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FLOW-3D V10.0 新增功能介紹

 
 

 FLOW-3D V10.0 是FLOW-3D 在軟體發展上的重要里程碑。V10.0主要增加了以有限元素為基礎的流固耦合與熱應力演化物理模型。首先針對這兩個新增的物理模型做介紹,接著再一一說明其他物理模型的新增功能,最後在SMP平行計算、使用者介面(GUI)和後處理等改善做說明。

 

新增模型和特點介紹:

流固耦合模型

 

流固耦合模型是利用有限元素法來計算流體與固體互制過程中,固體受到周遭流體壓力、溫度梯度或其他外在條件所造成的應力分佈與變形。目前這個模型侷限於較小的變形計算。

動畫:鋼製容器受到內部爆炸壓力波影響的變形(放大400倍

 
熱應力演化模型
  熱應力演化模型是計算金屬冷卻過程中的應力分佈和形狀變化。藉由簡單的選項設定,可以同時計算模具與凝固金屬間應力交互作用。

V6鋁合金引擎在凝固後的Von Mises應力分佈

 
擴充的固體材料資料庫《可選購》

 

此固體材料資料庫裡面提供大量的固體隨溫度變化的材料性質,讓使用者可搭配流固耦合與熱應力演化模型使用。

JAHM Software's material properties database software目前提供超過2,600種物質與21,000組隨溫度變化的彈性模數、熱膨脹係數、熱傳導係數、S-N疲勞曲線、應力應變曲線等材料性質。

JAHM材料資料庫目前與FLOW-3D V10.0已完成使用介面上的整合,並以單一模組的形式銷售,讓FLOW-3D使用者自行搭配選購。

 
凝固收縮模型
 

簡易的凝固收縮模型(前身為快速凝固收縮模型)可在複合區塊網格上執行,並應用於傾斜與離心鑄造。而動態凝固收縮模型的功能也在重新加入此版本,並具有更高的精確度與收斂性。

 
鑄鐵凝固模型

 

鑄鐵凝固模型與簡易凝固收縮模型合用,可描述鑄鐵的共晶與近共晶凝固,並計算沃斯田鐵、石墨和碳化物的生成。

灰口鑄鐵的凝固分佈狀態(註:紅色分佈是碳化物而藍色則是石墨)

 
顆粒流模型(包括砂心吹砂)
  顆粒流模型可描寫顆粒介質行為,模擬砂心吹射的過程。
 
透氣模具模型
  幾何物件中新增透氣模具選項,在結合絕熱氣泡模型後,可以用來模擬充填過中孔隙砂心空氣排除的過程,而不需要再去啟動孔隙流模型。此外配合閥門模型可用於高壓鑄造充填的分析。

部分充填的砂心 (註:剩餘的氣泡以藍色顯示)

 
新增的表面造波功能
  在原有的造波模型中新增幾個不同的造波功能。使用者可以利用傅立葉級數展開模擬週期性的非線性波,利用孤立波模擬海嘯的運動,或利用不規則造波功能模擬在開放海域的真實波動現象。此外,可以設定初始流場為一週期波動,以減短計算時間加速達到穩定的波動狀態。

動畫:持續風在開放海域產生的不規則波

 

動畫:孤立波沖擊結構物的過程

 
風動效應
  可以考慮水庫表面隨時間變化下風引起的剪應力效應。

 

新增淺水波模型功能
  淺水波模型新增獨立的選項可以考慮層流與紊流流況,此外可以簡單的藉由定義緯度來考慮地球的轉動效應。這些新增功能可以讓軟體用來模擬更大範圍的流場。
 
重新設計的質量/動量源模型
  在重新設計的質量/動量源模型中,可分別給定不同流體型態、密度、溫度,質量或體積流的流體源頭,有效的強化模型在不同問題的適用性。
 
水分乾燥模型
  此版本提供兩種模型可進行孔隙材料中的水分變化分析。較簡化的模型適合用於充填與凝固過程中的砂心砂模。第二種選擇是使用較複雜的氣體/液體兩項流模型,模擬例如紙、纖維和砂心等孔隙材料的乾燥過程。

熱空氣乾燥處理過後的水分分佈(BMW提供)

 
固體溶質溶解模型
  這個模型可用來模擬固體溶質的溶解,例如浸泡於液體中的岩鹽和結晶藥。溶液濃度的改變是根據局部的溶質濃度並考慮到了浮力效應。
  流體流經一塊固體鹽(灰色部分),
  上方流線的顏色代表溶解鹽的濃度
 
針對不飽和孔隙介質新增Van Genuchten模型
  Van Genuchten模型考慮到壓力-飽和度函數,讓不飽和孔隙介質的模擬更加完善。
 
利用STL圖檔定義隔版
  STL圖檔在這個版本可以用來定義隔版,有助於建立複雜幾何與薄件。STL圖檔資料將轉換成階梯狀的形式表示檔板。

在STL檔處理過後之檔板形式

 
固定接觸線
  液滴可能表面粗糙產生接觸線固定,而不是移動到力平衡的位置。這種情況可以啟用軟體中的新增物件設定(IFOB(n)=1)進行模擬。
 
液體/氣體介面上的溫度滑動邊界設定
  FLOW-3D 利用單一溫度模型進行兩項流問題的模擬,可能會導致兩項流介面上過度的溫度數值擴散現象,這種現象在網格密度不足以解析溫度邊界層時特別明顯。新增的溫度滑動邊界模型(類似現有的速度邊界滑動模型)可有效降低數值擴散,改善晃動的兩項流模擬精確度。
液體與氣體在晃動過程中的溫度分佈
1.初始溫度分佈。
2.標準模型下,經過10個週期晃動後的溫度變化。
3.溫度滑動邊界模型下,經過10個週期晃動後的溫度變化。
 

改善

SMP平行計算
  建構在OpenMP技術上的SMP平行計算求解器,在此版本中已將平行功能延伸到大部分的物理與數值模組,包括移動物件模型或VOF自由液面追蹤模型。

FLOW-3D物理與數值模型的平行化

 
降低曲面邊界上的壓力雜訊
  有關FAVOR運算中截斷值的控制參數-面積與體積的比例(EPS),成為一個可輸入的設定參數。原本的內定值為0.01,表示如果網格中固體的體積或表面積低於1%,則此網格就視為沒有任何固體的區域。降低EPS的數值有助於邊界區域更準確的壓力求解,這在計算固體的受力問題時效果格外顯著。EPS可以由數值設定的使用者介面中的FAVOR tolerance選項設定。
 
允許在計算進行中改變SMP版本中的計算核心數
  在計算過程中更改部分設定參數是FLOW-3D既有的功能。在此版本中此功能已推廣到運算核心數的改變。使用者可在不暫停計算的情況下任意的改變運算核心數,此功能將提供使用者在電腦資源分配上更大的運用空間。
 
可顯示接續模擬的初始狀況
  接續模擬中的prpgrf檔,納入了先前檔案的計算資料而不僅只是prepin設定檔的前處理結果,這有助於顯示真實的接續初始狀況。
 
Linux 與Windows作業系統上的FORTRAN編輯器升級到11.1版
  使用者在編輯客製化程式時需考慮同步升級FORTRAN編輯器。
 
新增資料輸出
流體追蹤
  通過特定斷面的流體追蹤功能可加強流體的可視覺化,可分別追蹤顯示通過不同斷面的流體流動狀況。

通過給定斷面的流體追蹤(紅色區域)

 
使用者介面(GUI)
物件名稱
  網格與幾何設定(Meshing & Geometry)中的所有物件都可以給定名稱,讓模擬設定更加清楚和容易判讀。
 
關閉幾何物件
  可在設定過程中關閉幾何物件,而不需要從設定檔中完全移除。此功能方便使用者暫時移除物件,而再度啟動時不需要重新輸入相關資料參數。
 
移動初始和邊界條件輸入位置
  初始和邊界條件的介面(Initial and Boundaries tabs)已被整合到網格與幾何的介面(Meshing & Geometry tab)裡。
 
物理模型視窗中新增操作說明連結
  所有的物理模型設定對話窗中,已新增相關操作的線上說明文件連結。
 
支援CSV資料檔
  可輸入隨著時間和溫度變化的資料檔。
   
重組Prepin設定檔
  Prepin的編寫架構更加的易讀與符合邏輯。
   
支援溫度單位選擇
  可在模式建立或結果分析時設定溫度單位。
   
支援設定觀測點
  觀測點可預先設定,以便用於建立閥門、歷史觀測點、給定流體區域等。
   
設定儲存
  在編輯時或切換設定檔前,不強制一定要先儲存檔案。
   
樹狀結構的改善
  可儲存與復原模擬設定中樹狀結構的狀態。為了方便檢查設定,樹狀結構設定都可以被展開與折疊。
   
可儲存圖形的設定
  圖形的視角、顏色和透明度設定可儲存在網格與幾何介面(Meshing & Geometry tab)。
   
加強模式設定時的視覺化
  此版本中可以看到FSI 和TSE模型中所需要用到的有限元素網格。此外,質量源、閥門、歷史觀測點和取樣位置都可以在網格與幾何介面(Meshing & Geometry tab)顯示。
   
透視視角
  除了原本的正視視角,此版本在網格與幾何(Meshing & Geometry tab)和顯示(Display)介面也提供透視視角供選擇。
   
後處理
可以處理FLOW-3DFLOW-3D/MP的結果檔
  FLOW-3D SMP 和MPI 平行版本的計算結果,現在可使用相同的介面和後處理器來進行後處理。
   
支援多重變數選擇
  在三維可視覺化部分,可以在分析介面(Analyze tab)選擇超過一組的變數。然後在顯示介面(Display tab)直接切換這幾組參數,而不需要回到分析介面(Analyze tab)重新載入資料。