FLOW-3D 9.4

Модель многокомпонентной седиментационной эрозии и переноса донных наносов

Модель седиментационной эрозии усовершенствована с целью расчета многокомпонентных отложений. Это позволяет в одной задаче моделировать сразу несколько фракций, например, песок, ил и мелкий гравий. Другое добавление - модель переноса тяжелых донных отложений - позволяет моделировать перенос потоком тяжелых фракций (пород) по поверхности дна.

Начальная конфигурация донного отложения теперь может быть определена как часть геометрии на закладке «Meshing & Geometry»,используя специальный тип компонента. Это упрощает создание областей осадочных отложений сложной геометрии.

Модель эрозии теперь вместе с другими данными выводит как результат расчета такие параметры как: высота осадочного отложения (the packed sediment height), изменение осадочного отложения по отношению к начальному состоянию и скорость эрозии.

Модели эрозии и переноса донных наносов доступны через диалоговое окно «Sediment Scour»на закладке «Physics».

Изменение высоты седиментационного осадка

Модель эрозийного потенциала

Модель эрозийного потенциала является упрощенной версией модели седиментационной эрозии. Вместо расчета эрозии донных отложений эта модель оценивает избыточное сдвиговое напряжение, т.е. напряжение, превышающее некоторое критическое, при котором начинается эрозия. Модель эрозийного потенциала позволяет оценить вероятность эрозии без необходимости использования более сложного расчета по полной модели. Данная модель является пассивной в том смысле, что она не оказывает влияние на характер течения жидкости.

Модель активируется на закладке «Output». Пользователю необходимо определить критическое касательное напряжение, при превышении которого возникает эрозия и которое, для каждого геометрического компонента может быть задано индивидуально. Если критическое касательное напряжение установлено в нуль, модель будет выводить значение не избыточного, а абсолютного касательного напряжения.

Эрозийный потенциал (избыточное касательное напряжение) в речном русле

Выделение газов и их перенос в литейных стержнях

Модель стержневых газов описывает выделение газов в песчаных стержнях в процессе заливки и охлаждения металла в литейной форме. Газы образуются от деструкции связующего в результате прогрева стержня теплотой расплавленного металла. Модель построена из «первых физических принципов» и включает детальное описание теплопереноса между металлом и формой (стержнем), пиролиза связующего и течения газов в стержне с их удалением через внешнюю поверхность стержня.

Данная модель может быть использована совместно с моделированием процессов заполнения металлом литейной формы и его затвердевания. Она рассчитывает давление газа и скорости его переноса в стержне, а также позволяет оценить массовый поток газа на стержневых знаках, на открытых поверхностях и, что весьма важно, на поверхностях, контактирующих с металлом, т.е., позволяет оценить поток газа в металл.

Данная модель доступна через новое диалоговое окно «Core gas model»на закладке «Physics».

Массовый поток газа на поверхности стержня.

Нелинейные волны Стокса

Граничное условие линейной волны дополнено моделью нелинейной волны Стокса пятого порядка. В сравнении с исходной новая модель позволяет определить периодические волны с большей амплитудой и крутизной профиля.

Волны Стокса задаются на панели граничных условий, там же где определяются линейные волны.

Волна Стокса 5-ого порядка.

Температурная зависимость свойств материалов

Теплофизические свойства некоторых жидких и твердых материалов значительно изменяются с температурой. Учет этого изменения важен при необходимости получения точного численного решения. Версия 9.4 FLOW-3D позволяет определить различные свойства материалов как функцию температуры в табличном виде. Почти все свойства жидких и твердых материалов, включая коэффициент теплопереноса между жидкостью и твердым телом, могут быть теперь определены как функции температуры. Данные зависимости вводятся или непосредственно в базу данных материалов, или в файл моделирования с возможностью дальнейшего сохранения в базе данных.

Вязкость может быть определена не только как функция температуры, но и как функция скорости сдвига.

База данных была подвергнута кардинальной переработке. В частности, каждый материал теперь представляется отдельным файлом. Табличные данные могут быть загружены, сохранены и введены в базу данных. Для упрощения переносимости файлов моделирования, при загрузке в препин файл свойств материалов из базы данных, зависимости от температуры также записываются в файл моделирования. Структура данных на закладках «Fluids»и «Meshing & Geometry» также модифицирована для упрощения внесения изменений и отображения данных в табличной форме.

Доступ к базе данных теперь осуществляется через глобальное меню "Materials".

В первом релизе 9.4, теплоемкость fluid #1 и #2 не может быть задана как функция температуры. В следующем релизе планируется снять это ограничение. Остается возможность использования неизменяемых от температуры свойств и пользователи могут продолжить работу с файлами проектов, созданных в предыдущих версиях FLOW-3D.

Задание зависимости от температуры различных свойств материалов

Добавления к модели свободно движущихся объектов (GMO)

Модель сцепления GMO объектов - пружина/канат

На объекты с типом движения, определяемым взаимодействием с потоком (coupled motion), могут быть наложены ограничения в виде связи (в том числе упругой) с другими движущимися или стационарными объектами или точками пространства. Возможны несколько типов упругой связи: сжатие, растяжение и кручение. При использовании упругой связи необходимо определить длину связи в свободном состоянии, коэффициент упругости и приложенную силу, последнее определяется только в случае, если данная связь в начальном состоянии является нагруженной. Допускается использование в одном моделировании до 100 связей, с наложением нескольких связей на каждый движущийся объект.

Деформация каждой связи, силы и моменты на их концах выводятся в результатах расчета как функции времени в группе параметров «General history».

Определение связей выполняется в дереве свойств «Geometry» на закладке «Meshing & Geometry».

Моделирование нефтяной платформы, сцепленной с морским дном

Синусоидальное движение

Для объектов, движущихся по заданному закону (prescribed motion), теперь возможно задание закона периодического движения с использованием простой синусоиды для линейной или угловой компоненты скорости. Раньше для задания такого движения требовалось составление больших таблиц. Эта опция доступна в диалоговом окне определения параметров движения для каждого GMO объекта в «Meshing & Geometry».

Остойчивость (Buoyant stability)

Пользователь теперь может оценить центр плавучести для объектов, движущихся под водой. Центр плавучести рассчитывается как геометрический центр тяжести вытесненного объема жидкости в предположении того, что свободная поверхность жидкости относительно плоская и имеет внешнюю нормаль по положительному направлению оси z.

Остойчивость объекта оценивается для вращения вокруг координатных осей x и y (крен и дифферент)и с расчетом метацентрической высоты.

Центр плавучести и метацентрическая высота – данные, которые необходимы для оценки устойчивости морских судов. Результаты расчета этих параметров могут быть получены для каждого GMO компонента в группе параметров «Global history».

Управляющие силы (Control forces) с точками приложения

Пользователи теперь могут определить три «control forces» и точки их приложения на GMO компонентах. Это существенно упрощает моделирование реальных задач, т.к. раньше эти силы необходимо было конвертировать в соответствующие силы и моменты, приложенные к центру масс тела (эта опция остается доступной).

Данные силы определяются в диалоговом окне ввода каждого GMO компонента в «Meshing & Geometry».

Силы пристеночной адгезии

Силы пристеночной адгезии, связанные с поверхностным натяжением, и действующие на линии контакта с жидкостью, теперь учитываются в уравнениях движения для каждого GMO компонента.

Контактные углы для субкомпонентов (Subcomponent-specific contact angle)

Пользователь может определить индивидуальный контактный угол для каждого твердого субкомпонента входящего в состав GMO компонента, таким образом, открывается возможность получить компонент, составленный из субкомпонентов, представленных различными материалами. Углы определяются в ветвях «Subcomponent» дерева свойств «Geometry»в «Meshing & Geometry».

Также, контактный угол добавлен в группу параметров «restart», доступной в постпроцессинге.

Междендринное питание

Модель быстрой усадки (Rapid Solidification Shrinkage model) была обновлена добавлением возможности при расчете направления питания исключить влияние гравитации. В этом случае питание будет идти по направлению температурного градиента – от горячих зон к холодным.

Новая опция питания полезна при моделировании тонкостенных отливок, в которых сеточное разрешение может быть недостаточно для описания тонкой затвердевающей корочки растущей от поверхности литейной формы. В таких случаях, стандартная модель гравитационного питания может показать избыточное питание от верхних частей отливки.

Данная опция доступна в диалоговом окне «Solidification»в«Physics».

Улучшения

Модель турбулентности

Высокая чувствительность двухпараметрических моделей турбулентности к задаваемому пользователем параметру «длинна пути смешения» и на которую, в последнее время, обращали внимание многие пользователи, была значительно снижена. Добавлена возможность расчета на основе локальных характеристик потока динамического максимального пути турбулентного смешения в каждой точке расчетной области, который используется для определения диапазона доступных значений турбулентной энергии и её диссипации.

Для случаев, где постоянство длинны пути смешения надежно характеризуется параметрами задачи, старая модель продолжает оставаться доступной.

Улучшения были сделаны для турбулентного граничного условия в пристеночном слое. Это позволило повысить точность и снизить зависимость результатов от сеточного разрешении в пристеночной области.

Автоматическая остановка расчета при достижении стационарного состояния.

В список критериев остановки расчета добавлена опция остановки при достижении стационарного состояния. Пользователю необходимо выбрать переменные, определяющие данное состояние и установить их максимальные вариации (по умолчанию - 1% от среднего значения). Также определяется период времени, по истечении которого эти вариации имеют место, по умолчанию используется 1/10 полного времени моделирования.

Критерий остановки задается в диалоговом окне «Finish condition»на закладке «Global».

Задание начального положения областей жидкости с помощью STL файлов.

Добавлена возможность импортировать STL файлы для определения начального положения областей жидкости (на закладке «Initial»).

Подпрограммы для GMO объектов

Сформирован набор пользовательских подпрограмм для упрощения добавления сил, моментов и скоростей для GMO объектов, которые не включены в стандартную модель.

Действие давления на движущиеся компоненты

Точность интегрального действия давления на GMO компоненты была повышена за счет добавления интерполяции поля давления от узлов ячейки к поверхности GMO.

Снижение конвективной объемной ошибки

Кумулятивная конвективная объемная ошибка была значительно снижена в потоках, которые подвергаются повторяющейся деформации, такой как всплески, например, жидкого топлива в танках или имеющие место при распространении волн на поверхности жидкости в различных сосудах. Снижение достигнуто за счет использования алгоритма повторного использования, добавленной или удаленной вследствие конвективной ошибки, жидкости.

Перенос данных между сеточными блоками в многоблочных задачах

Перенос данных решения между сеточными блоками был оптимизирован для повышения вычислительной производительности. Эффективность солвера в этом смысле выросла от 50 до 100%.

Ограничение шага по времени для Implicit Advection

При использовании алгоритма неявной адвекции (implicit advection) слишком большой шаг по времени может значительно снизить точность расчета. Добавление ограничения на размер шага по времени для модели неявной адвекции, обеспечило возможность контроля точности. Данное ограничение определяется при задании исходных параметров на закладке «Numerics» и состоит в определении коэффициента на который может быть повышен предел стабильности для явной адвекции (explicit advection). Обычно этот коэффициент не более 10.

Конвективная стабильность

Стабильность алгоритмов явной и неявной адвекции для пространственных задач была повышена за счет исключения случайных флуктуаций температуры и других скалярных параметров. Эти флуктуации иногда приводили к нефизическим значениям параметров решения, например, отрицательным температурам жидкости.

Неявная адвекция для методов «Lagrangian VOF»

Алгоритм неявной адвекции был распространен на оба метода Lagrangian VOF FLOW-3D.

Имена компонентов и субкомпонентов

Каждому компоненту и субкомпоненту теперь можно присвоить уникальное имя. Также, имя может быть задано для материала каждого геометрического компонента. При загрузке свойств материала компонента из базы данных, вместе со свойствами загружается и название материала. Названия компонентов и субкомпонентов вводятся в дереве свойств «Geometry» на закладке «Meshing & Geometry».

Интеграция препроцессора и солвера

До сих пор препроцессор и солвер во FLOW-3D были двумя самостоятельными программами, связь между которыми осуществлялась через временные файлы. С ростом сложности и размеров моделируемых задач, такая организация вычислительного процесса становилась все более неэффективной. В настоящей версии эти две части программного кода объединены в один исполняемый файл. Это привело к сокращению времени запуска задачи на расчет, упрощению создания и установки обновлений и открывает новые возможности для дальнейшего развития.

Алгоритм работы пользователей остался без изменений.

Дополнительные параметры для вывода результатов моделирования

Добавления к выводу гидравлических данных

Результаты моделирования, сгруппированные как выводные гидравлические данные (Hydraulic data output), и, появившиеся ещё в версии 9.3, были расширены за счет добавления осредненной по глубине скорости и скорости течения на определенной высоте от дна, которая задается пользователем и по умолчанию равно нулю.

Полный гидравлический напор

В группу «Additional output» на закладке «Output» добавлен новый параметр: полный гидравлический напор. Результаты расчета поля этого параметра доступны через рестартную группу параметров («Restart»), так и через, выбираемую пользователем («Selected»). Полный напор рассчитывается на основе интеграла Бернулли и может быть полезен не только в гидравлических задачах, но и при моделировании литейных процессов, т.е. там, где представляют интерес гидравлические потери при течении жидкости в сложных каналах.

Кроме этого на каждой «flux surface» рассчитывается средний полный гидравлический напор, который выводится через группу данных «global history».

Поле гидравлического напора

Объемная ошибка

Кумулятивная конвективная объемная ошибка в каждой расчетной ячейке была добавлена в рестартную группу параметров расчета. Это полезно в случаях возникновения чрезмерных объемных ошибок, анализа причин их возникновения и средств уменьшения.

Давление и касательные силы на поверхности твердых тел.

Нормальная и касательная компоненты полной гидравлической силы действующей на геометрические компоненты (твердые тела) теперь могут быть получены из группы расчетных данных «General history». Это относится как к стационарным, так и движущимся компонентам. Этим снимается давнее ограничение, позволявшее получать только силы давления, действующие на стационарные компоненты.

Остойчивость

Центр плавучести и метацентрическая высота – данные, которые необходимы для оценки устойчивости морских судов. Результаты расчета этих параметров могут быть получены для каждого GMO компонента в группе параметров «Global history».

Интерфейс (GUI)

Изменения в рабочем пространстве (Workspace), связанные с добавлением или удалением задач моделирования теперь сохраняются автоматически. Больше нет необходимости сохранять их в ручную.

Подпрограмма ADMesh для анализа и исправления некорректных STL файлов теперь добавлена в меню «Tools» на закладке «Meshing & Geometry».

Исправлены некоторые ошибки в работе Navigator.

Добавления для использования Flow-3D несколькими пользователями:

• Установки (Settings), «Default Workspace», временные и другие файлы теперь записываются в индивидуальные пользовательские директории.
• Теперь нет необходимости модифицировать установленную бузу данных. В интерфейс добавлен механизм позволяющий пользователям сохранять собственные копии этих файлов.
• Изменение внесено в характер работы с файлами примеров (Example simulation). Теперь создается копия выбранного файла примера и, таким образом, исходный файл сохраняется для дальнейшего использования другими пользователями.

Изменения коснулись закладки «Output», она стала более дружественной к пользователю.

Таблицы с температурными зависимостями для различных параметров сопровождаются графиками для наглядности представления.

Группа параметров «Version options» на закладке «General» была улучшена внесением большей ясности об использовании в моделировании установок по умолчанию или заданных пользователем. Пользователи теперь могут возвратить эти установки в значения по умолчанию или выбрать желаемые для всех задач моделирования в рамках одного рабочего пространства. Для этого нужно сделать правый клик на имени рабочего пространства (Workspace) и выбрать «Reset Version Options to Default» или «Set Version Options …».

Исправлены ошибки при работе с prepin–файлами в 64-bit Windows.

Постпроцессинг

Теперь имеется возможность получения скриншотов в высоком разрешении.

Добавлена возможность 3D режиме отображения двух полей с результатами моделирования, что облегчает сравнение результатов двух различных задач, или различных стадий одной задачи.

Добавлена возможность определения в интерактивном режиме опорных точек для линий тока жидкости.

В 3D режиме добавлена возможность отображения затвердевшего и не затвердевшего объема металла.

В 2D режиме отображения добавлена возможность совмещения температурных полей жидкости и твердых компонентов при их отображении.

В 3D режиме добавлена возможность каркасного (Wire Frame) отображения данных – доступно в меню «View».

Текстовая строка (Title) в 3D режиме отображения теперь стала подвижна, также как параметрическая шкала или индикатор времени.