Flow3D

Разработчик: Flow Science, США

Сайт разработчика: www.flow3d.com

Тип сетки: МКО

Пользователи в России:

Применительно к литейным процессам коммерческих пользователей в России нет!

Возможности: (ссылки на сайт www.flow3d.ru)

Наше мнение:

Flow3D — уникальная программа для решения задач гидродинамики. Flow3d предоставляет пользователю неограниченные возможности для моделирования любых процеесов, в том числе и литейных. Стоит заметить, что данная программа изначально не является литейной. По нашим данным, некоторые предприятия в России проводили опытную эксплуатацию Flow3d, однако получить самостоятельно какие-либо результаты не удавалось из-за сложности работы с ней. LVMFlow — вторая программа, которая, как и Flow3D, использует МКО.

Недостатки Flow3D:

  • очень сложный интерфейс
  • длительная подготовка данных к проведению расчета
  • отсутствие отечественной базы данных

Общее описание:

FLOW-3D обеспечивает высокоточное моделирование течений со свободной поверхностью, используя метод конечных объёмов. Используемый в FLOW-3D метод FAVOR является уникальным методом, отсутствующим в других CFD пакетах. FAVOR достаточно прост в использовании и обеспечивает высокую точность моделирования.

FLOW-3D

FLOW-3D широко используется во всем мире, как в коммерческих, так и в научных проектах для решения наиболее сложных задач в самых разных областях.

Важные отличительные особенности FLOW-3D от других программ.

Во-первых, FLOW-3D для создания сетки использует подход, объединяющий преимущества простой прямоугольной сетки и гибкость деформируемых сеток. Такой подход называется «свободное формирование сетки» так как сетка и геометрия могут быть произвольно 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 специальный подход, известный как FAVOR (Fractional Area Volume Obstacle Representation) метод, используемый 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 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 поверхности и корректного применения на них граничных условий. В FLOW-3D, свободные поверхности моделируются с помощью метода Volume of Fluid (VOF), впервые предложенного группой ученых из Los Alamos National Laboratory, включавшей основателя Flow Science доктора C.W. Hirt. Некоторые из конкурирующих 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 границы 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 небольшие препятствия, тонкие каналы и т.д.

Используя многоблочные сетки, пользователь может связать отдельные блоки для создания сетки на всей расчетной области и в зонах особого интереса и сократить общее количество ячеек. Используя «вложенный» блок, пользователь может улучшить разрешение сетки в интересующих местах.

FlowVu — мощная визуализация результатов в FLOW-3D

Простой генерации точных результатов недостаточно. Требуется возможность просмотра их для понимания и интерпретации. И всегда есть кто-то — заказчик, клиент, начальник — кому требуется ясное графическое представление результатов моделирования. В FLOW-3D есть FlowVu, мощная OpenGL — программа визуализации, предоставляющая простые в использовании средства отображения результатов моделирования, создания анимации и картинок для презентации и отчетов.

Кроме того, результаты, полученные в FLOW-3D, могут быть прочитаны и обработаны в специализированных программах визуализации Fieldview от Intelligent и Ensidht от CEI, Inc.

В версии 9.3 пакета Flow-3D появились новые возможности для моделирования современных сопряженных (мультифизичных) задач, а также новые инструменты, обеспечивающие простоту работы с программой и получение наглядных результатов.

Новые модели

Упругие мембраны и стенки

В версии 9.3 пользователь получает возможность моделировать взаимодействие потока с упруго-деформируемыми мембранам и стенками. Предполагается, что поток может воздействовать на мембрану или стенку, вызывая их деформирование, также как и последние могут влиять на характер течения.

Микропомпа на пьезо эффекте
Рис.1. Микропомпа на пьезо эффекте

Упругие стенки в устройстве для генерации микрокапель
Рис.2. Упругие стенки в устройстве для генерации микрокапель

Термически активный слой

Изображение в постпроцессоре термически активного слоя в пресс-форме литья под давлением
Рис.3. Изображение в постпроцессоре термически активного слоя в пресс-форме литья под давлением

Метод неструктурированного распределения памяти, введенный в версии 9.2, позволил значительно сократить объём оперативной памяти, необходимый для моделирования, также как и время моделирования. Однако, этот метод был эффективен только при отсутствии теплопереноса в твердом теле, когда все расчетные ячейки этого тела дезактивировались. При учете теплопереноса в твердом теле, его ячейки должны быть активными. В версии 9.3 пользователь может определить максимальную толщину слоя твердого тела от нагреваемой поверхности, который будет прогреваться в процессе моделирования. Расчетные ячейки вне этого слоя будут дезактивированы, за счет чего время расчета и требуемый объём оперативной памяти значительно сокращаются.

Эта опция наиболее полезна при моделировании литейной технологии. Например, при литье под давлением, пресс-форма прогревается только на несколько миллиметров. Поэтому в расчете теплопереноса глубже слоя прогрева нет необходимости. Если пользователь определит толщину термически активного слоя, например 5 мм, только ячейки этого слоя будут участвовать в расчете, а за счет отбрасывания остальных ячеек общее их число в моделировании сокращается в несколько раз.

Модель образования осадка

Осадок, сформированный после высыхания толуола
Рис.4. Осадок, сформированный после высыхания толуола

Формирование осадка при высыхании капель жидкости представляет интерес для инженеров во многих технических направлениях, в частности в технологиях нанесения покрытий, формирования массивов пикселей из органических материалов при производстве жидкокристаллических матриц и для различных микро-электро-механических устройств (MEMS). Новая модель осадка в версии 9.3 позволяет моделировать формирование твердого осадка в процессе высыхания раствора и исследовать влияние на процесс таких параметров как начальная концентрация раствора, вязкость жидкости, испарение растворителя и скорость этого процесса, поверхностное натяжение и начальная форма капли.

Двухкомпонентный сжимаемый газ с возможностью испарения/конденсации

Модель FLOW-3D двух жидкостей с фазовым переходом жидкость/газ была расширена добавлением неконденсирующегося газа. Это позволяет моделировать системы состоящие, например, из жидкого и газообразного водорода и инертного газа гелия.

Новая модель неконденсирующегося газа - усовершенствование модели двух жидкостей, которая позволяет предсказывать смешение жидкого и парообразного газа
Рис.5. Новая модель неконденсирующегося газа — усовершенствование модели двух жидкостей, которая позволяет предсказывать смешение жидкого и парообразного газа.

Составные движущиеся объекты

С каждым новым релизом круг приложений модели движущихся объектов (GMO) непрерывно расширяется. Главное дополнение последнего релиза – возможность моделирования составных движущихся объектов, т.е. объектов, сделанных из различных материалов с различной плотностью.

Корабль из 2 частей различной плотности
Рис.6. Корабль из 2 частей различной плотности

 Затопление тяжелой половины судна

Рис.7. Затопление тяжелой половины судна

Граничные условия: добавления/расширения

Сделано несколько улучшений и добавлений к граничным условиям на расчетной сетке, включая:

Граничное условие для объемной скорости течения (расхода)

Добавлено граничное условие объемной скорости течения (расхода). Расход может быть определен как кусочно-линейная функция по времени на любой из шести границ сеточного блока, а также может быть совмещен с заданием высоты жидкости на четырех вертикальных границах сеточного блока.

Линейная волна

Граничное условие «Линейная вола» дополнено возможностью задания до 100 линейных волн на одной вертикальной границе. Таким образом, пользователь получает возможность моделировать нелинейные волны, например, приливно-отливные волны с несколькими Фурье компонентами.

Давление интенсификации для модели микропористости

К модели расчета микропористости добавлен новый параметр «давление интенсификации» (давление подпрессовки). При литье методом ЛПД это давление прикладывается к металлу после заполнения расплавом пресс-формы и приводит к снижению пористости в отливке.

Генератор (источник) жидких капель

Падение капель при сварке
Рис.8. Падение капель при сварке

В версии 9.3 появилась возможность задания нескольких источников (генераторов) капель жидкости, располагающихся в заданном месте и, производящих капли с заданной скоростью. Капли генерируются с одинаковыми начальными размером, температурой, плотностью, давлением и скоростью начального движения. Допускается задание нескольких источников, каждый из которых имеет собственную скорость генерации, размер капели и другие начальные условия. Для задачи с двумя жидкостями источник может генерировать капли как первой, так и второй жидкости, а для задачи с одной жидкостью – может генерировать пузыри. Это добавление применимо, например, в технологиях нанесения капельных покрытий или при сварке.

Повышение удобства и простоты моделирования

Навигатор и Рабочие пространства (Navigator and Workspaces)

«Навигатор», появившийся в версии 9.3, позволяет управлять несколькими задачами в рамках одной рабочей сессии FLOW-3D, включая постановку задачи, расчет и обработку полученных результатов. Новые «Рабочие пространства» позволяют пользователю упростить организацию своей работы за счет упорядоченного размещения и управления несколькими вариантами моделирования по каждой расчетной задаче. В рабочем пространстве необходимые и определенные пользователем варианты моделирования организовываются в очередь несколькими кликами мышки и далее уже автоматически отправляются на моделирование последовательно или параллельно (в зависимости от лицензии). В рамках одной рабочей сессии FLOW-3D может быть создано несколько рабочих пространств.

Изменение параметров солвера в процессе расчета

Не редкой является ситуация, когда пользователь хотел бы изменить некоторые параметры задачи, чтобы добиться в конкретном моделировании большей точности при меньшем затраченном времени. Для этого, по крайней мере, есть несколько причин: низкая сходимость, маленький шаг по времени, подсказки электронного помощника или просто ошибка в постановке задачи. Новый инструмент солвера в версии 9.3 разработан для помощи пользователю в таких ситуациях и позволяет вносить изменения в большинство численных опций задачи в процессе моделирования — без необходимости полной остановки моделирования или даже остановки на паузу.

Улучшение постпроцессинга

Импорт STL геометрии в результаты моделирования позволяет получать более четкие анимации
Рис.9. Импорт STL геометрии в результаты моделирования позволяет получать более четкие анимации

В версии 9.3 за счет импорта STL геометрии в результаты моделирования повышена четкость 3D представления движущихся объектов

Новые параметры, получаемые по результатам расчета

Добавлено несколько новых выходных параметров, что расширяет возможности по получению нужной информации из результатов моделирования. Это:

  • объём жидкости внутри каждого пористого компонента;
  • электрический заряд внутри каждого компонента;
  • количество тепловой энергии джоулевой природы в каждом компоненте;
  • напряженность завихрения;
  • высота свободной поверхности;
  • глубина жидкости;
  • число Фруда;
  • расстояние, прошедшее жидкостью;
  • вязкость жидкости;
  • нормализованный коэффициент сопротивления фильтрации в модели расчета микропористости;
  • критерий солвера для релаксации давления OMEGA;
  • время работы процессора (CPU) отнесенное к временному шагу и скорость работы процессора.