flow3d官方培训教程中的实例中文说明.docx
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flow3d官方培训教程中的实例中文说明
flow3d官方培训教程中的实例中文说明
Flow3D学习——3算例1AerospaceTutorial
Flow3D学习——4算例2CastingTutorial
创建新的workspace,名称为CastingExample,创建新的simulation名称为casting。
导入几个stl文件,每个文件都是Component1的Subcomponent,即材料特性将应用于里面的每个固体。
注入口(sprue)先作为固体导入以便观看,然后修改为complement,这样网格区域内除几何形状存在的区域都变为固体,即对那部分进行取反操作。
另外cad生成的stl文件是毫米单位,这里用CGS单位,需要缩放1/10。
导入c:
\Flow3D\gui\stl_lib\sprue2.stl和part.stl,都作为Component1的Subcomponent,把part.stl的类型改为Hole。
把每个Subcomponent的GlobalMagnifications变为0.1。
Subcomponent2需要平移,X方向Translations为3,Z方向0.5。
每次输入后按Enter键可以更新显示。
增加一个Box作为Hole,参数为X4.5-8.5,Y-0.4-0.4,Z-0.4-0.6
使用3块网格计算,修改计算网格参数
#CellsLowHigh
X:
6 -1.51.5
Y:
1 -0.10.1
Z:
30 -3.411.6
X:
21 1.512.0
Y:
1 -0.10.1
Z:
6 -2.40.4
X:
16 2.510.5
Y:
1 -0.10.1
Z:
20 0.410.4
此时可以把Subcomponent1从Solid变为complement,这样会填充包围它的网格。
记住,几何形状和网格块无关,几何形状会自动占据网格块内的空间。
为检查网格,进行前处理Simulate>PreprocessSimulation,然后在Analyzetab下选择prpgrf.casting,在2-DTab中的右下角MeshBlock按钮弹出的对话框中选择所有块,Render后显示可以用于检查的图形。
(这里给出了检查的方式)
Block1顶部注入口边界流速是变化的,不易指定,可以使用定常的stagnationpressure表示上面注入溶液高度固定(大溶液池)或者stagnationpressure随时间变化,即上面液面高度逐渐降低,最简单的是线性变化。
先假设压力为常数,在边界中使用压力18375.0并勾选Stagnationpressure。
注入温度需要指定,在PhysicsTab中选择HeatTransfer,1stOrder,OK,然后重新在刚才边界条件对话框中单击ThermalInformation按钮,输入900.0,OK。
Flow-3D会自动设置网格块连接的边界条件为MeshBlock,也可以自己设置。
(哪里设置?
)
在GeneralTab中设置结束时间为0.5s,Flow-3D始终在结束时间到达后停止计算,也可以在Finishcondition中指定填充比例作为结束条件,如果不设置Fillfraction而在入口处使用流速边界条件时在注满溶液后求解器可能因为要继续注入溶液而出错退出,这里设置为1.0即全部填充并把Units改为CGS单位。
因为空间内开始时没有液体,因此这个例子中也就不存在初始条件。
PhysicsTab中需要使用的模块包括:
模块名称 理由
Viscosity 湍流引起的墙面剪应力Wallshearforceandturbulentmixing,选择牛顿粘性的RenormalizedGroup(RNG)模型,此模型健壮性、易用性和精度均较好。
(紊流模型都推荐这个吗?
)其它取缺省值
Energyequation(流体中热传导) 计算金属中的温度Tocomputethetemperatureinthemetal
HeatTransferandConductioninobstacles 砂模和其中流体的热交换Heatexchangebetweenthesandmoldandthefluidandwithinmold能量对流有2个选项,二阶计算更精确但是更费时,通常在浇铸中使用一阶即可。
流体和固体热传导中的无热传导选项用于隔热模拟,后面的2个选项表示温度从流体传递给温度恒定的固体,因为浇铸时间很长,砂模温度变化很大,因此这里需要使用FullEnergyEquation选项求解完全的能量方程。
Gravity 重力加速度AccelerationduetogravityCGS单位中Z向加速度是-980。
Solidification 模拟注入过程中的金属凝固Simulatemetalfreezingduringthefilling可能没有充满就凝固了,这里激活此部分并取默认值(模拟没有shrinkage的情况)。
DefectTracking 记录氧化物相对浓度和缺陷的可能位置Recordstherelativeconcentrationoxidesandthustheprobablelocationofoxiderelateddefects此模块计算液态金属暴露在空气中的时间,能表示溶液前锋氧化物含量水平,在氧化物缺陷位置预测时有用。
由于氧化物生成速度没有试验确定,因此这里用1表示氧化物相对浓度。
在Fluidstab中载入alloyAL356inSI属性并在对话框中选择转化为CGS单位。
推荐在设置模块后立刻设置材料属性,因为有些模块如Solidification和特定的流体特性有关,这样可以保证需要的特性从数据库中载入了。
(材料特性是否必须立刻载入,能否设置完所有模块后再载入?
)
下面在Meshing&GeometryTab中的Tools菜单中选择SolidsDatabase,从列表中选择GenericSilicaSandat1000K,载入,此时thermalconductivity和density*specificHeat等都应该有数值了,然后在左侧Component1的InitialConditions中修改温度为293。
运行,然后载入flsgrf.casting看结果。
先在AnalyzeTab右下角的MeshBlock中选择所有网格块,否则只会显示一块。
Contour变量用Temperature,Render后可以看到结果。
由于速度很快,温度高于熔点,因此溶液没有凝固现象。
如果结果中有空洞可能由两个原因,一是FillFractionFinishTime条件只检查空网格,而不是部分空网格引起,因此可能在没有空网格但是有部分空网格时计算结束;二是温度图把流体体积比小于0.5(液体比例小于50%)的网格屏蔽了,这个比例可以在AnalyzeTab左下角的Advanced对话框中设置。
把等值线变量修改为SurfaceDefectConcentration,Render后可以看出氧化物在金属表面累积情况,可以看出顶部较高,可以设置一个冒口把这部分溶液排出。
把计算网格Y方向尺度变为-2.0~2.0,网格大小为0.5,把模型变为三维情况。
计算时间修改为1.0s,边界条件变为随时间变化的情况,线性变化到0.7s时2450,此后压力值保持不变。
运行后观看,Iso-Surface变量设置为fractionoffluid,表示溶液表面,ColorVariable用选择的变量覆盖流体的iso-surface,选择Temperature,Render。
(对这些设置糊涂,哪里有说明?
)
创建热启动模拟凝固,在Generaltab中选择从0.81s开始,并选中restarttimetozero保证初始的非惯性力从0开始(上个例子也是这样,这是什么意思?
),其它用缺省选项,结束时间为120s。
凝固模拟时假设上部没有流体注入,在BoundariesTab中Block1的Z-max边界设置FluidFraction为0(应该是FFraction)。
在Generaltab中修改FinishCondition为SolidifiedFluidFraction允许FLOW-3D在模拟结束时间前停止。
模拟120s要很长时间,凝固与热传导有很大关系,在NumericsTab中缺省是Explicit方式求解,需要很小的时间步,用Implicit方式可以避免这个问题(Explicit/implicitsolveroptions中的Heattransfer选项)。
假设在凝固过程中z向流速很小,在Fluidflowsolveroptions中选择UseZeroVelocityField可以大大减少计算时间。
并在输出选项中选择Solidfraction。
开始模拟。
计算完成后在AnalyzeTab中载入flsgrf.dat,选择2-DTab,选择3个网格块和XZ平面,在DataSource中选择Selected,并用SolidFraction做等值线变量,可以看出凝固过程是从右侧开始的,然后向上凝固。
还有其它变量可以检查浇铸过程,在DataSource中选择Solidification,可用的等值线变量包括
SolidificationTime网格中温度降低到凝固温度下
SolidusVelocity(VEL)表示solidusfront运动的速度,-1表示没有数据,如果两个solidusfront碰撞时FLOW-3D无法确定速度或者开始凝固时发生。
CoolingRate(SCR)在凝固温度时单位时间内能量的变化
LocalSolidificationTime(LST)网格在液态和固态之间变化使用的时间
还有一些其它变量,因不会用到,略过。
Flow3D学习——5算例3HydraulicsTutorial
HydraulicsTutorial
这个问题中流体从18cm高的坝上流下,根据自由落体运动,水流流速为
Velocity=sqrt(2*980*18)=187.8cm/s
Reynold数为Re=30cmx187.8cm/s^2/10-2cm^2/s=5.6x10^5
因此粘性应力可以忽略,不需要用很密的网格描述墙面粘性剪切应力,但是由于存在紊流,流体内会存在粘性剪切应力,因此需要在模拟中使用粘性模型。
Bond数和Weber数为
Bo=980cm/s^2*1gm/cc*(30cm)^2/(73gm/s^2)=1.2x10^4
We=30cm*(187.8cm/s)^2*1gm/cc/(73gm/s^2)=1.45x10^4
即不需要考虑表面张力。
根据问题的性质,采用对称方式模拟。
创建workspace和simulation,在General中设置结束时间为1.0s,单位CGS,在下面Notes中的第一行是标题,将出现在所有的输出文件和图形中,这里写为“FlowoveraWeir”。
在Meshing&Geometrytab中导入c:
\flow3d\gui\stl_lib\weir1.stl,按缺省设置。
下面增加上游水库的底面,单击工具栏Box图标,为定义不同的属性(如糙率参数),选择NewComponent2,X-10~1,Y-20~20,Z0.0~8。
选取计算域时上游不能太小,否则会因为突然出现的加速度引起计算不稳定,下游如果计算范围小会使边界条件影响流体流态,但是计算范围太大会使计算时间增加。
这个例子先用一块网格计算,然后嵌套加密的网格,网格定义可以用手工或图形方式。
设置计算网格范围X-10~20,Y0~10,Z0~18,各方向网格分别为30、10、18,为在对称处加密,在Y方向的Pt
(1)选项中设置网格大小为0.5。
BoundariesTab:
这个问题中X两端边界被设置为hydrostaticpressure边界条件,如果边界的“fluidheight”比计算域内高则会向计算域内流入,否则会流出。
在XMin边界上选择SpecifiedPressure边界条件同时选择StagnationPressure,并设置FluidHeight为15.5;在XMax中同样使用SpecifiedPressure和择StagnationPressure,并设置FluidHeight为1.7,设置Ffraction为0.0,这样可以防止流体从这个边界进入计算域,但是允许流体自由流出。
(开边界?
)
Initialtab:
由于在X两端使用了静水压力边界,必须激活静水压力选项才能保证边界条件正确设置,在Initialpressurefield中选择HydrostaticpressureinZ-direction,这将把网格中所有流体初始化为静水压力,同时指定垂向压力边界条件为静水压力边界条件。
然后创建网格中的初始流体,单击Addfluid,在对话框右下方的Fluidoptions中选择Addfluid,XHigh输入0,ZHigh输入15(其它不必输入?
默认为计算网格极值?
)(上游,边界条件水位15.5),单击OK,然后再次增加一个流体区域XLow为1,ZHigh为1.7(下游,边界条件水位1.7),这2个流体区域在网格中增加0时刻的初始流体。
Physicstab:
选择Viscosityandturbulence模块,使用Newtonianviscosity,在Wallshearboundaryconditions中使用No-sliporpartialslip条件(墙面剪切应力模型,不允许流体沿墙面滑移),单击OK。
在Gravity中Z向为-980(cm/s2)。
Fluidstab:
需要流体的密度和粘性,载入waterat20℃。
如果不在选择模型后立刻设置流体属性,在关闭simulation时没有指定属性的模块会关闭。
Outputtab:
在restartdata下的Timeinterval中输入0.05,即每隔0.05s输出一次。
Numericstab:
不需要修改。
Simulate->PreprocessSimulationion,前处理,在Analyzetab中打开prpgrf.dat,在3Dtab中的ComponentIso-surfaceOverlay中选择Solidvolume,Render,检查。
模拟后打开flsgrf.dat观看。
增加初始条件:
下面在出口前端增加一块流体并赋予x方向的初始速度好让流态尽快稳定。
Addsimulationcopy,在初始条件中增加一块流体,X0.0~2.5,Y-5.0~5.0,Z13.0~15.0,OK,在Fluidinitialstate中设置U-velocity为20。
检查,模拟,观看。
增加嵌套网格:
复制simulation,在Meshing&Geometrytab中选择工具栏上的CreateMesh(先要使用2D投影方式),用鼠标创建嵌套网格区域,然后在左侧修改网格范围-3 前处理后可以在Diagnostics->PreprocessorReport中找到每块网格的边界条件。 excessiveconvectionfailures--calculationterminated 双流体模拟: 复制simulation,Generaltab中选择TwoFluids,尽管空气是可压缩的,但是由于Mach数很低,可以看作是不可压缩流体。 Fluidstab中载入fluid2的属性为Airat15degrees,单击LoadFluid2载入,展开左侧参数检查。 运行,观察。 (用上次的结果进行双流体模拟失败? ) 需要指出,计算结果并不是物理上真实的,主要问题在于每个网格内只计算了一个速度。 当两种流体密度差别较大,比如大于10倍时,因为同一网格中不同流体的流速差别较大,即同一网格内空气和水的速度有较大差别,这种混合速度计算方法就不精确,后果就是两种流体间的滑移条件没有精确模拟,可能导致流体界面运动模拟不正确。 当两种流体的密度差别到一定程度时,双流体模型就不精确(但是对很多CFD软件来说,这种双流体模型是计算自由表面的唯一方法)。 为精确模拟自由表面,FLOW-3D使用了trueVOF方法,这种方法可以正确计算流体运动、保持界面清晰且不必计算空(空气)区域。 Flow3D学习——2命令行 PEEK 工具程序 PREP3D前处理器 HYDR3D水动力求解器 FLSCON后处理器 runall=runpre;runhyd;runpost resall=respre;reshyd;respost 命令行方式 runpreext1ext2对prepin. 如果二者都不存在则 runhyd 如果 runpost Runall runbatch =========Linux下的 /home/flow3d/examples/weir/prepin. /home/joe/tesprob/prepin.inp ../test1/prepin. ../test2/prepin.inp local_directory/prepin.inp =========end========= runpre和runpost运行会自动生成新文件,覆盖老文件,而runhyd和runall必须在执行前删除结果文件。 Analyzetab可以生成需要的图形,有时需要生成的图形没有事先指定或者需要修改现有图形,可以编辑flsinp.dat或者修改prepin.inp重新运行前处理生成新的flsinp.dat,用这个新的flsinp.dat运行后处理生成新图形。 flsinp.dat在后处理中说明。 求解器运行时可以进行后处理随时检查结果,用runpost运行后处理,图形可以用pltfsi或flowplot(仅win)。 pltfsi检查后处理结果flsplt.*和前处理结果preplt.*,flowplot与pltfsi类似,只是更友好(仅win)。 peek可以在求解器运行时通过文件HYdr3D_SIgnAL.dat与求解器通讯,求解器时间步信息保存在hd3msg.dat中,peek监视此文件,通过选项可以结束求解器、输出特定信息等,如果是热启动需要用12选项指定文件名称。
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