47627 (Моделирование FLOW-3D)

Введение.

FLOW-3D - это CFD пакет общего назначения способный моделировать большое разнообразие задач течения жидкости. Хотя специализацией пакета является моделирование течений со свободной поверхностью, но FLOW-3D является превосходной программой для моделирования ограниченных и внутренних течений.

FLOW-3D представляет собой пакет «все включено» …не требующий никаких дополнительных программ. Графический интерфейс пользователя связывает воедино постановку задачи (включая создание/импорт геометрии & генерацию сетки), препроцессинг, решение и обработку результатов, предлагая также несколько полезных утилит, таких как: просмотрщик STL файлов, руководитель решения и средства контроля за ходом расчета.

Важные отличительные особенности FLOW-3D.

Во-первых, FLOW-3D для создания сетки использует подход, объединяющий преимущества простой прямоугольной сетки с гибкостью деформированных сеток. Такой подход называется “свободное формирование сетки” потому что сетка и геометрия могут быть свободно изменены независимо друг от друга. Данный механизм исключает трудоемкую задачу генерации адаптивной или конечно-элементной сетки. FLOW-3D использует фиксированную сетку из ортогональных элементов, что упрощает генерацию и обеспечивает многие желательные свойства (например, регулярность улучшает точность, уменьшает требования к памяти, облегчает численную аппроксимацию).

Во-вторых, FLOW-3D включает в себя специальную технику, известную как FAVOR™ (Fractional Area Volume Obstacle Representation) метод, используемую для описания на прямоугольной сетке геометрии произвольной формы. Философия FAVOR™ заключается в том, что численные алгоритмы в методе конечных объемов базируются на информации, включающей только одно значение давления, скорости и температуры для каждого элемента, поэтому было бы нелогично использовать более подробную информацию для описания геометрии. Таким образом, FAVOR™ метод сохраняет простоту прямоугольных элементов при представлении сложных геометрических форм на уровне, совместимом с использованием усредненных характеристик потока по каждому объемному элементу.

Третья важная особенность FLOW-3D, отличающая его от других CFD программ заключается в его методе обработки поверхности текущей жидкости. Данная программа использует специальные численные методы для отслеживания положения поверхностей и для правильного применения на них граничных условий. В FLOW-3D, свободные поверхности моделируются с помощью метода конечных объемов Volume of Fluid ( VOF), впервые предложенного группой ученых из Los Alamos National Laboratory, включавшей основателя Flow Science доктора C. W. Hirt. Некоторые из конкурентных CFD программ заявляют о внедрении VOF метода, хотя реально они используют только один или два из трех фундаментальных ингредиентов, составляющих VOF метод. Потенциальным пользователям CFD программ следует знать, что подобные псевдо-VOF схемы будут часто давать некорректные результаты.FLOW-3D включает все эти ингредиенты, рекомендуемые для успешной обработки свободных поверхностей. Более того, FLOW-3D включает в себя важные улучшения исходного VOF метода для повышения точности граничных условий и отслеживания поверхностей раздела. Данная реализация метода получила название TruVOF.

Мультиблочные сетки для эффективности и скорости.

FLOW-3D предлагает мультиблочные сетки, инструментарий, разработанный для повышения гибкости и эффективности технологии конечно-разностных сеток. В стандартной конечно-разностной сетке, локальное измельчение может привести к существенному увеличению общего количества элементов, т.к. линии сетки простираются во всех трех направлениях до границ области. Использование множественных блоков позволяет сделать такие измельчения более локальными и уменьшает требования к компьютерным ресурсам. Многоблочные сетки особенно полезны в так называемых протяженных задачах, где существуют детали мелкие по сравнению с размерами всей области, такие как маленькие препятствия и тонкие каналы. Используя многоблочные сетки, пользователь может связать индивидуальные блоки для создания сетки на всей области и в зонах особого интереса и ограничить общее количество ячеек. Используя ‘вложенный’ блок, пользователь может улучшить разрешение сетки в интересующих местах.

Мультиблочные сетки FLOW-3D являются основой для новой версии распараллеливания вычислений по схеме с распределенной памятью, FLOW-3D/MP^TM.

Простой генерации точных результатов всегда недостаточно требуется возможность просмотра их для понимания и интерпретации. И всегда есть кто-то—заказчик, клиент, начальник—кому требуется ясная графическая демонстрация результатов моделирования. В FLOW-3D есть FlowVu, мощная OpenGL-программа визуализации, предоставляющая Вам простые в использовании средста отображения результатов моделирования, создания анимации и картинок для презентаций и отчетов.

Кроме того, результаты, полученные в FLOW-3D , могут быть прочитаны и обработаны в специализированных программах визуализации Fieldview^TM фирмы Intelligent Light или Ensight^TM фирмы CEI, Inc. 

Приложения.

FLOW-3D включает множество моделей и инструментов, позволяющих пользователю взяться за решение многих сложных физических задач. 

Примеры для авиакосмоса.

Управление движением ракетного топлива (т.е. плескание) - ключ к успешному созданию конструкции топливной системы летательного аппарата. Возможности FLOW-3D по моделированию свободной поверхности сопряженных со специальными физическими моделями (например, поверхностное натяжение, неинерциальные системы координат, связанная динамика твердого тела) превратили данную программу в обязательный инструмент конструкторов авиационной и космической техники, начиная с 1985 года.

Обтекание сферы:

Используемый в FLOW-3D FAVOR-метод (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) описания геометрии твердого тела, позволяет пользователям моделировать задачи обтекания препятствий без обращения к сложным алгоритмам построения сеток. В данном случае моделирование было выполнено на однородной прямоугольной сетке. Однородность сетки помогла сохранить точность, а FAVOR-метод обеспечил быстрое, за несколько минут, решение задачи.

Плескание жидкости:

Информация о движения жидкого топлива в баках ракет очень важно для правильного понимания различных аспектов работы систем питания и повышения их эффективности. На движение топлива влияют самые разные факторы, такие как выталкивание жидкости, вентиляция газов и герметизация. В некоторых случаях важно знать и силы давления со стороны самого топлива, в особенности, когда масса жидкости составляет значимую часть от общей массы ракеты.

На анимации приведены результаты трехмерного анализа плескания топлива в баке. Возможность таких расчетов обеспечивает используемый во FLOW-3D VOF-метод (Volume-of-Fluid) описания свободной поверхности. Дополнительные физические модели позволяют использовать неинерционную систему координат и включить динамику связанного твердого тела

Примеры для литья.

Дефекты в отливках отнимают время и деньги. Используемый обычно метод проб и ошибок крайне тормозит. Существует много способов сэкономить время и деньги в процессе проектирования, если использовать FLOW-3D. Измените вашу литниково-питающую систему для обеспечения полного заполнения. Оптимизируйте профиль пресс-цилиндра для уменьшения вероятности замешивания воздуха или неполного заполнения. Установите каналы охлаждения, прибыли и подберите температуры в зависимости от того как отливка усаживается при затвердевании.

FLOW-3D содержит широкий спектр физических моделей, разработанных специально для литейных целей. Эти специальные модели включают алгоритмы для литья по газифицируемым моделям, неньютоновы жидкости, термоциклирование форм. Если Вы хотите улучшить качество отливок, то Вам необходим пакет программ FLOW-3D.

Ликвации в бинарных сплавах:

Ликвации могут наблюдаться в отливках, если при затвердевании имеют место значительный диффузионный и конвекционный перенос массы (например, в крупногабаритных стальных отливках).

Модель ликваций FLOW-3D была разработана для бинарных систем и включает эффекты плавучести в растворах. Рисунок иллюстрирует структуру потоков всплывающих масс в стальной (0.42% C) отливке с теплоизолированной верхней границей (выделение углерода показано цветом: области, обогащенные углеродом закрашены красным). Жидкий металл обогащен углеродом вследствие выделения углерода на границе раздела твердое/жидкое (коэффициент разделения 0.19). Вызванные тепловой и растворной конвекцией потоки приводят к повышенной концентрации углерода в верхней области отливки.

Поворотная заливка:

Поворотная заливка может использоваться для обеспечения спокойного режима заполнения. На рисунке представлено заполнение расплавом (горячему соответствует красный) формы тонкостенной отливки. Для описания движения формы (меняющийся угол поворота) была использована модель неинерциальной системы координат FLOW-3D.

Примеры покрытий.

Оптимизация процессов покрытия может быть сложной из-за малого масштаба движения жидкости и влияния таких эффектов, как адгезия и поверхностное натяжение. Компьютерное моделирование предоставляет удобный способ анализа этих процессов без необходимости прибегать к дорогостоящим лабораторным исследованиям.

Контактная линия на неровной поверхности:

L.M. Hocking в своей работе [”A moving fluid interface on a rough surface”, J. Fluid Mech., 76, 801, (1976)] предположил, что контактная линия может перемещаться по твердой поверхности, потому что микроскопические неровности индуцируют такую структуру потока, которая с макроскопической точки зрения может быть интерпретирована как "скорость скольжения". Компьютерное исследование данной гипотезы легко выполнимо с помощью FLOW-3D. Выбранный тест включает двухмерную твердую поверхность с системой поперечных регулярно размещенных прямоугольных прорезей. Прорези имеют глубину 2mm и ширину 10mm, размещены с шагом 10mm. Данные размеры типичны для царапин на относительно гладкой поверхности. Статический контактный угол назначен равным 60°. Рабочая жидкость - вода. Тест заключается в размещении этой неровной поверхности на дне канала высотой 15mm и движении воды по каналу со средней скоростью 30cm/s. 

На приведенной картинке ясно видно, что контактная линия на шероховатой границе цепляется за ребро прорези и остается там до тех пор, пока динамический контактный угол не превысит 60+90=150°, не опускаясь до этого момента внутрь прорези. Но по достижении данного значения сила адгезии к стенке тянущая жидкость вниз по боковой стенке прорези становится больше поверхностного Утверждение Hocking, что микроскопические помехи могут быть интепретированы как разновидность скорости скольжения с макроскопической точки зрения подтвержается расчетным полем скоростей. Это показано на графике, описывающем распределение горизонтальной скорости в слое элементов непосредственно над поверхностью. При измельчении сетки скорости над участками поверхности стремится к нулю, но над прорезями остается отличной от нуля. Осреднение этой скорости по множеству пазов дает ненулевую горизонтальную скорость, которая может быть интерпретирована как действительное скольжение.

Изменение тангенциальной скорости вдоль твердой поверхности натяжения, тянущего жидкость вверх, и контактная линия быстро пересекает прорезь. 

С утки вода: