第二章FLOW-3D 填充分析

Multi-Block Meshes
• Connected 接续式网格区块
• Nested 巢式网格区块
Multi-Block Meshes 应用
部分重叠
• 网格区块可同时存在 Nested 及 Connected 格式
• 发生『部分重叠』，这样的 发生『部分重叠』 网格区块无法使用
Multi-Block Meshes 设定重点
Air Entrainment models
填入表面张力系数并不会启动表面张力模型 计算； 计算；不过会根据表面张力系数大小计算流 体表面的力平衡，以决定卷入的空气量。 体表面的力平衡，以决定卷入的空气量。 在 Active 模式需要计算空气卷入量对於流 体密度的影响时，才需要填入空气密度值。 体密度的影响时，才需要填入空气密度值。 一般计算（ 一般计算（Passive）不需要填入此数值。 ）不需要填入此数值。
操作：建立网格
显示网格 隐藏网格 切换成圆柱座标 增加网格区块 网格区块资讯
网格区块的调整
新增网格区块 删除网格区块 自动切割网格 调整网格区块 网格资讯 网格区块尺寸调整 移动网格区块 复制网格区块 分割网格区块 自动调整网格区块至几何图档 大小 隐藏网格 显示网格 仅显示单一网格区块 显示所有网格区块
Multi-Block Meshes
• FLOW-3D 於 V8.0 版之後，推出 Multi-Block Meshes 的设定方式。Multi-Block Meshes 可以适用於各种应用 领域，能够在分析模型中进行局部或整体的网格尺寸 调整，大幅减少分析时所需之内存。 • 网格区块（Mesh Block）不允许局部重叠，仅能完全 相接或者是完全重叠。FLOW-3D 并没有限制仅能采 用 Connected Blocks 或是 Nested Blocks，也没有限制 网格区块的连接方式（连接方式与流体的流动方向无 关）。使用者可以根据实际需求进行调整。
• 网格区块数量越少越好；每增加一个网格区块，至少 会增加一个需要计算叠代的边界。不必要的网格区块 会增加叠代可能造成的数值误差以及增加分析时间。 • 网格区块之间的 Aspect Ratio（网格尺寸）尽量采用 1.0 ~ 2.0 之间。 • 避免在流场紊乱（压力梯度较大）的位置建立网格区 块，网格区块连接的位置尽量位於流场平缓的区域。 • 在网格区块的连接位置，以 Fixed Point 确认网格区块 的连接，这样可以减少网格区块连接位置的体积误差 量。
Defect Tracking 的数据为相对数 如果有实验， 值，如果有实验，可以叁考 实验数据给定资料； 实验数据给定资料；也可以 给定一正整数， 给定一正整数，叁考其显示 之位置。 之位置。
Density Evaluation
• FLOW-3D 内的流体密度可以是其他变数的函数，例如 温度或是固化率。举例而言，计算时可以考虑流体密 度随着流体温度的变化。
常用指令
M网格大小 步距大小可调整不同的数值
Auto Mesh & Mesh Info
可指定网格总数量， 可指定网格总数量，或者是 指定网格尺寸大小
程式会根据指定的条件， 程式会根据指定的条件，在 X,Y,Z 三方向进行网格切割
真实网格数量
以 FAVOR 检视网格建立状况
• Non-Uniform Meshes
• 使用时机：大部分状况，建议采用 Uniform Meshes。如果是 External 使用时机：大部分状况， 。 Flow 的案例，再利用 Non-Uniform Meshes 减少网格数量 的案例，
网格建立重点
• 尽量采用 Uniform Meshes 格式。网格的 Aspect Ratios 格式。 ）。Aspect Ratio 建议不要超 尽量趋近於 1（正立方体）。 （正立方体）。 格式时， 过 3.0；如果是采用 Non-Uniform Mesh 格式时，相邻 ； 的网格尺寸比例建议不要超过 1.25。 。 • 如果分析中包括表面张力计算，在表面区域尽量采用 如果分析中包括表面张力计算， Uniform Meshes。 。
Geometry file(s) 几何图档设定
单位转换
变更类型
变更物件单位及 图档类型
Unit 单位
• FLOW-3D 内定单位为 – SI（m, Kg, …） – CGS（cm, g, …） – ENGINEERING（英制） • 由於大部分铸件绘图单位为 mm，因此在 FLOW-3D 读 入图档时建议将单位转换至 CGS 制。 • 1 mm = 0.1 cm，因此单位转换时 Global magnitude 必须 填入 0.1。
2.1、FLOW-3D 可接受之图档
• FLOW-3D 接受多种图档及网格格式，可从外部绘图程 式或其他 CAE 前处理器转入。不过在预设的前处理器 中，仅能直接读取 STL 格式。其馀格式必须以文字编 辑器编辑 Prepin 档。 • STL • UNV • Other meshes • 操作
STL（stereolithography ）format
Air Entrainment
• 当流体处於自由液面流动时，表面紊流可能会将空气 卷入流体内，这种现象称为卷气（Air Entrainment）。 铸造过程中，卷气可能会造成缩孔的产生，以及铸件 表面或结构上的缺陷。 • 仅开启卷气模型计算时，卷气计算并不会影响到原始 流体的流动模式（卷气量不大），如果卷气量大到足 以影响流场的运动模式，就必须开启 Density Evaluation （密度变化模型） 以考虑卷气量对於流体 密度的变化。前者称为 Passive 计算；而後者则是称为 Active 计算。
操作：指定分析条件
到达时，程式也会停止计算； 由於 Finish Time 到达时，程式也会停止计算；因此将此 数值加大， 作为停止条件。 数值加大，确保程式会以 Fill Fraction 作为停止条件。
指定分析停止条件 -> Fill Fraction Fill Fraction=1 -> 模穴填满率达 100%才停止 才停止
• 大部分的 CAD 都支持 STL 格式输出。STL 格式转出 时，实体图档会以三角形面完全包覆，转出格式则包 含三角形的三个点的座标，以及三角形的法线方向。 所有的座标格式均采用直角座标系 (Cartesian coordinate system)。
STL 格式
• STL 档案是以”.stl”为副档名，STL格 式是以近似的外包曲面来代表物体的表 面。STL 档案中包含一序列的面资料， 每一个面资料以一个单位法向量（ Normal vector）以及三个顶点（vertices ）座标来表示。因此是以 12 个数字来 代表一个面。 • STL 档案分为 Ascii 及 Binary 两种格式 ，Ascii 的 STL 档案只是为了让使用者 可以看出其格式并且进行编辑，但是档 案格式较大。由於 FLOW-3D 两种格式 都可以接受，建议生成格式采用 Binary 格式（Binary 格式的 STL 档案较小）。
2.4、成形材料选择
• FLOW-3D 内建材料库中，包含了大部分常用的金属材 料。使用者可以直接选用。 • 如果材料库内的材料不足，可以利用新增材料的方式 建立自己的材料；另外，也可以编辑内建之材料。 • FLOW-3D 是一套标准的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics ）软件，因此支持多流体的计算方式。 分析可以载入两种不同的材料以进行两相流分析（铸 造领域不会使用到此部分功能）。
Defect Tracking
• 铸件的机械强度与铸造过程中生成的氧化膜、卷气， 以及其他在充填过程中夹杂於固体内之杂质息息相关 。表面追蹤模型（The Surface Defect Tracking model） 會記錄金屬液體與表面空氣接觸的時間以及接觸面， 能夠讓使用者預測金屬氧化膜的生成位置以及集中區 域。
其他网格格式
• FLOW-3D 也支持由 ANSYS 转出之 Tetra Element 网格 档，不过必须将档案分为两部分，分别是座标档以及 网格关连档。 • 在铸造领域设定时，建议使用者直接以 STL 档作为分 析档案格式。
操作：从前处理器加入 STL 档
加入 STL 档 FLOW-3D 没有限制 STL 档的数量，如 档的数量， 果需要加入多个 STL 档，可以重复加入
(x2,y2,z2)
(x1,y1,z1)
Normal Vector
(x3,y3,z3)
I-DEAS Universal File
• FLOW-3D 也可接受从其他 CAD 或 CAE 产生之 tetrahedral 网格档，预设格式为 I-DEAS 的 Universal 格 式（副档名为 .unv），由於读入的资料仅需四个顶点 的座标以及其关连性，因此即使是其他格式的网格档 ，只要符合这个格式，就可以读取。 • 如果要输入此类格式之网格档，必须以 notepad 编辑 Prepin 档。 FIDEAS(L)=‘filename’. 预设档案名称为 “cadfnn.inp” ，nn 为数字. • 转入之图档同样可以在 FLOW-3D 内进行平移/旋转/缩 放等设定。
Component Type 物件类别
Solid
Hole
Complement
2.2、网格建立
• 网格基本设定 – Uniform Meshes – Non-Uniform Meshes • 网格建立重点 • Multi-Block Meshes • 操作：建立网格
网格基本设定
• Uniform Meshes
• 在网格切割完成之後，可以用 FAVOR 检视在现有网 格数量设定下，是否能够完整的描述模型的外型。
• 选择 Open
网格切割注意事项
• • • • 网格切割的层数仅需描述几何外型，不需要生成三层以上的网格（单层 即可）。 建议采用均一尺寸的网格。 以 FAVOR 工具检视网格图档是否能完整描述原始图档。 多网格区块设定可以在网格数量限制下更完整的描述图档。但是网格区 块不宜过多。充填分析建议不需要超过三个（固化分析建议采用一个） 。 一般而言，网格区块最多不宜超过五个。 如果采用多个网格区块，不要在流动复杂的位置做切割（尽可能在流动 单纯的位置进行切割）。 不同网格区块的网格尺寸大小可以不同，但是尽量不要超过两倍。 如果要用多网格区块进行网格建立，尽可能采用 Linked Blocks。