流体分析专家

      流动科学公司Flow Science Inc.（www.flow3d.com）是世界上著名流体动力学和铸造仿真分析软件FLOW-3D的开发商和供应服务商。流动科学公司总部设在美国新墨西哥州圣拿非市（Santa Fe）。

      1963年，在位于新墨西哥洲的洛斯阿拉莫斯的科学实验室里，C.W. Hirt博士开创了几个深具意义的流体动力学方法，如稳定性的提高和独有的自由表面跟踪技术（VOF）。1980年，C.W. Hirt博士创办了流动科学公司，同时开发了新一代高真度的流体动力学模型，应用于工业和科学领域。1985年，正式推出了简单易用、功能强大的三维流体动力学和铸造仿真分析软件 FLOW-3D 。该程序的设计从开始到应用于不同科学和工程领域的过程中，一直把重点放在使用方便，更具通用性、适用性。由于其精确而稳定的特性，20多年来，FLOW-3D已受到如美国火箭实验室、海軍、英国水利署、利物普大学、通用汽车等等許多重要研究单位与国际大厂的肯定。

      FLOW-3D从1985年正式推出后，在CFD（计算流体动力学）和传热学领域得到的广泛的应用。对实际工程问题的精确模拟与计算结果的准确都受到用户的高度赞许。其独特的 FAVOR^TM技术和针对自由液面（Free surface）的 VOF 方法为常见的金属压铸与水力学等复杂问题提供了更高精度、更高效率的解答。不仅如此， FLOW-3D本身完整的理论基础与数值结构，也能满足不同领域用户的需要，如小到柯达公司最高级相片打印机的喷墨头计算，大到NASA超音速喷嘴与美国海军舰艇输油系统的设计，近年来更针对生物医学科技中的电泳进行新模型的开发及验证。

      FLOW-3D程序为满足不同用户的特殊需求，也开放了附加程序编写的功能，并配有FORTRAN的核心可直接编译，完成后即可直接加入程序中使用，使得软件的灵活度更高、更加专业化。同时为了促使用户间的交流，正版 FLOW-3D亦附有USER NUMBER，通过该编号用户可进入技术网站中，参阅內部技术文件与前人之算例，并直接提出问题，将会有总公司FLOW SCIENCE工程师立刻为您作出全面的答复，当然也有可能遇到Dr. C.W. Hirt大师。另外每年十月份总公司会召开国际的FLOW-3D USER's Conference 更是不容错过，在议程中将会见到 FLO W-3D在不同领域研究上突出的表現与新的应用的讨论。

      FLOW-3D首创自由流体表面跟踪VOF完整算法,可准确计算动态自由液面的交界聚合与飞溅流动,尤其适合高速流动状态计算模拟。软件采用FAVOR改良型有限差分模型,整个计算过程简单、稳定、准确且非均匀化、多块分区网格划分,减少网格数目。网格与几何现状自动耦合, 精确、稳定、快速 。软件提供紊流模型，模拟紊流状态下的充填过程，包括压力、温度、速度等动态分布 并且其独特的表面缺陷跟踪模型，能准确模拟压铸过程氧化层缺陷的分布 , 根据需要，还可模拟型腔内背压、排气、触变粘度，以及热应力、表面张力、偏析等. 多种精确的模拟结果，形象、直观的FLOW-VU三维显示，方便的动画制作 ,提高一次试模合格率，节省了时间 。

      二十多年来,美国的Flow Science公司为全球的公司,政府和学术单位提供了一个非常专业的模拟软件FLOW-3D作为一个高度可靠且准确性的模拟工具,可协助工程师们解决铸造工业中的各种金属流动问题. FLOW-3D拥有模拟物理流动现象的能力,而传统的实验很难模拟这些物理流动现象 ,更无法测得相关的数据.因此有效地应用它可以真正达到省钱和省时的目的.

      FLOW-3DV9.2新版本保留了旧版本所有功能的基础上,又增加了新的物理模型,如具有六个自由度的运动物体、空气夹带、温度应力和变形、微观缩松。 同时也改善了原有的算法和增加了新的算法。

 FLOW-3D软件模块及功能

      FLOW-3D在计算流体动力学（CFD）和传热学领域得到的广泛的应用。对实际工程问题的精确模拟与计算结果的准确都受到用户的高度赞许。其独特的 FAVOR技术和针对自由液面（Free surface）的 VOF 方法为常見的金属铸造与水力学等复杂问题提供了更高精度、更高效率的解答。FLOW-3D软件的功能模块主要分为前后处理和求解器两个部分，可以概括如下：

• 前后处理器: FLOW-3D Pre/Post

      FLOW-3D软件的前后处理平台。以图形化界面的形式，完成几何建模、特性定义、载荷和约束处理、网格划分、作业提交和监控以及后处理仿真等操作。支持各种CAD模型的导入，以及各种格式结果文件和图表的输出。

      FLOW-3D Pre/Post的模型建立方法非常简单，可以籍由内建的基本功能建立简单实体模型或者是直接读取CAD软件产生的复杂计和模型。网格区块可和几何实体模型重叠显示，因此可以快速、精确地调控网格密度。这些区块可以自由地缩放和切割。具有树状结构的组件表便于几何模型及网格区块的编辑及检查。前处理器内建的逻辑功能可以在实际执行计算之前，指出不一致性及物理模型结构上的错误。预览模型设定，可以在开始计算前对模型设定加以检查。

      在FLOW-3D Pre/Post前后处理器里可以随时监控模拟状态。以图表显示收敛界限，时间间隔大小，迭代次数。动能值等与计算相关的数据。

      FLOW-3D Pre/Post前后处理器的可视化结果输出方便地使用输出计算分析报告和分析产生的图形和动画。

FLOW-3D 前后处理界面

FLOW-3D 前后处理边界条件和材料库

• 求解器

     1、数值计算能力

     (1) 先进的自由表面跟踪（ VOF ）技术

     自由表面的跟踪，可由 TRU-VOF 来计算。这种方法能够精确地算出金属液滴的结合与分开，这使得FLOW-3D 有强大而且可靠的能力来模拟金属液充填型腔的流动过程。

     (2) 独特的 FAVOR 技术

     FAVOR 是一项特殊的网格技术。应用简单而且规则的长方形网格，定义出复杂的模具和型腔外形，让网格分析变得快速简便，并有效地降低计算机在计算上的 消耗；并且在计算流场和温度场耦合时保持极高的准确性。

     (3) 多重网格区块（ MULTI-BLOCK) 技术

     针对复杂的外形，多重网格区块是功能强大的网格分析技术；可应用不同大小网格区块的连结（linking) 或植入（nesting)，使得同一区域，具有不同的网格解析度。

     2. 通用物件移动

     GMO模型可以模拟固体的特定运动以及与流体的动态耦合运动。两者组合功能可以用来描述固体随着流体产生的各种运动。

     3. 热传导

     FLOW-3D 能够进行固体与液体的热分析，包括热传导、自然对流和强制对流。热量可以用能量或温度的方式在边界条件上指定，或者是根据传热系数计算而得。

     4. 多相流

     液/气界面的追踪计算是非常困难的。而FLOW-3D的自由液面追踪技术结合了模拟蒸发及凝结的能力，对于复杂的多相流问题而言是理想的分析工具。

     5. 气体动力学

     可以用绝热或者包含热效应的方式来模拟气泡的运动行为，并且可跟相变化模型耦合模拟

     6. 紊流和非牛顿流体

     具有五种不同的紊流模型。而流体可以定义为应变相关或者应变/温度相关的非牛顿粘性流体。

     7. 微机电

     对于一混合介电材料：固体，流体和质量粒子的区域，可以计算其静电场（电位能）。热电效应及电渗都可以考虑进来。

     8. 表面张力

     可以应用于微小尺寸的表面张力及璧面附着力。

     9. 密度计算

     基于密度变化和液滴大小，不同密度的流体可以混合或者分离。

     10. 水利冲击

     FLOW-3D的水利冲击模型能计算水利结构被冲蚀以及沉积漂流现象。

     11. 多孔介质

     由于FAVOR 技术的应用，FLOW-3D基可以模拟多孔材料。有许多阻力种类可以应用。不饱和流体流动也可以模拟。

FLOW-3D软件及其在铸造领域的应用

• 压铸成型    Die Casting
• 消失成型    Lost Form
• 砂模成型    Sand Core
• 半固态成型   Semi-Solid
• 连续铸造    Continuous Casting
• 精密铸造    Precision Casting
• 傾斜铸造    Tilt-Pour Filling
• 离心铸造  Centrifugal Casting

• 铁Iron
• 钢 Steel
• 铝合金 Aluminum
• 镁合金 Magnesium
• 铜合金 Copper/Bronze

• FLOW-3D软件在铸造领域的应用

• 合金溶液充填不良：模穴尚未完全填满，但是溶液已经固化。
• 冷接纹：溶液前缘的温度过低，在金属相接时形成痕迹。
• 裂痕：因为热应力分布不均，使得铸件在局部区域发生裂痕。
• 缩孔：铸件在固化过程中因为金属溶液的固化，在铸件上（表面或者是内部）产生局部凹陷或空孔。
• 气泡：铸件在成形过程中，因为溶液内卷气量过高，使得铸件局部区域内发生气泡集中的现象。
• 铸件缺陷会造成下列问题：
• 铸造属于大量量产方式。在量产过程中一旦发生问题，在短时间内可能会发生大量不良品。
• 压铸模具虽然可以修改，但是不能无限制的进行修改。另外，模具修改需要额外的金钱及时间成本，会造成产品的开发成本上升。
• 金属的冷却速度快，大型压铸件或者是薄壁铸件特别容易发生外观上的缺陷。
• 铸件内的气孔聚集状态在铸件成形，进行热处理的时候，会因为气体膨胀而造成铸件表面鼓出而造成不良。

1. 压铸应用

     德国Laichingen的Werkzeugbau Schaufler压铸模具制造商为解决镁压铸的缺陷问题，采用计算流体动力学（CFD）软件，在计算机上进行多种的压铸仿真，从中挑选最好的模具设计方案。计算机仿真可以迅速且精确地计算设计方案，提供压铸模具型腔内部特定条件下的详细资料。采用这种方法，Werkzeugbau Schaufler近年成功生产五十多种高质量的薄壁镁铸件。

     Schaufler专门从事铝和镁压铸件的模具制造，其设备占地超过五万平方英尺；可提供重达35吨的传动及离合器机架、机体结构件和进气歧管的模具。该公司最近成立技术中心，以满足客户缩短开发时间的要求，并减少用砂型铸造模型，改为用压铸件原型。其Lajchingen压铸中心（DCL）的特色，在于拥有一组以2700吨锁模力压铸机为基础的自动压铸单元 — Buhler SC 270N，当中还包括铝及镁合金熔炉、半固态压铸（SSM）金属块加热站、ABB喷涂料和取件机器人、冷却池及加工中心。

      在过去数年，Schaufler和其它压铸模具制造商因应汽车生产商的要求，制造薄壁压铸件的模具，从而降低汽车重量。其中令人最感兴趣的是结合减轻重量及改善性能两项优点的薄壁镁合金进气歧管。但是，铸造这些零件并不容易，镁的比热容较小，比铝还要小，换言之镁冷却速度非常快，令充型过程存在过早凝固的危险，尤其是目前流行的1.8至2 mm壁厚压铸件而言，这问题显得更具挑战性。

     为避免过早凝固的问题，从前工程师采用高速充填，速度经常达到内浇口60m/s和薄壁区域100m/s以上。不幸的是，高的流动速度会引起卷气和漩涡，产生困气，导致出现气孔和氧化夹杂的情形。在一般情况下，这些问题可通过改变壁厚或在铸件适当的地方增加流动信道来克服。然而，所谓适当的改变并不可以轻易判断出来。过去，只有试模这种办法来评估模具设计师设计新模或改模的效果；并且生产部份零件，透过X光确定零件是否存在不能通过汽车商OEM质量标准的内部缺陷。

      

                 固化率分布                                   开模后的模具温度分布

FLOW-3D软件在水利环境工程的应用

航空航天领域

航空航天方面，宇宙飞船和航天飞机燃料传送系统成功设计的关键在于燃料运动的控制， FLOW-3D的自由表面处理能力与特殊的物理模型（表面张力、非惯性系、刚体动力系统）耦合在一起，使 FLOW-3D成为航空航天工程师必不可少的设计工具。

镀膜领域

在镀膜方面 ，传统上在研究镀膜过程中，由于流体小尺寸的运动及与墙壁表面的附着力和表面张力的交互效应影响，必须通过许多复杂且昂贵的实验才能得到较佳的生产参数。但现在可以借助FLOW-3D 提供了的模拟技术已能大幅缩减实验的次数与成本，提供适合的方法来分析这些影响。

微机电领域

在微机电系统方面 ，微机电系统技术象集成电路工业一样正在迅猛地发展，这种技术将机械、流体、电控及光学设计集成在0.1微米到1毫米的设备上。然而在许多MEMS元件的开发过程中，仍需动用許多工程师与科学家在设计、试做、测试与改善上。因此需要耗费高额的时间与成本。但現在数值模拟软件的帮助下，可以在极短时程内即可获得关于电讯、力学、化学、热学及流体力学的重要设计参数，而 FLOW-3D 提供了正是首当其选，能为您的设计节省下大幅度的预算成本。

还可以涉及的领域有涂层工艺仿真、微流道应用、喷墨仿真等流动领域。