Реферат: Моделирование FLOW-3D

Примеры покрытий.

Оптимизация процессов покрытия может быть сложной из-за малого масштаба движения жидкости и влияния таких эффектов, как адгезия и поверхностное натяжение. Компьютерное моделирование предоставляет удобный способ анализа этих процессов без необходимости прибегать к дорогостоящим лабораторным исследованиям.

· Линия контакта на неровной поверхности

· Покрытие завесой

· Покрытие погружением

· Впитывание капли

· Подтеки на жидком слое

· Mногослойное покрытие скольжением

· Решение проблемы подвижной линии контакта

· Образование разрывов

· Покрытие скольжением

· Щелевое покрытие

· Старт щелевого покрытия

· Двухслойное щелевое покрытие

· Скатывание воды с утки

Контактная линия на неровной поверхности:

L.M. Hocking в своей работе [”A moving fluid interface on a rough surface”, J. Fluid Mech., 76, 801, (1976)] предположил, что контактная линия может перемещаться по твердой поверхности, потому что микроскопические неровности индуцируют такую структуру потока, которая с макроскопической точки зрения может быть интерпретирована как "скорость скольжения". Компьютерное исследование данной гипотезы легко выполнимо с помощью FLOW-3D. Выбранный тест включает двухмерную твердую поверхность с системой поперечных регулярно размещенных прямоугольных прорезей. Прорези имеют глубину 2mm и ширину 10mm, размещены с шагом 10mm. Данные размеры типичны для царапин на относительно гладкой поверхности. Статический контактный угол назначен равным 60°. Рабочая жидкость - вода. Тест заключается в размещении этой неровной поверхности на дне канала высотой 15mm и движении воды по каналу со средней скоростью 30cm/s.

На приведенной картинке ясно видно, что контактная линия на шероховатой границе цепляется за ребро прорези и остается там до тех пор, пока динамический контактный угол не превысит 60+90=150°, не опускаясь до этого момента внутрь прорези. Но по достижении данного значения сила адгезии к стенке тянущая жидкость вниз по боковой стенке прорези становится больше поверхностного Утверждение Hocking, что микроскопические помехи могут быть интепретированы как разновидность скорости скольжения с макроскопической точки зрения подтвержается расчетным полем скоростей. Это показано на графике, описывающем распределение горизонтальной скорости в слое элементов непосредственно над поверхностью. При измельчении сетки скорости над участками поверхности стремится к нулю, но над прорезями остается отличной от нуля. Осреднение этой скорости по множеству пазов дает ненулевую горизонтальную скорость, которая может быть интерпретирована как действительное скольжение.

Изменение тангенциальной скорости вдоль твердой поверхности натяжения, тянущего жидкость вверх, и контактная линия быстро пересекает прорезь.

С утки вода:

Считается, что утка имеет совершенное средство, отталкивающее воду. Классическая работа, выполненная A.B.D. Cassie и S. Baxter (Trans. Faraday Soc. 40, 1546, 1944), объясняет что утка достигает этого особой микроструктурой оперения, а не каким-либо химическим покрытием. Перо утки состоит из бородок по обе стороны от ствола. Вдоль бородок с обеих сторон тянутся тонкие волоски, которые имеют желобки с одной стороны и крючки с другой. Такое расположение позволяет зацепление волосков соседних бородок, чтобы соединить их для образования связной структуры.
Структура бородок и волосков имеет обширную долю открытого пространства. Диаметр волосков составляет около 8μм, но расстояние меду соседними параллельными волосками равно примерно 5 диаметрам, по осям. Эксперименты показывают, что угол смачивания материала пера водой составляет около 100°. Комбинация несмачивания и регулярной микроструктуры приводит к скатыванию воды, помещенной на перо, без проникновения в него. Моделирование в FLOW-3D объясняет, как это происходит.

На рисунке представлено поперечное сечение набора параллельных волосков диаметром 8μм. Расстояние между ними равно 40 μм. Вода течет со средней скоростью 30см/s. Верхняя граница есть плоскость симметрии. По мере продвижения фронта жидкости слева направо на опверхности волосков образуются контактные линии. Эти контактные линии остаются выше экваторов волосков. Вода не проникает в пространство между волосками, но скользит по верхним поверхностям. Поскольку смоченная поверхность твердых волосков мала по сравнению со свободной поверхностью воды, то вода легко движется поверх волосков, что объясняет выражение “как с гуся вода”

Потребительские товары.

Течение со свободной поверхностью часто встречается в конструкциях потребительских товаров и при их изготовлении. Например, ежедневно заполняется масса бутылок. Правильное с точки зрения отходов проектирование такого процесса принесет огромную экономию.

Возможности FLOW-3D по моделированию течений со свободной поверхностью позволяет легко и быстро оптимизировать процессы заполнения. Программа может быть также использована при проектировании форсунок и многих других предметов домашнего быта.

· Капиллярное всасывание

· Капля на наклонной поверхности

· Поглощение капли

· Упругие напряжения

· Масляный фильтр

· Разделение нефте-водяной дисперсии

· Вихревая форсунка

· Смыв унитаза

· Ненасыщенная пористая среда

Моделирование слива унитаза:

Когда-нибудь задумывались, как работают унитазы? Они действительно бывают достаточно сложные. При нажатии ручки вода начинает заполнять чашу. Когда уровень жидкости в чаше превысит высоту сифона (за чашей), начинается течение типа водослива. Когда поток станет достаточно сильным, в верхней части сифона образуется пузырь, создающий перелив. В это момент сифонирование выталкивает воду из чаши и происходит смывание.

2-D вид по сечению модели. Цвет представляет давление.

3-D вид по сечению модели. Цвет представляет давление.

Струйные принтеры.

Несмотря на продолжающееся движение к "безбумажному" миру, рынок по-прежнему жаждет простых, дешевых струйных принтеров, с все большими запросами на высокое качество печати. Взрыв продаж цифровых фотоаппаратов сопровождается тем, что все больше и больше портебителей жотят иметь дома возможность высококачественной печати. Этим подгоняется спрос на более качественную печать с более высоким разрешением, который в свою очередь побуждает производителей принтеров к созданию лучших путей удовлетворения пользовательских требований посредством необычных конструктивных решений.

Производители струйных принтеров во всем мире используют FLOW-3D для улучшения характеристик своих принтеров. Они используют FLOW-3D для изучения того, как форма, размер и скорость испускаемой капли зависит от таких параметров, как импульс управляющего давления, форма форсунки, коэффициент поверхностного натяжения и многое другое.

· Пузырьковые струи

· Непрерывная струя

· Впитывание капли

· Струи, управляемые давлением

· Струи, управляемые поршнем

· Струи, индуцированные звуком

Судостроение.

Контроль плескания жидкости в танках судов может оказать критичным для безопасности управляющих ими людей. Уже много лет FLOW-3D используется для проектирования систем перегородок с целью уменьшения плескания жидкого груза. Программа также использовалась при прототипировании мультикорпусных танкеров и для расчетов старта и торможения.

Сотрудник Flow Science произвел моделирование подвесного мотора лодки с использованием модели FLOW-3D

Это судно, движущееся со скоростью 50 миль/час, создает сильную кильватерную волну. Моделирование точно предсказывает характер линии установившейся волны и форму хвостового гребня за судном. Также могут быть рассчитаны и силы, действующие на судно. Цветом на рисунке представлена относительная скорости воды.

MEMS.

Микроэлектромеханические системы (MEMS) - это быстро развивающаяся технология производства миниатюрных устройств, использующя технологические процессы подобные тем, которые используются в производстве интегральных схем. MEMS технологии дают способ интеграции механических, жидкостных, оптических и электронных функциональных возможностей в очень маленьких устройствах размером от 0,1 микрона до 1 мм. MEMS устройства имеют два важных преимущества над обычными аналогами. Во-первых, как и интегральные схемы, они могут выпускаться крупными сериями, что существенно снижает себестоимость продукции. Во-вторых, они могут быть напрямую включены в интегральные схемы, что позволяет создавать более сложные, по сранению с другими технологиями, системы.

Однако, как и в любом другом производстве, процесс проектирования MEMS может быть достаточно дорогим, т.к. ученые и инженеры многократно проектируют, изготавливают, испытывают и заново перепроектируют устройство для оптимизауции его характеристик. Компьютеное моделирование обеспечивает количественный анализ и важное понимание по таким дисциплинам, как электроника, механика, химия, теплоперенос и гидромеханика. Использование FLOW-3D для моделирования позволяет существенно снизить затраты на проектирование и производство.Ниже приведены примеры областей, в которых пользователи FLOW-3D добились большого прогресса:

· Капиллярное всасывание

· Капиллярное заполнение микроканалов

· Диэлектрофорез

· Электроосмос

· Оптический переключатель

· Термокапиллярный переключатель