, Mark Jolly and Konstantinos Salonitis, Numerical simulation and evaluation of Campbell running and gating systems, Metals, 10.1, art. no. 68, 2020. doi.org/10.3390/met10010068

102-19   Ferencz Peti and Gabriela Strnad, The effect of squeeze pin dimension and operational parameters on material homogeneity of aluminium high pressure die cast parts, Acta Marisiensis. Seria Technologica, 16.2, 2019. doi.org/0.2478/amset-2019-0010

94-19   E. Riedel, I. Horn, N. Stein, H. Stein, R. Bahr, and S. Scharf, Ultrasonic treatment: a clean technology that supports sustainability incasting processes, Procedia, 26th CIRP Life Cycle Engineering (LCE) Conference, Indianapolis, Indiana, USA, May 7-9, 2019. 

93-19   Adrian V. Catalina, Liping Xue, Charles A. Monroe, Robin D. Foley, and John A. Griffin, Modeling and Simulation of Microstructure and Mechanical Properties of AlSi- and AlCu-based Alloys, Transactions, 123rd Metalcasting Congress, Atlanta, GA, USA, April 27-30, 2019. 

84-19   Arun Prabhakar, Michail Papanikolaou, Konstantinos Salonitis, and Mark Jolly, Sand casting of sheet lead: numerical simulation of metal flow and solidification, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, pp. 1-13, 2019. doi.org/10.1007/s00170-019-04522-3

72-19   Santosh Reddy Sama, Eric Macdonald, Robert Voigt, and Guha Manogharan, Measurement of metal velocity in sand casting during mold filling, Metals, 9:1079, 2019. doi.org/10.3390/met9101079

71-19   Sebastian Findeisen, Robin Van Der Auwera, Michael Heuser, and Franz-Josef Wöstmann, Gießtechnische Fertigung von E-Motorengehäusen mit interner Kühling (Casting production of electric motor housings with internal cooling), Geisserei, 106, pp. 72-78, 2019 (in German).

58-19     Von Malte Leonhard, Matthias Todte, and Jörg Schäffer, Realistic simulation of the combustion of exothermic feeders, Casting, No. 2, pp. 28-32, 2019. In English and German.

52-19     S. Lakkum and P. Kowitwarangkul, Numerical investigations on the effect of gas flow rate in the gas stirred ladle with dual plugs, International Conference on Materials Research and Innovation (ICMARI), Bangkok, Thailand, December 17-21, 2018. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 526, 2019. doi.org/10.1088/1757-899X/526/1/012028

47-19     Bing Zhou, Shuai Lu, Kaile Xu, Chun Xu, and Zhanyong Wang, Microstructure and simulation of semisolid aluminum alloy castings in the process of stirring integrated transfer-heat (SIT) with water cooling, International Journal of Metalcasting, Online edition, pp. 1-13, 2019. doi.org/10.1007/s40962-019-00357-6

31-19     Zihao Yuan, Zhipeng Guo, and S.M. Xiong, Skin layer of A380 aluminium alloy die castings and its blistering during solution treatment, Journal of Materials Science & Technology, Vol. 35, No. 9, pp. 1906-1916, 2019. doi.org/10.1016/j.jmst.2019.05.011

25-19     Stefano Mascetti, Raul Pirovano, and Giulio Timelli, Interazione metallo liquido/stampo: Il fenomeno della metallizzazione, La Metallurgia Italiana, No. 4, pp. 44-50, 2019. In Italian.

20-19     Fu-Yuan Hsu, Campbellology for runner system design, Shape Casting: The Minerals, Metals & Materials Series, pp. 187-199, 2019. doi.org/10.1007/978-3-030-06034-3_19

19-19     Chengcheng Lyu, Michail Papanikolaou, and Mark Jolly, Numerical process modelling and simulation of Campbell running systems designs, Shape Casting: The Minerals, Metals & Materials Series, pp. 53-64, 2019. doi.org/10.1007/978-3-030-06034-3_5

18-19     Adrian V. Catalina, Liping Xue, and Charles Monroe, A solidification model with application to AlSi-based alloys, Shape Casting: The Minerals, Metals & Materials Series, pp. 201-213, 2019. doi.org/10.1007/978-3-030-06034-3_20

17-19     Fu-Yuan Hsu and Yu-Hung Chen, The validation of feeder modeling for ductile iron castings, Shape Casting: The Minerals, Metals & Materials Series, pp. 227-238, 2019. doi.org/10.1007/978-3-030-06034-3_22

04-19   Santosh Reddy Sama, Tony Badamo, Paul Lynch and Guha Manogharan, Novel sprue designs in metal casting via 3D sand-printing, Additive Manufacturing, Vol. 25, pp. 563-578, 2019. doi.org/10.1016/j.addma.2018.12.009

02-19   Jingying Sun, Qichi Le, Li Fu, Jing Bai, Johannes Tretter, Klaus Herbold and Hongwei Huo, Gas entrainment behavior of aluminum alloy engine crankcases during the low-pressure-die-casting-process, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 266, pp. 274-282, 2019. doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.11.016

92-18   Fast, Flexible… More Versatile, Foundry Management Technology, March, 2018. 

82-18   Xu Zhao, Ping Wang, Tao Li, Bo-yu Zhang, Peng Wang, Guan-zhou Wang and Shi-qi Lu, Gating system optimization of high pressure die casting thin-wall AlSi10MnMg longitudinal loadbearing beam based on numerical simulation, China Foundry, Vol. 15, no. 6, pp. 436-442, 2018. doi: 10.1007/s41230-018-8052-z

80-18   Michail Papanikolaou, Emanuele Pagone, Konstantinos Salonitis, Mark Jolly and Charalampos Makatsoris, A computational framework towards energy efficient casting processes, Sustainable Design and Manufacturing 2018: Proceedings of the 5th International Conference on Sustainable Design and Manufacturing (KES-SDM-18), Gold Coast, Australia, June 24-26 2018, SIST 130, pp. 263-276, 2019. doi.org/10.1007/978-3-030-04290-5_27

64-18   Vasilios Fourlakidis, Ilia Belov and Attila Diószegi, Strength prediction for pearlitic lamellar graphite iron: Model validation, Metals, Vol. 8, No. 9, 2018. doi.org/10.3390/met8090684

51-18   Xue-feng Zhu, Bao-yi Yu, Li Zheng, Bo-ning Yu, Qiang Li, Shu-ning Lü and Hao Zhang, Influence of pouring methods on filling process, microstructure and mechanical properties of AZ91 Mg alloy pipe by horizontal centrifugal casting, China Foundry, vol. 15, no. 3, pp.196-202, 2018. doi.org/10.1007/s41230-018-7256-6

47-18   Santosh Reddy Sama, Jiayi Wang and Guha Manogharan, Non-conventional mold design for metal casting using 3D sand-printing, Journal of Manufacturing Processes, vol. 34-B, pp. 765-775, 2018. doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.03.049

42-18   M. Koru and O. Serçe, The Effects of Thermal and Dynamical Parameters and Vacuum Application on Porosity in High-Pressure Die Casting of A383 Al-Alloy, International Journal of Metalcasting, pp. 1-17, 2018. doi.org/10.1007/s40962-018-0214-7

41-18   Abhilash Viswanath, S. Savithri, U.T.S. Pillai, Similitude analysis on flow characteristics of water, A356 and AM50 alloys during LPC process, Journal of Materials Processing Technology, vol. 257, pp. 270-277, 2018. doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.02.031

29-18   Seyboldt, Christoph and Liewald, Mathias, Investigation on thixojoining to produce hybrid components with intermetallic phase, AIP Conference Proceedings, vol. 1960, no. 1, 2018. doi.org/10.1063/1.5034992

28-18   Laura Schomer, Mathias Liewald and Kim Rouven Riedmüller, Simulation of the infiltration process of a ceramic open-pore body with a metal alloy in semi-solid state to design the manufacturing of interpenetrating phase composites, AIP Conference Proceedings, vol. 1960, no. 1, 2018. doi.org/10.1063/1.5034991

41-17   Y. N. Wu et al., Numerical Simulation on Filling Optimization of Copper Rotor for High Efficient Electric Motors in Die Casting Process, Materials Science Forum, Vol. 898, pp. 1163-1170, 2017.

12-17   A.M.  Zarubin and O.A. Zarubina, Controlling the flow rate of melt in gravity die casting of aluminum alloys, Liteynoe Proizvodstvo (Casting Manufacturing), pp 16-20, 6, 2017. In Russian.

10-17   A.Y. Korotchenko, Y.V. Golenkov, M.V. Tverskoy and D.E. Khilkov, Simulation of the Flow of Metal Mixtures in the Mold, Liteynoe Proizvodstvo (Casting Manufacturing), pp 18-22, 5, 2017. In Russian.

08-17   Morteza Morakabian Esfahani, Esmaeil Hajjari, Ali Farzadi and Seyed Reza Alavi Zaree, Prediction of the contact time through modeling of heat transfer and fluid flow in compound casting process of Al/Mg light metals, Journal of Materials Research, © Materials Research Society 2017

04-17   Huihui Liu, Xiongwei He and Peng Guo, Numerical simulation on semi-solid die-casting of magnesium matrix composite based on orthogonal experiment, AIP Conference Proceedings 1829, 020037 (2017); doi.org/10.1063/1.4979769.

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Sturgeon Navigate Fish Ladder

Sturgeon Navigate Fish Ladder

 

This material was provided by Jean-François Mercier, ing., Manager, hydraulics and hydrology at AECOM Tecsult inc.

AECOM Tecsult inc.은 FLOW-3D를 이용하여 물리적 모델링을 사용하지 않고 철갑상어가 Fish ladder를 탐색할 수 있는 물고기 사다리 설계를 개선했습니다. 실험은 현장구현의 제한과 비용때문에 배제되었고 FLOW-3D의 수치 모델링 결과로 정확한 정보를 제공하는 것이 중요했습니다.

Fish ladder는 James Bay, Quebec, Canada의 이스트 메인 강에 2005~2006년사이에 지어졌습니다. 2006년과 2007년에 실시된 후속 연구는, 다른 종의 물고기들이 이 사다리를 오를 수 있었던 반면, 철갑상어는 실패한 경우를 보여주었습니다. 기존의 Fish ladder에서 두 가지의 문제가 발견되었습니다. AECOM Tecsult inc에서의 물고기의 낮은 어획과 물의 빠른 속도가 문제가 되었습니다. 엔지니어들은 이러한 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D로 수치 모델링 연구를 수행하기로 결정했습니다.

 

Redesigning the fish ladder                          

AECOMTecsultinc. 엔지니어들은 물고기 사다리에 대한 최적의 설계 변경을 결정하기 위해 세가지 모델을 실행했습니다.

  • 유인을 극대화할 수 있는 강과 물고기 통로 사이의 흐름 분포를 평가하는 지역모델. 산란기 동안의 정상적인 조건에서 물고기 통로는 22m3/s의 유량흐름이 나타난다.
  • 슬롯 및 디플렉터의 개조를 위한 로컬 모델
  • 전체 길이에 걸쳐 수위 균형 유지를 위한 통로모델

Fish ladder specifications (before renovation)

Flow in fish passage before design optimization work

  • Length = 150 m
  • 17 basins
  • Drop = 3 m
  • Peak velocities of 2.6 m/s

Figure 1 – 45% of flow in fish passage shows velocities that are too high for the sturgeon to navigate

Figure 2 – 10% of flow in fish passage shows below the 1.8 m/s criteria required for sturgeon to navigate

Figure 3 – Tests were made with different additions of blocks (pink) and deflector plates (black) to find an optimum configuration

 

Validation of the numeric model

CFD모델을 실행한 후 엔지니어는 실험 데이터에 대해 숫자 결과를 검증했습니다. Flow-3D결과는 표면 높이를 비교하는 수문 기록과 비교되었습니다. 124개 중 80%가 유속이 일치했습니다.  동일한 위치 점에서 일치하지 않는 곳은 난류 영역이었습니다.

Velocity comparisons of measured data and FLOW-3D at specific locations

 

Meeting the criteria — modifications to flow rates

엔지니어들은 물고기가 곧장 바다로 가지 않도록 흐름을 15~20%로 줄이기 위해 Fish ladder를 개조하기로 결정했습니다. 그림 2는 그림과 비교하여 물고기 통로의 10% 유량으로 현저한 속도 감소를 보여 줍니다. 물고기 통로에 흐름의 45%를 가진 1. 그림 3은 흐름 속도를 늦추기 위한 블록 및 디플렉터를 보여 줍니다. 설정된 기준의 최대 속도는 1.8m/s 였습니다. 전체 흐름 조건은 그림 1과 2에서와 같이 모델로 잘 표현됩니다.

 

Conclusion

AECOM Tecsult inc 엔지니어들은 그들의 숫자 모델의 정확성을 검증할 수 있었고 FLOW-3D로부터 얻은 정보를 사용하였고 물고기 통로를 재설계하여 테스트와 관련된 높은 비용을 피할 수 있었습니다. 2008년 여름에 있었던 후속 연구에 따르면 철갑 상어가 높은 유량에도 불구하고 성공적으로 물고기 통로를 통과하고 있다는 것을 보여 주었습니다.

 

 

Additive Manufacturing & Welding Bibliography

적층제조 및 용접 해석 참고문헌

아래는 당사의 적층 제조 및 용접 참고 문헌에 수록된 기술 문서 모음입니다. 이 모든 논문에는 FLOW-3D AM 결과가 나와 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하여 적층 제조, 레이저 용접 및 기타 용접 기술에 있는 프로세스를 성공적으로 시뮬레이션하는 방법에 대해 자세히 알아봅니다.

Additive Manufacturing & Welding Bibliography

Below is a collection of technical papers in our Additive Manufacturing and Welding Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D AM results. Learn more about how FLOW-3D AM can be used to successfully simulate the processes found in Additive ManufacturingLaser Welding, and other welding technologies.

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Sturgeon Navigate Fish Ladder

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This material was provided by Jean-François Mercier, ing., Manager, hydraulics and hydrology at AECOM Tecsult inc.

AECOM Tecsult inc.은 FLOW-3D를 이용하여 물리적 모델링을 사용하지 않고 철갑상어가 Fish ladder를 탐색할 수 있는 물고기 사다리 설계를 개선했습니다. 실험은 현장구현의 제한과 비용때문에 배제되었고 FLOW-3D의 수치 모델링 결과로 정확한 정보를 제공하는 것이 중요했습니다.

Fish ladder는 James Bay, Quebec, Canada의 이스트 메인 강에 2005~2006년사이에 지어졌습니다. 2006년과 2007년에 실시된 후속 연구는, 다른 종의 물고기들이 이 사다리를 오를 수 있었던 반면, 철갑상어는 실패한 경우를 보여주었습니다. 기존의 Fish ladder에서 두 가지의 문제가 발견되었습니다. AECOM Tecsult inc에서의 물고기의 낮은 어획과 물의 빠른 속도가 문제가 되었습니다. 엔지니어들은 이러한 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D로 수치 모델링 연구를 수행하기로 결정했습니다.

 

Redesigning the fish ladder                          

AECOMTecsultinc. 엔지니어들은 물고기 사다리에 대한 최적의 설계 변경을 결정하기 위해 세가지 모델을 실행했습니다.

  • 유인을 극대화할 수 있는 강과 물고기 통로 사이의 흐름 분포를 평가하는 지역모델. 산란기 동안의 정상적인 조건에서 물고기 통로는 22m3/s의 유량흐름이 나타난다.
  • 슬롯 및 디플렉터의 개조를 위한 로컬 모델
  • 전체 길이에 걸쳐 수위 균형 유지를 위한 통로모델

Fish ladder specifications (before renovation)

Flow in fish passage before design optimization work

  • Length = 150 m
  • 17 basins
  • Drop = 3 m
  • Peak velocities of 2.6 m/s

Figure 1 – 45% of flow in fish passage shows velocities that are too high for the sturgeon to navigate

Figure 2 – 10% of flow in fish passage shows below the 1.8 m/s criteria required for sturgeon to navigate

Figure 3 – Tests were made with different additions of blocks (pink) and deflector plates (black) to find an optimum configuration

 

Validation of the numeric model

CFD모델을 실행한 후 엔지니어는 실험 데이터에 대해 숫자 결과를 검증했습니다. Flow-3D결과는 표면 높이를 비교하는 수문 기록과 비교되었습니다. 124개 중 80%가 유속이 일치했습니다.  동일한 위치 점에서 일치하지 않는 곳은 난류 영역이었습니다.

Velocity comparisons of measured data and FLOW-3D at specific locations

 

Meeting the criteria — modifications to flow rates

엔지니어들은 물고기가 곧장 바다로 가지 않도록 흐름을 15~20%로 줄이기 위해 Fish ladder를 개조하기로 결정했습니다. 그림 2는 그림과 비교하여 물고기 통로의 10% 유량으로 현저한 속도 감소를 보여 줍니다. 물고기 통로에 흐름의 45%를 가진 1. 그림 3은 흐름 속도를 늦추기 위한 블록 및 디플렉터를 보여 줍니다. 설정된 기준의 최대 속도는 1.8m/s 였습니다. 전체 흐름 조건은 그림 1과 2에서와 같이 모델로 잘 표현됩니다.

 

Conclusion

AECOM Tecsult inc 엔지니어들은 그들의 숫자 모델의 정확성을 검증할 수 있었고 FLOW-3D로부터 얻은 정보를 사용하였고 물고기 통로를 재설계하여 테스트와 관련된 높은 비용을 피할 수 있었습니다. 2008년 여름에 있었던 후속 연구에 따르면 철갑 상어가 높은 유량에도 불구하고 성공적으로 물고기 통로를 통과하고 있다는 것을 보여 주었습니다.

 

 

Sand Core Making / 모래 코어 제작

Sand Core Making / 모래 코어 제작

This article on sand core making was contributed by Dr. Matthias Todte and Frieder Semler, Flow Science Deutschland GmbH.

주조 품질에 대한 수요가 증가하고 고성능 구성 요소에 대한 박막형 구조로의 추세로 인해 품질에 대한 요구가 강화되었으며 동시에 모래 코어의 기하학적 복잡성도 증가했습니다. 시뮬레이션은 코어 박스의 설계를 최적화하는 데 도움이 되며, 저온 및 고온 코어 박스를 위한 유기 및 무기 바인더 시스템의 촬영, 가스 처리 및 경화를 위한 강력한 공정 조건을 확립합니다.

기체 주입, 건조 및 템퍼링의 기본 프로세스에 대한 논의는 실험적 검증을 거쳐야 합니다. 그런 다음 주물 결함을 방지하기 위해 코어 사격 공정 시뮬레이션이 필수적이었는지를 보여 줍니다. 마지막으로 코어 박스의 마모와 수명을 예측하는 수치모델을 개발한 연구 프로젝트를 소개합니다.

Water jacket core

Simulation of sand core making processes

Shooting

Shooting Simulation에서 모래로 채워진 타격 헤드가 공기를 통해 가압되고, 이로 인해 공기/모래/실린더/바인더 혼합물로 구성된 “유체”가 생성됩니다. 이 유체는 분사 노즐을 통해 코어 박스로 흐르고 배출 노즐을 통해 상자 밖으로 공기가 배출됩니다. Shooting Simulation의 목적은 코어 박스에 있는 모래의 밀도분포를 높히고 균일하게 하는 것입니다.

촬영 과정에서 모래로 채워진 블로 헤드가 공기를 통해 가압되어 공기/모래/바인더 혼합물로 구성된 “유체”가 생성됩니다. 이 유체는 블로우 헤드에서 분사 노즐을 통해 코어 박스로 흘러 나와 공기를 환기 노즐을 통해 박스 밖으로 밀어냅니다. Shooting 의 목표는 가능한 한 높고 균일하게 코어 박스에 있는 모래의 밀도 분포를 달성하는 것입니다. 변경할 수 있는 프로세스 매개 변수는 분사 압력과 발사 및 배기 노즐의 수와 위치입니다. 시간과 비용을 절약하기 위해 코어의 품질을 저하시키지 않고 가능한 한 노즐을 적게 사용하는 것이 바람직합니다.

Sand density distribution

Sand density distribution after the shooting

시뮬레이션을 사용하여 다양한 사격 및 환기 노즐 구성과 그 구성이 결과 모래 밀도 분포에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다. 엔지니어는 속도와 전단 응력을 예측하여 코어 상자의 마모 및 이에 따른 수명에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.

Gassing

유기 바인더 시스템에서는 모래가 유기 수지로 코팅됩니다. 이 수지의 경화는 보통 아민이라는 기체에 의해 이루어지는데, 이것은 일반적으로 분사에 사용된 노즐을 통해 주입됩니다. 이 가스는 코어가 모든 부분에서 경화되도록 하기위해 모든부분에 도달할 만큼 길어야 한다. 반면에, 유독 가스를 줄이기 위해서는 가스 배출이 필요이상으로 길어서는 안됩니다.

유기 바인더 시스템에서는 모래가 유기 레진으로 코팅되어 있습니다. 이 레진의 경화는 보통 아민 가스 작용제에 의해 이루어지는데, 아민은 주로 인젝션에 사용되는 노즐을 통해 분사됩니다. 이 가스 주입은 가스가 코어의 모든 부분에 도달할 수 있도록 충분히 길어야 합니다. 코어가 모든 곳에서 경화되도록 하기 위해서입니다. 반면, 가스 배출은 독성 가스를 절약하기 위해 필요 이상으로 길지 않아야 합니다.

Amine concentration core

Amine concentration in a core

시뮬레이션은 시간 경과에 따른 코어의 아민 농도 분포를 예측하며, 이는 코어의 경도와 동일하다. 이를 통해 엔지니어들은 가스 생성 공정에 대한 합리적인 시간 규모를 결정할 수 있습니다.

Drying

주조물의 수가 증가하는 경우, 독성이 있는 유기적 시스템 대신 무기, 수성-기반 바인더 시스템이 사용됩니다. 배기 가스 배출이 없는 코어 생산 공정의 이점 외에도 이 시스템은 주조 공정 중 코어 가스 생산량을 줄여 주조 품질을 향상시킵니다.

모래 코어의 경화를 위해서는 일반적으로 뜨거운 공기가 주입되어 이루어지는 코어에서 물을 제거해야 합니다. 이러한 바인더 시스템의 경우, 코어의 잔류 수분은 경도에 대한 측정 값입니다. 시뮬레이션은 코어를 통과하는 공기의 흐름뿐만 아니라 물이나 증기의 증발과 응축, 뜨거운 공기와 함께 증기의 이동을 모델링 해야 합니다.

아래 이미지는 예측된 잔류 수분과 실제 코어의 강도(또는 손상)의 상관 관계를 보여 줍니다.

Correlation of predicted residual moisture and the damage of a real core

Tempering of core boxes                                                                    

핫 박스 및 크로닝과 같은 특정 코어 제조 공정에서는 가열된 코어 박스에 있는 바인더의 열 반응을 통해 코어의 경화가 이루어집니다. 상자의 가열은 가열 채널과 전기 가열 요소를 사용하여 수행됩니다. 좋은 코어 품질을 위해서는 코어 상자의 균일한 온도 분포가 바람직합니다. 시뮬레이션은 특정 가열 소자 구성에 대한 온도 분포를 시간 경과에 따른 예측하고 발열의 균일성과 원하는 온도에 도달하는 데 필요한 시간을 표시합니다.

Heated core box

Temperature distribution in a heated core box

Validation of the core blowing model

Experiments and simulations for a water jacket core

핵심 shooting 실험은 TU 뮌헨의 파운드리 연구소에서 실시되었습니다. shooting  시간과 압력, 흡입구와 환기구의 수 등의 공정 매개 변수들이 다양하였으며 이들 매개 변수들이 분석된 코어 품질에 미치는 영향이 다양하였다. 실제 코어에서 발생한 결점은 시뮬레이션에서 모래 밀도가 낮은 영역과 상관 관계가 있습니다(아래 그림 참조).

Core blowing validation

Core defects compared to simulated density distribution

Application of the core blowing model : 리어 액슬 하우징의 주조 품질 개선

품질 보증에서 리어 액슬 하우징의 주물 결함을 감지했습니다(아래 그림 참조). 그 결함들은 중심부의 표면 결함의 결과인 것처럼 보였다. 이 가설을 뒷받침하고 코어 표면 품질을 개선하기 위한 조치를 권고하기 위해 시뮬레이션이 수행되었다. 마지막으로, 코어 박스 환기구의 다른 구성(숫자 및 위치)을 통해 주조 품질을 개선할 수 있었습니다.

Casting defects of a rear axle housing

Casting defects of a rear axle housing

Validation surface defects

Correlation of surface defects and simulated density distribution

Research project: Prediction of the lifetime of core boxes

코어 박스는 대부분 폴리우레탄 수지 코팅의 알루미늄으로 제작된다. 사격 과정에서 모래에 의한 코어 박스 표면의 침식은 코어 박스의 수명을 제한하는 요인이다. 프로젝트 목표는 표면 처리가 수명에 미치는 영향을 이해하고 단일 시뮬레이션에서 다수의 샷에 의해 발생하는 침식을 예측할 수 있는 연산 모델을 개발하는 침식 프로세스를 분석하는 것이었다.

일반적인 코어 상자(아래 참조)는 다른 모양의 삽입물로 제작되었습니다.

Core box with different inserts

Core box with different inserts

수치 모델은 코어 박스 벽의 압력과 전단력의 공간적, 시간적 통합에 기초하여 부식에 대한 양을 도출한다. 모형에 의해 예측된 침식은 실험 값과 일치했습니다(아래 그림 참조).

Measured and simulated erosion

Comparison of measured and simulated erosion

Core Making

Core Making

FLOW-3D CAST의 모델링 기능을 사용하면 주조 엔지니어가 코어 주입과 건조와 같은 코어 제작 프로세스를 쉽게 시뮬레이션 할 수 있습니다.

Core Shooting

샌드 코어는 모래-공기 혼합물을 주형으로 분사하여 생성됩니다. 주조 엔지니어의 목표는 모래 내의 공기 불순물 유입을 방지하는 것 인데, 이때 사용자는 안정적으로 FLOW-3D CAST의 모델링 기능을 통해 모래가 주입되는 노즐의 개수와 위치 및 공기가 빠져나가는 벤트 노즐의 개수와 위치를 변경하여 최적의 노즐 구성을 얻을 수 있습니다.

Core Drying

코어 건조 모델은 모래가 코어 금형으로 주입된 후 남아 있는 습기의 건조 과정을 계산합니다. 일반적으로 건조는 금형에 있는 동안 코어를 통해 뜨거운 공기를 불어넣음으로써 이루어집니다. 코어의 저온 부분에서 가열, 수분 증발 및 일시적인 습기 응결을 시뮬레이션하여 건조 과정을 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 완전한 건조를 보장하는 동시에 공기의 가열 및 배출과 관련된 에너지 비용을 최소화할 수 있습니다.

Core Drying Validation

A comparison made by BMW between simulation and experiment of the drying of an inorganic core.

 

Validations

Validations

금속 주조 설계 과정에서 FLOW-3D CAST의 사용은 회사의 비용 절감 방안을 제시하여 수익성을 개선할 수 있습니다. FLOW-3D CAST 는 엔지니어와 설계자에게 경험과 전문지식을 향상시킬 수 있는 강력한 도구가 될 수 있습니다. 보통 수익성은 비용 절감과 비용 회피에서 찾을 수 있습니다. 지금, 품질과 생산성 문제는 제품개발 단계에서 다양한 시뮬레이션 통해 짧은 공정시간, 낮은 비용으로 해결 할 수 있는 방안을 찾을 수 있습니다. 새로운 개발도구인 FLOW-3D CAST의 효율성은 생산이 시작되기 전에 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시하여 생산성을 크게 개선할 수 있습니다.

Ladle Pour

샷 슬리브 공정을 최적화하는 것은 고품질 부품을 확보하는 데 필수적입니다. FLOW-3D CAST의 시뮬레이션 결과와 실제 사례의 비교를 통해, 시뮬레이션을 사용하여 엔지니어가 값 비싼 툴링을 제작하기 전에 설계를 개선하는 방법을 강조합니다. FLOW-3D CAST는 프로세스 전반에 걸쳐 유체의 움직임을 정확하게 포착할 수 있으므로, 엔지니어가 실제 레들 주입 공정에서 신속하게 파악할 수 있습니다. 시뮬레이션은 Nemak Poland Sp. z o.o로부터 제공받았습니다.

Gravity Casting

열전대 데이터를 기반으로 한 실제 충진 재구성과 비교 한 중력 주조 시뮬레이션. Courtesy of XC Engineering and Peugeot PSA.

Foundry: Simulating a Flow Fill Pattern


사형 주조 충진중의 X- 레이 검증

X -레이 결과와 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과를 나란히 비교합니다. A356 알루미늄 합금으로 사형 주조의 3 차원 충진 색상은 금속의 압력을 나타냅니다. 시뮬레이션 결과는 수직 대칭 평면에 표시됩니다. Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes VII, London, 1995.

HPDC: Flow Pattern


Short sleeve validation – 시뮬레이션 결과와 주조 부품, Littler Diecast Corporation의 예

Modeling Air Entrapment


디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X-ray vs. FLOW-3D CAST 검증.

디젤 엔진 용 오일 필터 하우징의 X- 레이 검증, 380 다이캐스팅 합금. 결과는 혼입 된 공기의 비율로 표시됩니다. X- 레이의 상세한 영역은 최대 다공도 농도를 나타냅니다.

HPDC Filling


FLOW-3D 결과를 실제 부품과 비교하는 HPDC 캐스팅 검증

Short Shot Simulation


실제 주조 부품의 유효성 검사. 스냅 샷과 FLOW-3D CAST 시뮬레이션 결과. 왼쪽에서 오른쪽으로 : 변속기 하우징, 오일 팬 및 자동차 부품.

HPDC Air Entrapment Defects


Antrametal에 의한 주조 시뮬레이션 대 실험 결과의 성공적인 비교.

Antmetetal의 고객 검증은 FLOW-3D CAST의 Air Entrapment 모델을 사용하여 실험 결과와 시뮬레이션을 비교 한 결과를 보여줍니다. 세탁기 용 전동 모터의 앞 커버의 HPDC입니다. 공기 관련 결함은 이미지의 색상에 정 성적으로 표시됩니다. FLOW-3D CAST 내의 다른 수치 기능에 의해 포착 된 물리적 공기 포켓 또한 명확하게 표현됩니다.

Core Drying


시뮬레이션과 무기 코어의 건조 실험 사이의 BMW에 의한 비교.

Predicting Die Erosion


캐비테이션으로 인한 다이 침식 영역은 FLOW-3D CAST 결과를 실제 사례와 비교하여 올바르게 배치되었습니다.

Predicting Lost Foam Filling


Lost foam L850 블록 벌크 헤드 슬라이스에 대한 실시간 X-ray 및 FLOW-3D CAST 유동 시뮬레이션 결과의 비교. 시뮬레이션은 GM Powertrain의 예입니다.

Porosity Defects


Porosity due to entrained air

Predicting Shrinkage Porosity


A380 diesel engine block casting

 

조선/해양 분야

Coastal & Maritime

FLOW-3D 는 선박설계, 슬로싱 동역학, 파도에 미치는 영향 및 환기를 포함하여 해안 및 해양 관련 분야에 사용할 수 있는 이상적인 소프트웨어입니다.

자유 표면 유체 역학, 파동 생성, 움직이는 물체, 계선 및 용접 공정과 관련한 FLOW-3D 의 기능은 해양 및 해양 산업에서 CFD 공정을 모델링하는 데 매우 적합한 도구입니다. 해안 응용 분야의 경우  FLOW-3D  해안 응용 분야의 경우 FLOW-3D  는 해안 구조물에 대한 심한 폭풍 및 쓰나미 파동의 세부 사항을 정확하게 예측하고 돌발 홍수 및 중요 구조물 홍수 및 피해 분석에 사용됩니다. 기능은 다음과 같습니다.

  • 자유 표면 – 파동 유체 역학 및 오버 토핑 : 규칙 및 불규칙파 및 파동 스펙트럼 (Pierson Moskowitz, JONSWAP)
  • Seakeeping – slamming, planing, porpoising 및 선체 선체 변위 : 완전히 결합된 선박 및 수중 차량 유체 역학
  • 선체 – Resistance, stability and dynamics: surging, heaving, pitching and rolling motion (response amplitude operators or RAOs)
  • 슬로싱 – LNG / 밸러스트 탱크
  • 해양 공학 – 파동 에너지 변환기
 

해안 응용 분야의 경우, FLOW-3D 는 강력한 폭풍과 쓰나미 현상에 의한 해안 구조물이 받는 영향에 대한 세부 사항 예측, 돌발 홍수에 의한 중요한 시설물에 대한 정확한 피해 분석 등을 위해 사용됩니다.

Mooring Lines, Springs and Ropes

FLOW-3D (계류선 및 스프링 등)의 특수 물체를 다른 움직이는 물체에 부착하면 엔지니어가 선박 런칭, 부유 장애물 역학, 부표, 파도에너지 변환기 등을 정확하게 포착할 수 있습니다.

Welding

FLOW-3D 용접 모듈이 추가되면서 조선업계의 용접분야에서는 다공성 등 용접 결함을 최소화할 수 있어 선체의 품질을 크게 높이는 동시에 생산 시간을 최적화할 수 있습니다.

Coastal & Maritime Case Studies

FLOW-3D 사용자들은 연약한 해안선 보호, 구조물에 대한 파장 시뮬레이션, 선체 설계 최적화, 선박 내 환기 연구 등 해안 및 해양 애플리케이션에 FLOW-3D를 사용합니다.

우리는 보트가 세계 항해를 하면서 마주칠 것 같은 다양한 조건에서 항해를 할 수 있는지를 볼 수 있었습니다. 그리고 속도뿐만 아니라 연료 효율과 안전도 고려하도록 설계를 수정할 수 있었습니다.
– Pete Bethune, skipper of Earthrace

Lateral wave impact in waterWave resultsEarthrace vessel
Validation of Sloshing Simulations in Narrow Tanks / Aerial Landslide Generated Wave Simulations / Earthrace: Speed, Fuel Efficiency and Safety
Wave impact vertical displacementEmerged breakwater accropodeStokes theory horizontal velocity
Wave Impact on Offshore StructuresInteraction Between Waves and BreakwatersWave Forces on Coastal Bridges

기타

Bibliography

Models

표면 장력 / Surface Tension

표면 장력 / Surface Tension

FLOW-3D에 추가 된 최초의 물리 모델 중 하나는 표면 장력이었습니다.

이 모델은 잉크젯, 무중력 환경에서의 액체 연료 거동 및 다양한 MEMS (마이크로 전자 기계 시스템) 장치와 같이 다양한 종류의 응용 분야에서 수년 동안 널리 사용되어 왔습니다. 이 후에 모델의 개선 및 확장에 대한 많은 사용자 요청이 처리되었습니다.
표면 장력에 대해 보다 나은 성능개선을 위해 FLOW-3D 버전 11에 대한 새로운 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 계산된 모든 표면 장력의 정확성과 임의 형상의 솔리드 표면을 잡아 당기는 접착력의 정확성을 향상시킵니다. 또한 이 새로운 모델은 다공성 물질의 모세관 압력과 비 균일한 표면 장력으로 인한 접선 표면 장력을 가지고 있습니다.

새로운 모델의 예는 무중력에 포함된 원형 벽을 적시는 단순한 문제입니다.

그림 1은 실린더와 접촉각이 0 도인 물로 채워진 0.25m 직경의 실린더 75 %의 경우를 보여줍니다. 버블은 10 초 전에 벽에서 깨끗하게 분리되어 탱크를 가로 질러 움직입니다. 비 구형은 기포 표면에서 모세관 파가 전파되기 때문입니다.

그림 1. 0.0, 2.5, 5.0 및 10.0 초에 무중력에서 접촉 각이 0 인 실린더 표면의 유체 (적색) 습윤 표면.

다른 예가 그림5에 도시되어 있습니다. 2에서 서로 다른 밀도의 2 개의 초기 구형 방울이 (플롯의 색으로 표시됨) 단단한 벽을 향해 아래로 이동합니다. 플롯의 시간은 0.0, 0.01, 0.02 및 0.03 초입니다. 방울은 직경이 0.0017m, 밀도가 다르지만 표면 장력 계수는 1.872 뉴턴 / m입니다.

그림 2. 접시쪽으로 움직이는 구형의 물방울. 새로운 표면 장력 모델로 시뮬레이션. 색상은 밀도를 나타냅니다.

표면 장력 모델에 대해 자세히 알아보십시오.

Download the Flow Science Report on Surface Tension

Download Surface Tension Validation – Simple Test Problems

Microfluidics Bibliography

다음은 Microfluidics Bibliography의 기술 문서 모음입니다.
이 모든 논문은 FLOW-3D  결과를 특징으로  합니다. 미세 유체 공정 및 장치 를 성공적으로 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D 를 사용 하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오  .

Below is a collection of technical papers in our Microfluidics Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate microfluidic processes and devices.

08-20   Li Yong-Qiang, Dong Jun-Yan and Rui Wei, Numerical simulation for capillary driven flow in capsule-type vane tank with clearances under microgravity, Microgravity Science and Technology, 2020. doi.org/10.1007/s12217-019-09773-z

89-19   Tim Dreckmann, Julien Boeuf, Imke-Sonja Ludwig, Jorg Lumkemann, and Jorg Huwyler, Low volume aseptic filling: impact of pump systems on shear stress, European Journal of Pharmeceutics and Biopharmeceutics, in press, 2019. doi:10.1016/j.ejpb.2019.12.006

88-19   V. Amiri Roodan, J. Gomez-Pastora, C. Gonzalez-Fernandez, I.H. Karampelas, E. Bringas, E.P. Furlani, and I. Ortiz, CFD analysis of the generation and manipulation of ferrofluid droplets, TechConnect Briefs, pp. 182-185, 2019. TechConnect World Innovation Conference & Expo, Boston, Massachussetts, USA, June 17-19, 2019.

55-19     Julio Aleman, Sunil K. George, Samuel Herberg, Mahesh Devarasetty, Christopher D. Porada, Aleksander Skardal, and Graça Almeida‐Porada, Deconstructed microfluidic bone marrow on‐a‐chip to study normal and malignant hemopoietic cell–niche interactions, Small, 2019. doi: 10.1002/smll.201902971

37-19     Feng Lin Ng, Miniaturized 3D fibrous scaffold on stereolithography-printed microfluidic perfusion culture, Doctoral Thesis, Nanyang Technological University, Singapore, 2019.

32-19     Jenifer Gómez-Pastora, Ioannis H. Karampelas, Eugenio Bringas, Edward P. Furlani, and Inmaculada Ortiz, Numerical analysis of bead magnetophoresis from flowing blood in a continuous-flow microchannel: Implications to the bead-fluid interactions, Nature: Scientific Reports, Vol. 9, No. 7265, 2019. doi: 10.1038/s41598-019-43827-x

01-19  Jelena Dinic and Vivek Sharma, Computational analysis of self-similar capillary-driven thinning and pinch-off dynamics during dripping using the volume-of-fluid method, Physics of Fluids, Vol. 31, 2019. doi: 10.1063/1.5061715

75-18   Tobias Ladner, Sebastian Odenwald, Kevin Kerls, Gerald Zieres, Adeline Boillon and Julien Bœuf, CFD supported investigation of shear induced by bottom-mounted magnetic stirrer in monoclonal antibody formulation, Pharmaceutical Research, Vol. 35, 2018. doi: 10.1007/s11095-018-2492-4

53-18   Venoos Amiri Roodan, Jenifer Gómez-Pastora, Aditi Verma, Eugenio Bringas, Inmaculada Ortiz and Edward P. Furlani, Computational analysis of magnetic droplet generation and manipulation in microfluidic devices, Proceedings of the 5th International Conference of Fluid Flow, Heat and Mass Transfer, Niagara Falls, Canada, June 7 – 9, 2018; Paper no. 154, 2018.  doi: 10.11159/ffhmt18.154

35-18   Jenifer Gómez-Pastora, Cristina González Fernández, Marcos Fallanza, Eugenio Bringas and Inmaculada Ortiz, Flow patterns and mass transfer performance of miscible liquid-liquid flows in various microchannels: Numerical and experimental studies, Chemical Engineering Journal, vol. 344, pp. 487-497, 2018. doi: 10.1016/j.cej.2018.03.110

16-18   P. Schneider, V. Sukhotskiy, T. Siskar, L. Christie and I.H. Karampelas, Additive Manufacturing of Microfluidic Components via Wax Extrusion, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, vol. 3, pp. 162 – 165, 2018.

15-18   J. Gómez-Pastora, I.H. Karampelas, A.Q. Alorabi, M.D. Tarn, E. Bringas, A. Iles, V.N. Paunov, N. Pamme, E.P. Furlani, I. Ortiz, CFD analysis and experimental validation of magnetic droplet generation and deflection across multilaminar flow streams, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, vol. 3, pp. 182-185, 2018.

14-18   J. Gómez-Pastora, C. González-Fernández, I.H. Karampelas, E. Bringas, E.P. Furlani, and I. Ortiz, Design of Magnetic Blood Cleansing Microdevices through Experimentally Validated CFD Modeling, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, vol. 3, pp. 170-173, 2018.

10-18   A. Gupta, I.H. Karampelas, J. Kitting, Numerical modeling of the formation of dynamically configurable L2 lens in a microchannel, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, Vol. 3, pp. 186 – 189, 2018.

17-17   I.H. Karampelas, J. Gómez-Pastora, M.J. Cowan, E. Bringas, I. Ortiz and E.P. Furlani, Numerical Analysis of Acoustophoretic Discrete Particle Focusing in Microchannels, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs 2017, Vol. 3

16-17   J. Gómez-Pastora, I.H. Karampelas, E. Bringas, E.P. Furlani and I. Ortiz, CFD analysis of particle magnetophoresis in multiphase continuous-flow bioseparators, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs 2017, Vol. 3

15-17   I.H. Karampelas, S. Vader, Z. Vader, V. Sukhotskiy, A. Verma, G. Garg, M. Tong and E.P. Furlani, Drop-on-Demand 3D Metal Printing, Informatics, Electronics and Microsystems TechConnect Briefs 2017, Vol. 4

102-16   J. Brindha, RA.G. Privita Edwina, P.K. Rajesh and P.Rani, “Influence of rheological properties of protein bio-inks on printability: A simulation and validation study,” Materials Today: Proceedings, vol. 3, no.10, pp. 3285-3295, 2016. doi: 10.1016/j.matpr.2016.10.010

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16-03 CFD Speeds Development of MEMS-based Printing Technology, MicroNano Magazine, June 2003, Vol 8, No 6, p 16

3-03 Simulation Speeds Design of Microfluidic Medical Devices, R&D Magazine, March 2003, pp 18-19

1-03 Simulations Help Microscopic Bubbles Switch Fiber-Optic Circuits, Agilent Technologies, Fiberoptic Product News, January 2003, pp 22-23

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11-01 C. N. Delametter, Eastman Kodak Company, Surface Tension Induced Instability of Viscous Liquid Jets, Technical Proceeding of the Fourth International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, April 2001

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Aerospace Bibliography

아래는 항공 우주 분야에 대한 기술 문서 모음입니다.
이 모든 논문은 FLOW-3D  결과를 포함하고 있습니다. FLOW-3D를 사용하여 항공 우주 산업을 위한 응용 프로그램을 성공적으로 시뮬레이션  하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

Aerospace Bibliography

Below is a collection of technical papers in our Aerospace Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how  FLOW-3D can be used to successfully simulate applications for the Aerospace Industry.

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51-15   Grant O. Musgrove and Shane B. Coogan, Validation and Rules-of-Thumb for Computational Predictions of Liquid Slosh Dynamics, 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2015

23-15   Eckart Fuhrmann, Michael Dreyer, Steffen Basting, and Eberhard Bänsch, Free surface deformation and heat transfer by thermocapillary convection, Heat and Mass Transfer, June 2015, © SpringerLink

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Coastal & Maritime Bibliography

다음은 연안 및 해양 분야의 기술 문서 모음입니다.
이 모든 논문은 FLOW-3D  결과를 포함하고 있습니다. FLOW-3D를 사용하여 연안 및 해양 시설물을 성공적으로 시뮬레이션 하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

Coastal & Maritime Bibliography

Below is a collection of technical papers in our Coastal & Maritime Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate Coastal & Maritime applications.

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32-20       Adriano Henrique Tognato, Modelagem CFD da interação entre hidrodinâmica costeira e quebra-mar submerso: estudo de caso da Ponta da Praia em Santos, SP (CFD modeling of interaction between sea waves and submerged breakwater at Ponta de Praia – Santos, SP: a case study, Thesis, Universidad Estadual de Campinas, Campinas, Brazil, 2020.

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Free Surface Fluid Flow

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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.

Fingering in Liquid Films

Fingering in Liquid Films

이 접근 방식의 힘의 적용은 경사면 아래로 흐르는 액체 필름에서 관찰되는 핑거링에 의해 주어집니다.

실험적 관찰에 따르면 두 가지 뚜렷한 핑거링 패턴이 발생합니다. 작은 정적 접촉각 (즉, 고도의 습윤 조건)에 해당하는 한 패턴은 상단 및 하단 한계가 모두 아래로 이동하는 쐐기 모양의 핑거를 나타냅니다.

두 번째 패턴은 큰 정적 접촉각 (즉, 열악한 습윤 조건)에 해당하며, 최대 한계가 아래로 이동하지 않는 거의 균일 한 너비의 긴 핑거가 특징입니다.

Coating Validation

좌측 도면에서, 두 FLOW-3D 시뮬레이션의 결과는 실험과 잘 비교됩니다. (Silvi, N. and Dussan V, E.B., “On the rewetting of an inclined solid surface by a liquid,” Phys. Fluids, 28, p.5, 1985).액막 필름의 두께로 인한 depth-averaged flow 가정이 사용되었고, 시뮬레이션 유일한 차이점은 정적 접촉각의 값입니다. 계산된 결과는 실험에서 관찰된 흐름을 잘 따라가고 있음을 볼 수 있습니다.

Contact Line Insights

Contact Line Insights

FLOW-3D의 수치 모델링 기능은 코팅 성능 향상에 관심이 있는 엔지니어에게 이상적입니다. 계산 시뮬레이션은 코팅 흐름에 영향을 미치는 다양한 물리적 공정의 상대적 중요성과 효과를 연구하는 훌륭한 방법입니다. 물리적 테스트에서 프로세스를 분리하거나 해당 프로세스의 규모를 임의로 조정하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 이 섹션에서는 리 블릿 형성(rivulet formation), 핑거링(fingering), 증발, 거친 표면 위의 접촉선 이동 및 유체 흡수와 관련하여 FLOW-3D의 정적 및 동적 접촉각 처리에 대해 설명합니다.

Static and Dynamic Contact Angles

FLOW-3D는 입력으로 설정된 정적 접촉각의 함수로 동적 접촉각과 자유 표면 인터페이스에서 작용하는 관련 힘을 정확하게 계산하여 유체의 소수성을 캡처 할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 물방울이 경사면 아래로 이동함에 따라 정적 접촉각이 동적 접촉각에 미치는 영향을 보여줍니다.

L.M. Hocking 박사는 그의 저서 [“A moving fluid interface on a rough surface,” J. Fluid Mech., 76, 801, (1976)]에서 표면에 미세한 요철이 흐름 구조를 유도하기 때문에 Contact line이 고체 표면을 통해 이동할 수 있으며 이는 거시적 관점에서 “velocity slip”로 해석 될 수 있다고 했습니다.

이 가설에 대한 전산 해석은 FLOW-3D를 이용하여 쉽게 수행됩니다. 선택된 테스트는 가로, 규칙적으로 이격 된 직사각형 슬롯 패턴 이차원 고체 표면 구성됩니다. 슬롯은 2mm 깊이 10mm 폭, 그리고 그들 사이 폭 10mm 고체 조각을 갖고 이격 됩니다. 이 크기는 전형적으로 상대적으로 부드러운 표면에 긁힌 모양입니다. 액체와 고체 사이의 정적인 접촉각이 60 °가 되도록 선택 하였습니다. 작동 유체는 물로 선정되었고 시험은 채널을 통해 속도30cm / s의 평균 물높이 15mm의 채널의 바닥에 있는 거친 표면을 두고 구동 이루어져 있습니다. 채널의 상단은 free-slip boundary로 정해집니다.

Hocking의 주장대로 micro-scale 교란이 Large scale 관점에서 보았을 때 계산된 속도장으로 보면 velocity slip의 한 종류로서 해석 될 수 있습니다. 아래는 계산된 수평 속도 분포를 나타내고 있습니다. 이것은 표면 바로 위에 제어 볼륨 층의 계산 된 수평 속도 분포를 제공하는 X-Y 플롯에 그래픽으로 보여 주고 있습니다. 격자 미세화에 의해 표면의 고체 부분의 윗쪽 속도가 영이 되는 경향이 있지만, 슬롯들 위에 있는 속도는 영이 안되게 유지됩니다. 많은 요철 위의 이러한 속도의 평균은 효과적인 슬립으로 해석 될 수 있는 non-zero 수평 이송 속도를 일으킵니다.

Evaporative Effects

분산된 고체 물질을 포함하는 액체 방울이 고체 표면에서 건조되면 고체 물질이 침전물로 남습니다. 이 퇴적물의 패턴은 많은 인쇄, 청소 및 코팅 공정에 중요한 의미를 갖습니다. 한 가지 유형의 침전물의 전형적인 예는 왼쪽 이미지와 같이 유출 된 커피 조각의 둘레를 따라 링 얼룩이 형성되는 “커피 링”문제입니다. 이러한 유형의 링 침전물은 액체의 증발로 인한 표면 장력 구동 흐름의 결과로 발생하며, 특히 방울 주변에서 발생합니다 [1].

Drying

건조는 코팅 공정의 중요한 부분입니다. 잘 도포된 코팅은 건조 결함으로 인해 완전히 손상될 수 있습니다. 건조 중에 온도 및 용질 구배는 밀도 및 표면 장력 구배로 인해 코팅 내 흐름을 유도 할 수 있으며, 이로 인해 잠재적으로 코팅 품질이 손상 될 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류물 모델을 통해 사용자는 건조로 인한 흐름을 시뮬레이션하고 값 비싼 물리적 실험에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.

FLOW-3D’s evaporation residue model simulates a 3D view of residue formed from toluene after drying (magnified 30x)

Modeling Ring Formation

FLOW-3D는 증발이 가장 큰 접촉 라인에서의 증착으로 인해 에지 고정이 발생 함을 보여줍니다.

링 형성 모델링
증발에 의해 접촉 라인에서 생성 된 흐름 시뮬레이션
증발은 증발로 인한 열 손실로 인해 액체를 냉각시킵니다 (색상은 온도를 나타냄). 동시에 고체 표면은 전도에 의해 액체를 가열합니다. 증발은 접촉 라인 근처에서 가장 크므로 액체가 접촉 라인을 향해 흐르게하여 정적 상태를 다시 설정합니다. 최종 결과는 액체가 완전히 증발하는 액체 가장자리에 부유 고체가 증착됩니다.

FLOW-3D의 접촉 선 고정 모델에 대해 자세히 알아보십시오.

Simulation of flow generated at a contact line by evaporation

Core Making

Core Making

FLOW-3D의 모델링 기능은 쉽게 주조 엔지니어로 하여금 core shooting과 core drying 등과 같은 core 생성공정을 시뮬레이션 할 수 있게 합니다.

Core Shooting

Sand core는 주형에 모래와 공기 혼합물을 불어 넣음으로써 제조됩니다. 주조 엔지니어의 목적은 모래 안의 공기 갇힘을 방지하고, 우수한 안정성을 가진 코어를 만들기 위해서 충분한 packing을 가지는 균질한 모래 분포를 달성하는 것입니다. FLOW-3D의 모델링 기능은 사용자가 공기 탈출을 통해서 venting nozzle 의 개수와 위치를 변경함으로써 취입되고,이를 통해 최적의 노즐 구성을 얻을 수 있게 합니다.

Core Drying

Core drying 모델은 core die에 모래가 취입 된 후 남아 있는 수분의 과도 건조(transient drying ) 해석을 수행합니다. 일반적으로, 건조 과정은 코어를 통해 뜨거운 공기를 다이에 불어 넣음으로써 수행됩니다. 가열 시뮬레이션 하는 동안 수분 증발과 코어의 차가운 부분에서의 수분의 임시 응축 등은 건조 공정을 최적화 하는 데 이용됩니다. 이는 가열과 공기의 송풍과 연관되어 에너지 비용을 최소화 하면서 완전한 건조를 보장합니다.

Core Drying Validation