FLOW-3D V9.2版新增功能 進階探討

A•  求解器的新增功能

1. 非結構性的記憶體配置
新的非結構性記憶體配置方法藉由區分並移除記憶體中'被動'的網格將模擬過程進一步最佳化;所謂被動網格指的是完全被幾何實體包裹的部份。在不考慮熱傳導與電位能的實體元件中(IHTC≠2且IPEPOT=0),此一特性會自動由前處理器啟動。被實體包裹的網格佔越大比例的模擬,舉如模具充填等,將越能由此一運算法中獲得效率的提升。
例如以下的高壓鋁模鑄實例,87%的網格被模具所包裹,模擬的速度比9.1.1版快了3.3倍。此例使用預設的SOR壓力求解法但未考慮熱傳導;然而即使當熱傳導被考慮進去,只要採用固定模具溫度的選項(IHTC=1),非結構性記憶體配置方法仍能節省大約15%的CPU運算時間。
2. GMRES壓力求解方法
無論對可壓縮或不可壓縮流體,特別是當使用了多重網格區塊時,新版本在GMRES壓力求解方法的效率與收斂性都做了很大的改善。因此我們建議此求解方法可以用在所有不同型態的問題上。
在高壓模鑄充填的模擬中,使用GMRES壓力求解方法比預設的SOR方法快了將近40%,且當採用五個網格區塊時,每個時間步伐GMRES方法僅需2或3次迭代即可達到收斂,而SOR方法則需要大約50次迭代。
3. 隱性對流相的求解
隱性對流相的求解方法是另一個可以增加模擬效率的演算法。當隱性選項啟動時,與流體對流相關的穩定性法則可以不考慮,因此可以加大時間步伐同時得到較短的模擬所需時間。此方法僅適用於必須維持解出值的準確性與穩定性的案例中,而像自由液面的問題就永遠採用顯性解法。
當高壓充填鑄模時,流動速度通常非常快,特別是在閘門處和溢流處,因此往往造成必須縮小時間步伐。這時便必須藉由隱性流動求解法來改善。例如應用在上述的案例中時,可以增加60%的速度。插圖顯示了與上方圖一相同時間的流動型態。儘管採用了較大的時間步伐,用隱性解法求得的流動型態仍然與一般來說較準確的顯性解法十分相近。當在同一個模擬中同時運用非結構性記憶體配置、GMRES壓力解法和隱性流動相求解法,與前一個版本相比整體速度可以相差超過七倍。
4. 焦耳熱與電荷移轉
9.2版針對一般情況下的電位能模型與特殊情況的焦耳熱能模型做了顯著的改良,並加上了電能傳導以及對多樣材質之間電流的適當處理。
在第一個範例中,一段19mm長的矩形導線被兩端0.1V的電位差所產生的電流加熱到740K,而此一熱能同時散發至周遭恆溫的環境中;模擬運算所得到的穩定溫度與理論值相差不到2%。

在第二個範例中,一個小的非導體被放進一個導電的流體中,流體的兩端施以電極製造一個固定的電位差。如此配置所造成的電位與溫度分佈如下圖所示。
5. 一般移動物件(GMO)的碰撞
一般移動物件(GMO)模組已擴充成可以處理多個交互作用之GMO元件與其他運動中或靜態物件的碰撞行為,包括設定為牆或對稱的網格區塊邊界。此一重要的改良使得使用者可以更真實的模擬流體中多個剛體的交互運動。
首先我們看到一個洪流衝擊三個原本靜止的大岩石的範例。靜態的部份是以一連串的小幅度次碰撞(微小碰撞)做模擬的,以致於在此動畫中無法顯示出來。

第二個範例是模擬一個大浪波動與防洪閘門間的交互作用,其中距離閘門近處存在著數個大型的漂流物,而兩個固定的元件限制了閘門的轉動只能在某個角度範圍內。所有的物件之間都採用碰撞模型以模擬其交互作用。
6. GMO位移限制
此版本導入了不同方向軸上線性的GMO位移限制器,以實現旋轉物體在角度上所遇到的位移限制。限制方式為定義每個方向軸上的最大位移量,每個軸方向兩個數值分別代表正負向的限制。這些線性限制器為諸如來自機械裝置的物體移動限制條件提供了簡單的設定方式。
在這個範例中,限制器作用於兩個在水平軸上交互運動的GMO元件上,這些運動元件相當於在一個簡單的二維活塞幫浦系統中的閥門,它們的活動被限制在開口附近的小範圍內。第三個移動的元件以預先設定隨時間做正弦曲線分布的速度做垂直方向運動。
7. 流體與GMO之間偶合運動的隱性解
另一個與GMO有關的新增功能是壓力的隱性求解方式,這是為了能更精確描述移動物體與流體間的交互作用。當模擬輕質物體在流體中運動所產生的偶合運動行為,以及當所加上的質量與GMO質量相當時,這都是一個相當有用的求解選項。
例如這個GMO密度相當於流體的千分之一,甚至比汽球還輕,因為重力作用而停止在水面上的範例,它的最終位置將會是密度比的函數。
8. GMO可選用圓柱座標系統
GMO模組已經完全擴充為支援圓柱座標系統,這使得原來的移動障礙物模組將被棄置不用。我們強烈建議原來使用舊模組的案例全部改用新的GMO模組,只要將參數IMO(NOB)=±1修改為IMO(NOB)=3,其中NOB代表元件編號,其他參數都不需更動。
這個範例取自FLOW-3D標準安裝的INKJETP範例,只是將原來的移動障礙物件改成一個GMO元件。
9. 質量/動量來源
原本在FLOW-3D裡已經可以經由客製化做到流體質量和動量來源的設定,現在在9.2版中這些來源已經成為標準功能。不像已經存在的質量來源必須依附於元件且只能用流率來定義,質量/動量來源與幾何實體無關並且可以定義在開放空間的任何位置。這些來源可以用隨時間改變的流率和方向來指定,如此形成一個明確的流體流入向量;此外,這些來源還可以隨使用者輸入的設定穿過整個模型的範圍。質量/動量來源適合用在流動的方向-也就是流入流體的動量-相對而言重要性高的各種問題上,例如管線、軟管或排水口所流出的流體。質量/動量來源在運算的領域中用特殊型態的粒子來呈現,所以可以被用於將來源呈現為2D和3D的圖形。
這個例子中,一個方形的質量/動量來源沿著分析範圍的上邊緣作0.3m/s的等速度水平移動,同時向下以每秒0.3立方公尺的等速率放出流體;當它移動時,其動量會被網格中一個實體元件給包覆,因此暫時減低了流速。在運算上格點由四個等尺寸切割的網格區塊組成。
10. 不均勻的固定牆邊界溫度
針對不斷循環的模鑄充填過程,新增了一個可以增加模擬速度的特殊選項。由於模穴形狀、金屬溫度和冷卻管道的不同,熱模循環模擬會得到一個複雜的三維模具溫度分布,此一溫度可以當作下一次充填的初始狀態,來近似估算在操作過程中模具的真正狀態。在FLOW-3D早期的版本中,必須採用完整的熱力學求解才能利用到此一模具溫度分布,然而,既然填充過程相對於熱能傳導過程通常快很多,故忽略填充過程中模具溫度的變化應屬合理的假設,這樣可以讓模擬過程減少很多計算的工作,同時金屬會在填充過程中更快速的降溫。新的固定溫度選項經由選擇”不均勻、固定溫度”熱傳遞選項來開啟,即IHTC=3。
這是來自NADCA的老式交流發電機外殼高壓模鑄的範例,在一次模鑄循環之後重新開始一個充填的模擬,同時選用”不均勻、固定溫度”作為模具邊界條件選項。模具的溫度分布是經過了十次熱循環求得,而充填過程需要57毫秒。與使用完整熱力學求解的填充相比,模擬時間幾乎快了六倍;而基於模具恆溫的假設,金屬在充填過程中多損失了30%的熱能,相當於平均下來差攝氏7度。
11. 線性波浪邊界條件
藉由Airy方程式求解,9.2版可以在垂直且固定速度的網格邊界條件上產生線性的表面波浪,此功能可幫助土木工程領域的使用者了解波浪對固定或運動中結構體的衝擊,而不需要經過複雜繁瑣的客製化過程就可以做到。線性波浪以震幅、週期(或波長)和平均渠道深度來定義。
這個2D的範例顯示了一個1.5公尺深的水槽中波浪的作用,波浪週期1秒、波長1.56公尺、振幅0.1公尺(波浪高0.2公尺),產生於右邊界同時開放左邊界讓水流自由進出。
12. 可隨時間改變的流體高度邊界
長久以來使用者要求需要在垂直的網格邊界(Xmin,Xmax,Ymin和Ymax)設定自訂且隨時間變化的流體高度,此功能自9.2版開始提供。流體高度在四個網格邊界上可以分別分段定義成時間的線性函數,就如同任何其他的邊界條件量一樣。原來在邊界使用流體速度以控制流體高度的模式從此可以被取代。
這個範例中,右邊界的流體高度隨時間變化以造成一個明顯的波浪,此處邊界條件就如同每個時間步伐做調整的靜態流體壓力,用以造成變化的流體高度。