Cette simulation est inspirée de la vidéo « 90ft Vertical Spike Wave in Slow Mo » réalisée par The Slow Mo Guys, et qui montre les résultats d’une expérience menée par l’Etablissement de recherche en énergie océanique FloWave. Nous utilisons des parties de leur vidéo afin de les comparer avec notre propre simulation. https://www.youtube.com/watch?v=iWKFPTgkpXo&t=105s La Vague Verticale en forme de Pic La Vague Verticale en forme de Pic fait suite au mouvement d’une vague concentrique vers son centre. En fonction de sa vitesse, la vague peut entrer en collision au milieu et former un pic d’eau. Cette vague peut être générée dans une piscine circulaire équipée de panneaux mobiles sur l’intégralité de son contour qui poussent l’eau en un mouvement coordonné vers le centre. Les panneaux doivent être activés en simultané en un même mouvement afin de pouvoir déplacer l’eau en un seul mouvement et la faire entrer en collision à la même vitesse et avec la même énergie. Si la vitesse est suffisamment haute, l’eau va s’élever au milieu de la piscine [Figure 1] et retomber en éclaboussant. Figure 1 - Vague verticale en forme de pic Paramétrage du modèle sur FLOW-3D® Le logiciel FLOW-3D a été utilisé pour paramétrer la simulation de la vague verticale en forme de pic, puis le résultat a été post-traité avec le logiciel FlowSight. Afin de pouvoir modéliser facilement la vague circulaire, la mesh a été définie selon des coordonnées cylindriques. Cela nous a permis notamment de ne simuler qu’une partie de la piscine [Figure 2], puis de la dupliquer lors du poste-traitement sur Flow Sight afin de donner l’impression que la piscine avait été simulée en entier. Figure 2 - Setup FLOW-3D La plupart des mesures étaient données dans la vidéo des Slow Mo Guys, donc il a été possible de faire la simulation correctement à l’échelle. La piscine fait environ 50m de long, et est équipée de 168 panneaux. Nous avons estimé qu’il fallait 4s aux panneaux pour faire un aller-retour avec un angle de 17.2°. Pour configurer la simulation, nous avons créé la piscine directement sur FLOW-3D en utilisant les géométries de base proposées par le logiciel, puis nous avons importé le panneau sous forme de fichier STL. Le panneau a été défini comme un objet mouvant [Figure 3], auquel il a été appliqué un mouvement défini à l’avance. L’eau est immobile à l’origine, et un mouvement des panneaux est suffisant pour générer la vague. Figure 3 - Panneaux poussant l'eau Résultats Le mouvement et l’énergie globaux du système correspondent à la réalité de manière assez précise. On peut apercevoir des différences au niveau de l’extrémité du pic : cependant l’effet est négligeable dans le cadre de notre comparaison, et serait facilement pris en compte dans une simulation complète en 3D avec un modèle physique à deux fluides. Figure 4 - L'expérience et la simulation côte à côte … [Read more...]
Augmentation de la Capacité de Déversement avec le Déversoir en Clef de Piano
Caractéristiques du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir – ou Déversoir en Clef de Piano – est un modèle particulier d'évacuateur en labyrinthe. Il est composé d’une alternance de surfaces inclinées, l’une dans le sens d’écoulement de l’eau, l’autre dans le sens opposé à l’écoulement. Chacune de ces pentes est séparée par un mur vertical suivant la géométrie. Vu d’en haut, il s’agit d’un rectangle découpé en sections de taille égales dans le sens de la largeur. Pour chacune des sections, l’un des côtés perpendiculaires au courant est abaissé, créant une pente sur laquelle l’eau peut couler ou s’accumuler, en fonction du côté sur lequel est abaissé la section. Cette structure surmonte une sorte de muret de hauteur variable. Le Piano Key Weir est généralement utilisé en sortie de barrage, l’idée étant de disposer d’une construction qui soit suffisamment solide pour résister à la pression créée par une quantité élevée d’eau dans un réservoir ou une rivière en période de crue, qui permette d’évacuer le trop-plein d’eau, et qui soit suffisamment simple pour ne pas être trop couteuse. Utilité du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir est donc un déversoir à écoulement libre. Du fait de sa géométrie, il est possible de faire augmenter sa capacité d’évacuation de manière significative. Les études menés sur ce type de déversoir ont deux objectifs : construire des déversoirs solides et peu couteux pour la suite, mais aussi renforcer les structures plus anciennes, ce qui permet notamment d’éviter les accidents. En effet, en les plaçant en aval de barrage et en amont des villes, ils permettent de contrôler le débit d’eau, et donc d’éviter les inondations. Le Piano Key Weir rend possible la décharge importante et contrôlée d’une quantité soudaine et très élevée d’eau. Ce type de déversoir présente plusieurs qualités primordiales. Tout d’abord, il est facilement installable sur des constructions déjà existantes, contrairement aux déversoirs en labyrinthe classiques. De plus, sa forme alternant les pentes montantes et descendantes permet de créer deux flux différents selon que l’eau arrive sur l’une ou l’autres des pentes. Lorsque l’eau passe dévale la pente descendante, elle coule sous forme de jet vers le bas du barrage, et lorsqu’elle est d’abord contenue par la pente ascendante, elle s’écoule sous forme de film avant de rejoindre le jet un peu plus bas. Cette division des flux permet de ralentir considérablement le débit d’eau, de manière beaucoup plus efficace qu’un barrage droit traditionnel pourrait le faire. Résultats de la simulation Afin d’observer les effets du Déversoir en Clef de Piano, nous avons effectué une simulation numérique avec le logiciel FLOW-3D® en en plaçant un dans un cours d’eau. Nous sommes restés sur un model setup classique, étant donné qu’il a été montré que c’était celui qui permettait d’obtenir les résultats les plus proches de la réalité. On observe bien l’écoulement caractéristique de l’eau sur les “touches” du piano, et la diminution du débit après le passage sur le déversoir. On observe une différence de seulement 2% à 4% entre les résultats expérimentaux et la simulation avec FLOW-3D en moyenne. Seule la résolution de la mesh est un facteur déterminant en ce qui concerne l’exactitude de la simulation, mais celle-ci n’a qu’une influence de 3-4% maximum, ce qui signifie que dans tous les cas les résultats ne montent, au plus, qu’à 6% d’erreur. … [Read more...]
Sleeve filling and slow shot phase analysis with FLOW-3D Cast
High pressure Die Casting is a complex field of foundry. The liquid hot metal is generally poured into a shot sleeve for few seconds, until the desired volume is reached. Then, after a short waiting time, the plunger pushes the metal into the die cavity. First a slow shot phase is performed to avoid air entrainment in the sleeve, then a final high speed phase that fill the casting part in a very short amount of time. One of the targets of any producer is to find the best compromise between a fast process, to increase the productivity and to reduce the heat losses, and a slow filing and shot necessary to minimize the air entrainment. FLOW-3D Cast, due to its capabilities, is one of the best software to analyse this process. It can combine easily moving objects, mass sources, heat transfer and solidification, everything in fast and accurate simulations. Several studies were already done to determine the best plunger velocity curve, also coupling FLOW-3D Cast to numerical optimization software. The aim of the present simulation, instead, is to focus on the sleeve filling, underlining the possibility to control also this phase and the defects that could arise from a not-optimal solution. https://www.youtube.com/watch?v=cGQUmH8EHZ0 In the video both fluid and walls are coloured by temperature, with two different colour scales. The heat transfer coefficients have been artificially increased to emphasize the temperature change. Thanks to this fact, it is possible to notice that some drops of metal flow on the beginning of the runner system, solidifying and influencing the casting phase until they are melted again. It is possible also to notice the big waves generated when the filling is finished, and how this waves contribute to entrain some big air bubbles that are pushed into the casting part, generating defects. … [Read more...]
Investigation of Mould Leakages in a Gravity Casting
This article was contributed by Gabriele Taricco of CM Taricco and Stefano Mascetti of XC Engineering. Mould design is a very complex undertaking that must consider not only fluid dynamics and metal solidification patterns, but problems that may arise from the mould itself and how it reacts to stresses from heat transfer. CM Taricco, a mould maker company based in Italy, recently encountered a problem of metal leakages at the bottom of one of their new moulds. The cause of the mould leakages was initially obscure and only appeared after a few process cycles. It was evident that the problem was critical, since it would compromise the production timeline and dramatically increase the costs to cast the part. Investigation of an idea The process itself was a gravity casting, with well-controlled pouring dynamics and overflow designs, so the problem could not come from the fluid dynamics part. The hypothesis of Gabriele Taricco (owner of CM Taricco) was that the metal leakages were resulting from a bad design of the thermal dissipation of the mould, causing a non-uniform distribution of temperature and hence large and unwanted deformations at the bottom of the mould, that were enforced cycle after cycle up to the opening of a critical area where metal could flows out. To verify this and to find a quick solution to the problem, a FLOW-3D simulation was run to exactly visualize what was happening to the mould as it was being heated. The analysis After a filling simulation, to ensure a good filling pattern, the focus of the simulation was redirected to a thermal die cycling analysis. The setup in this case is fast and straightforward requiring only 1 hour to reproduce 10 production cycles on a common desktop machine (i7 5930K, commercial value 1500 dollars). The result confirmed CM’s initial hypothesis: by looking at the temperature field, from various points of view and cross sections in a single image using FlowSight, it was clear that the temperature distribution of the mould would easily cause the expected deformations and metal leakages. Simulation of the mould’s temperature during the die cyclings Further analysis with the Fluid-Structure Interaction module Once the problem was identified and the technical staff could start designing an improved mould, CM Taricco wanted to have a final confirmation running a FEM analysis of stresses and deformations on the die. To perform this analysis, XC Engineering Srl helped CM in setting up and performing the calculation. The result of the analysis showed exactly what CM thought was happening: FLOW-3D was able to reproduce with extreme accuracy the same location and size of the real deformations found on the mould after few pouring cycles. This was good news for CM, and enforces an additional recommendation to use the FSI module at the design stage to predict the real die deformations based on the real casting conditions. Deformation of the mould during the die cyclings, simulated using the Fluid Structure Interaction model. Deformations are amplified x20. Read more... … [Read more...]
Improving High Pressure Die Casting Designs
The content for this article was contributed by Mark Littler of Littler Diecast Corporation. Littler Diecast Corporation, a producer of high pressure die castings, was recently able to redesign and die cast an electrical switch frame for an aerospace application. Formerly produced by a different manufacturer, there were defect problems in a high number of the castings and a new design was needed to achieve a lower scrap rate. Littler Diecast was able to demonstrate that they could pinpoint the defects through simulation without previous knowledge of the problems. This impressed the client enough to land them the job. Identifying the Problem The switch is cast from A380 aluminum and is approximately 1 ¼” x 1” x 1/2” in size. Littler Diecast found that porosity problems were plaguing the part in two locations: the plate and the chimney. This was confirmed by the customer. Holes were forming in each of the locations because of the way the part filled. The flow would enter through a single gate as shown in Figure 1, jet to the far side of the plate and then backfill, trapping air pockets that do not always close due to early solidification. The same problem was found in the chimney: fluid would jet to its furthest extent and then backfill, creating trapped air that could not vent through the parting line. X-ray of original part, showing porosity problemsFigure 1: Original design with a single gate. Plot colored by velocity magnitude.Figure 2: Final design with three gates. Plot colored by velocity magnitude. The Original Part Design There were other problems with the original design of the part. There was a lot of die erosion around the slot for the lock washer and the sealing surfaces on the bottom of the plate. The overflows located at the corners of the part were not large enough to allow defects to flow out. Using FLOW-3D, Littler Diecast was able to analyze the flow behavior and visually determine what was occurring. With such a small part, early solidification is a problem due to the rapid cooling in thin sections. If flow jets across the part and back, the fluid has more time to cool and create entrapped air. It is best to have the hottest liquid coming in last. With this in mind, Littler Diecast was able to test a number of ideas and achieved a design that minimized the potential for problems and maximized the process window. Read more... … [Read more...]
