Presentación de FLOW-3D en su aplicación a la simulación de procesos de fundición metálica. Permite simular tanto el llenado como la solidificación, defectología y optimización del proceso.
2. Indice de contenidos
• Presentación de Flow Science Inc y Simulaciones y Proyectos SL
• ¿Qué es FLOW-3D ®?. Ventajas competitivas
• Principios generales de funcionamiento de FLOW-3D ®
– Fundamentos
– El mallado en FLOW-3D ®
– La superficie libre en FLOW-3D ®
• Capacidades de modelado generales. Modelos físicos.
• Capacidades de modelado específicas para Fundición
• Listado de usuarios de FLOW-3D ® en el sector de la fundición.
3. Simulaciones y Proyectos, SL.
Empresa distribuidora del software
Distribución y Soporte Técnico en España y Portugal de los
productos de Flow Science Inc desde el año 2006.
Más de 10 años de experiencia en simulaciones de fluidos-
térmicas en general y para fundición.
Ventajas competitivas
• Cercanía con el Cliente – Modelo Colaborativo.
• Soporte técnico rápido y eficaz, directo.
• Partner tecnológico.
• Económico
4. Flow Science.
Empresa desarrolladora del software
• Fundada en 1980, por Dr. Tony Hirt que
desarrolló el método Volume of Fluid (VOF)
para cálculo de superficie libre en el
Laboratorio Nacional de Los Alamos
• La primera licencia commercial de FLOW-3D
se lanzo en 1985
• Desarrolla y comercializa FLOW-3D, un
software que calcula de forma precisa
multitud de flujos en condiciones físicas
diversas.
• Provee también servicios de ingeniería en el
campo del CFD.
• Ofrece HPC (High Performance Computing)
para aplicaciones de clientes.
Vista de Los Alamos National Labs
Headquarters en Santa Fe, NM, USA
5. Flow Science.
Empresa desarrolladora del software
USA*
Australia
Canada
China
Finland
Germany
Greece
India
Italy
Japan
Korea
Malaysia
Norway
Poland
Russia
Singapore
Spain
Taiwan
Thailand
Turkey
* Oficinas de Flow Science
6. GENERAL
• FLOW-3D ® es un software CFD de propósito general válido para
cualquier tipo de fluido y regimen.
• Lider mundial en simulación de fluidos en Superficie Libre
• FLOW-3D ® incluye en su interfaz GUI todas las opciones necesarias
para simular Procesos de Fundición de forma completa.
¿Que es FLOW-3D ®? -Ventajas
VENTAJAS COMPETITIVAS
• Se comercializa sin módulos adicionales. “Todo incluido”
• Funcionamiento en red como standard. Con 1 licencia del solver se
tienen 999 licencias de pre y post procesador.
• Mientras corre el solver pueden verse resultados, preparar nuevos
modelos o visualizar resultados existentes.
• Versión SMP (Shared Memory Processing)
• Facilmente customizable por el usuario a través de rutinas FORTRAN.
7. • Método de Diferencias Finitas- Staggered Finite Difference Method
• Los escalares se registran en el centro de cada celda.
• Los vectores se registran en las caras de las celdas.
• Numericamente muy estable y fácil de implementar
¿Como representar una geometría compleja en una malla de elementos
paralelepipédicos.?
x
y
z
Centro de celda:
• Presiones
• Temperaturas
• Escalares
• Fuerzas
Caras de celda
• Velocidades
• Esfuerzos
Principios generales de funcionamiento
Fundamentos
8. El mallado en un único bloque no es eficiente en estos casos
Principios generales de funcionamiento
Mallas estructuradas con bloques simples
9. Los bloques enlazados mallan
unicamente las zonas de interés
Los bloques anidados mejoran la
resolución del problema en zonas
específicas.
Principios generales de
funcionamiento Mallas estructuradas con
bloques Múltiples
10. • Que es Superficie Libre?
– Existe interfase Liquido/Gas.
– Donde los gradientes de presión
en un gas son pequeños.
– Donde el ratio de densidad entre fluidos es
grande.
• Si no se reproduce fielmente la
superficie libre en el software de
fundición, el resto de resultados
PUEDEN NO SER FIABLES.
Principios generales de funcionamiento
La superficie libre
11. F = Fracción de Fluido
• F = 0 (Aire)
• F = 1 (Líquido)
• F = 0 a 1 (Zona de superficie
libre)
El método requiere además una
variable para identificar la
superficie libre
Principios generales de funcionamiento
La superficie libre – Metodo VOF
El método es:
• Costoso computacionalmente porque ha de calcular la
dinámica de lo fluidos en el Aire y en el Líquido.
• Existe mucha difusión entre las fases liquido-aire.
• F es una variable contínua
12. – Es una implementación del método
VOF realizada en FLOW-3D.
– Calcula el movimiento del fluido a
las celdas vecinas basado en la
orientación del fluido en el interior
de la celda.
– No calcula la dinámica en la region
vacía (void), sino que usa la
presión y la velocidad como
condiciones de contorno.
– Existen numerosas validaciones.
– Tanto VOF como TruVOF® están
disponibles en FLOW-3D
Fluid
Void
La distribución de la función VOF
determina la orientación de la interfase
Principios generales de funcionamiento
La superficie libre – Metodo TruVOF ® de FLOW-3D
13. • Arrastre y erosión / deposición
• Entrada de aire
• Cavitación
• Adhesión de pared, rugosidad
superficial
• Solidificación y fundido
• Stress elástico
• Masa/momento/Fuentes de Energía
• Flujo laminar y turbulento
• Viscosidad dependiente de
esfuerzo cortante, densidad y
temperatura
• Viscosidad thixotrópica
• Tensión superficial
• Efectos de termocapilaridad
• Burbujas de vapor y gas
• Campos eléctricos
• Fenómenos dieléctricos
• Electroósmosis
• Partículas electrostáticas
• Efectos electro-mecánicos
• Calentamiento Joule
• Difusión molecular y turbulenta
• Convección natural y forzada
• Conducción fluido-sólido
Capacidades de modelado generales
Modelos físicos
14. Capacidades de modelado generales
Modelos físicos (cont)
• Transferencia de calor
• Cambio de fase
• Multifase
• Medios porosos saturados e
insaturados
• Secado de humedad
• Core Gas (generación de gas por
desconposición de aglutinante)
• Reacciones químicas
• Escalares
• Mecánica del sólido
Acoplamiento Fluido/solido
Colisiones solido/solido
Interacción de partícula
15. Capacidades de modelado
Específicas de Fundición
• Simulación de elementos
móviles
Acoplamiento fluido-estructura
• Modelado en moldes y machos.
Formación de machos por
soplado de arena.
Secado de los machos
Generación de gas en los
machos por descomposición de
los aglomerantes.
• Materiales y Setup
Ciclado térmico del molde
Materiales dependientes de T
Materiales en estado semi-sólido
Enfriadores, calentadores.
• Estress térmico y
deformaciones
• Llenado:
Duración del llenado
Entrada de aire
Defectos superficiales: óxidos,
restos de cera.
Potencial de cavitación
Venteos y “back pressure”
• Solidificación:
Duración del llenado
Rechupes superficiales
Rechupes internos
Microporosidad
Segregación durante la
solidificación
Estrés térmico y deformaciones
Convección natural
16. Vertido por gravedad Molde perdido
Otros procesos de fundido:
• Fundición por gravedad
• Fundido a alta presión (HPDC)
• Fundido a baja presión
• Vertido por inclinación
• Fundición a presión (squeeze casting)
• Fundición en continuo
• Fundición por centrifugado
• Fundicion a la cera - Investment Casting
• Procesado de metal semi-solido (SSM)
• Thixocasting - Rheocasting
Vertido por inclinacion
Centrifugado Semi-solido
Capacidades de modelado
Alta Presión HPDC
17. Preventing Casting Defects – Entrada de aire
FLOW-3D captura los defectos en forma de
defectos superficiales debido a la oxidación,
residuo de espuma y entrada de aire.
Se muestra un bloque de motor en el cual los residuos de la
espuma permanecen atrapados en el interior de la pieza.
Cortesía GM Powertrain
Capacidades de modelado
18. Rechupe y Microporosidad
FLOW-3D modela el rechupe causado por
cambios volumétricos en la solidificación
que hace que el metal líquido reemplace el
volumen contraído y la microporosidad.
Albany-Chicago Co. empleó el modelo demicroporosidad
exitosamente para reducir los problemas de
microporosidad. Las simulaciones mostradas fueron
realizadas para la misma pieza con diferentes moldes.
FLOW-3D predijo de forma precisa tanto la localización y
la cantidad de microporosidad en ambas piezas. Work and images courtesy of Albany-Chicago Co.
Capacidades de modelado
19. Aivio del Estrés Térmico
Durante la solidificación del metal
fundido, se generan tensiones debidas
a contracciones no satisfechas e
irregularidades de forma. Este modelo
permite a los ingenieros aliviar dichos
estreses.
Los ejemplos mostrados son relativos a una
simulación de un motor V-6. La primera imagen
colorea la magnitud del desplazamiento. La
segunda imagen es un corte de la misma pieza
mostrando estreses de Von Misses.
Capacidades de modelado
20. Solidificación de Fundición
Capacidades de modelado
Modela la reacción eutectica en la que se forman
las 3 fases:
- Austenitica (o fase Gamma)
- carbide (o Cementita, Fe3C)
- Grafito, (C)
Factores que afectan el enfriamiento:
- Contenido de Carbono inicial (C) y Silicio (Si)
- Velocidad de enfriamiento.
-Coeficiente empírico: 0 ≤ Xeut ≤ 1
Factores que afectan el enfriamiento:
“Chill”, or carbidic, zone of white iron forms
in the region with a high freezing rate
12 mm
ASTM chill-wedge testASTM chill-wedge test
Un-inoculated iron, Χeut=0.4
Inoculated iron, Χeut=0.24
3+Fe C
21. Solidificación de Fundición
Capacidades de modelado
Red – carbide
Blue - graphite
time
Metal volume
1250 C
1400 C
1550 C
Phase distributionPhase distribution Influence of superheat on total volume changeInfluence of superheat on total volume change
22. Estudio de machos de arena – Disparo – Secado- Core Gas
Capacidades de modelado
•Los machos de arene se realizan
mediante disparo de arena en un molde.
•Debe evacuarse el aire y la arena debe
alcanzar una densidad de
compactación requerida
•El modelo Sand Core Blowing describe la
mezcla de aire-arena con la aproximación
de 1 fluido, 2 fases. El modelo incluye:
Variaciones de la densidad de la mezcla debido a
gradientes de presión.
Viscosidad no-Newtoniana como función del
esfuerzo cortante
Grado de compactación de la arena
Burbuja adiabática y venteos para regiones con
aire puro
sand settling, jamming and packing
Data from Lefebvre et al, 2004
Core Filling
Color – velocity magnitude
Air vents
23. FLOW-3D permite simular el
contenido de humedad
residual del macho de arena.
Gracias al Moisture Model se
pueden predecir defectos en el
tiempo de secado
Estudio de machos de arena – Disparo – Secado - Core Gas
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de BMW
24. Los machos de arena, durante el
vertido del metal y posterior
solidificación pueden degradar los
aglutinantes de la arena, generar
gas y migrar a la pieza.
FLOW-3D permite a los fundidores
monitorizar la degradación de los
aglutinantes en los machos y
optimizar las estrategias de venteo
de los mismos. El modelo Core
Gas predice las presiones del gas
dentro del macho, localizaciones
de la superficie del gas migrado al
metal y campos de flujo del gas.
Evolution of the binder
degradation zone. A
small 2 x 1.12 inches in
diameter PUCB bound
core is held in an
insulated steel holder
and immersed in iron.
Calibration data for PUCB
binder and fit with the
FLOW-3D core gas model.
The real data can be
captured to allow
simulations of PUCB
degradation in more
complex geometries and
under different
immersion/flow conditions.
Estudio de machos de arena – Disparo – Secado - Core Gas
Capacidades de modelado
25. FLOW-3D tiene la capacidad de
modelización de sólidos en movimiento
con hasta 6 grados de libertad. Esto
permite al usuario simular cucharas
vertiendo o pistones en movimiento.
Image courtesy of General Motors Powertrain.
Capacidades de modelado
Se muestra aquí un motor 3.6L V6 empleado en
el Cadillac CTS y el Saturn Aura XR. Se trata de
una fundición con aleación A319 usando un
proceso de molde semipermanente. Se
emplaron los modelos Defectos Superficiales y
Entrada de Aire para optimizar el diseño del vaso
y la cuchara.
Simulación de Partes en movimiento
26. Ejemplo cortesía de PSA Group
Experimental results :
Area of air entrainment
Simulation results :
- Position of thermocouples
- Position of metal detector
Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
27. Filling
Cooling in the mold
Low rate of flow
High rate of flow
Cooling by air « extraction of shell mold »
Time (s)
t0 t1 t2 t3 t4
Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
28. Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Temperatura del molde después del ciclado :
Temperatura del molde antes del ciclado :
Sección :
Molde (T1)
Macho de arenaPieza
Macho de arena (T2)
Pieza(T3)
Ejemplo cortesía de PSA Group
29. Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de PSA Group
Results simulation with casting pit :
w1
w2
Time (s)
Angular velocity
(rad/s)
12 15
Results simulation without casting pit :
30. Simulación de Partes en movimiento
Capacidades de modelado
Ejemplo cortesía de PSA Group
Thermocouple 16
Thermocouple 6
B-B
Thermocouple 1
A-A
F-F
-- Initial simulation
-- New HTC simulation
-- Test 1
-- Test 2
31. Simulación de Filtros
Empleados para eliminar
inclusiones en el metal y
también para reducir la
velocidad de entrada.
Modelo Porous Media
El modelo Porous Media de
FLOW-3D’s incluye pérdidas
de carga lineales y
cuadráticas, transferencia de
calor al filtro, porosidad
dirccional y efectos de
capilaridad. FLOW-3D's
dispone de una librería de
filtros preparados para su uso
directo en simulación.
Simulación de un filtro de fundición. FLOW-
3D puede predecir los flujos de
microporosidad dentro del filtro.
Image courtesy Simtech Systems.
Capacidades de modelado
32. A la izquierda se muestran una radiografía de
la fundición en donde el área oscura es el
aluminio entrando en la cavidad.
Stage 1
Stage 2
Stage 3
Validaciones
Cualquier técnica numérica denominada como método de VOF debe incluir un algoritmo para calcular el movimiento del fluido en el interfaz y mantenerlo definido. Un esquema especial-en desarrollo de la advección de VOF se conoce como TruVOF®, satisface estos requisitos y contiene mejoras para mantener el interfaz definido. La técnica de TruVOF® contiene lógica que determina cómo el líquido se orienta dentro de una celda superficial de modo que se mueva correctamente a las células vecinas. Por ejemplo, si la fracción fluida es 0.5 (a medias lleno), debe determinar cómo se orienta el líquido basado en la fracción fluida en células vecinas. La mayoría de los métodos supuestos de VOF en otros códigos comerciales del CFD no utilizan todos los tres requirieron elementos de VOF sino que por el contrario utilizan un método variable de la densidad con métodos de cálculo para intentar reducir al mínimo la difusión.
La solución se realiza en una malla de diferencias finitas de tipo estructurado. Se construye el dominio mallado para computar escalares, tales como temperatura y presión en los centros de la celda, y las cantidades del vector y del tensor se computan en las caras de la celda. Este acercamiento proporciona una manera muy estable y conveniente de computar derivadas. Debido al hecho de que la malla de cómputo es rectangular y estructurada, usted puede preguntarse cómo es posible modelar exactamente geometries complejos con formas curvadas. Se puede pensar que los límites del modelo sean escalonados. Sin embargo, los límites se representan exactamente usando una técnica llamada FAVORTM.
Las rejillas estructuradas tienen algunas desventajas cuando se utilizan bloques de mallados únicos. Por ejemplo, cuando se modela un dominio de serpenteo del flujo, la resolución fina usada en el canal extiende más allá del canal, consumiendo más memoria de cálculo donde no es necesario. También, al modelar el flujo de un fluido sobre un objeto, la rejilla puede necesitar ser resuelto de manera más precisa cerca del objeto para capturar capas de límite viscosas y termales. Esto causa que se extienda la malla fina hacia fuera en regiones donde no es necesaria o deseada esta resolución. La solución a este problema es el mallado multibloque.
Hay dos tipos de rejillas multibloques: bloques enlazados y bloques anidados. Los bloques enlazados están conectados con otros bloques solamente en sus bordes. No se solapan. No hay requisitos especiales en la resolución del acoplamiento entre los bloques en términos de tamaños de celda o las celdas que están en contacto. Los bloques anidados se encajan dentro de otro bloque. Los bordes de un bloque anidado pueden coincidir con los bordes del bloque que contiene. Sin embargo, un bloque anidado no puede solapar 2 bloques. No hay limitaciones específicas en el cambio de tamaño de celda entre un bloque anidado y el bloque que lo contiene salvo que cuanto más pequeño sea el cambio, el comportamiento es mejor.
El método del Volume Of Fluid (VOF) fue desarrollado por el Dr. Hirt Tony y otros científicos en el laboratorio del nacional de Los Alamos. El método de VOF proporciona la manera más exacta de identificar los interfaces de fluido en el dominio de cálculo mientras que mantiene el interfaz bien definido. Hay tres elementos dominantes que deben estar presentes en cualquier herramienta del CFD para poder ser considerado un método de VOF. Primero, debe haber una fracción fluida F variable, que monitorice la cantidad de líquido dentro de una célula de cómputo dada. En segundo lugar, un algoritmo de la advección se requiere no sólo calcular F, sino mantener el interfaz preciso. Tercero, las condiciones de contorno de superficie libre se deben aplicar al interfaz. Las condiciones de contorno de la superficie libre son: una presión normal y ningún esfuerzo cortante.
Cualquier técnica numérica denominada como método de VOF debe incluir un algoritmo para calcular el movimiento del fluido en el interfaz y mantenerlo definido. Un esquema especial-en desarrollo de la advección de VOF se conoce como TruVOF®, satisface estos requisitos y contiene mejoras para mantener el interfaz definido. La técnica de TruVOF® contiene lógica que determina cómo el líquido se orienta dentro de una celda superficial de modo que se mueva correctamente a las células vecinas. Por ejemplo, si la fracción fluida es 0.5 (a medias lleno), debe determinar cómo se orienta el líquido basado en la fracción fluida en células vecinas. La mayoría de los métodos supuestos de VOF en otros códigos comerciales del CFD no utilizan todos los tres requirieron elementos de VOF sino que por el contrario utilizan un método variable de la densidad con métodos de cálculo para intentar reducir al mínimo la difusión.
En resumen: Se muestra en esta presentación un ejemplo de los muchos problemas complejos sobre fundición que pueden ser solucionados. Se ha demostrado aquí cómo se puede emplear el CFD para el diseño de entradas, distribuidores, etc en un diseño de un molde de funcioón. El CFD se puede utilizar para simular muchos tipos de sistemas de fundición, incluyendo entre otros: Fundición por gravedad Fundido a alta presión (HPDC) Fundido a baja presión Vertido por inclinación Fundición a presión (squeeze casting) Fundición en continuo Fundición por centrifugado Fundicion a la cera perdida - Investment Casting Procesodo de metal semi-solido (SSM) Thixocasting La técnica de CFD se puede también utilizar para encontrar los defectos asociados al proceso de fundición. Por ejemplo, durante el proceso de llenado, el software puede capturar los óxidos superficiales y sus localizaciones finales, aire atrapado y regiones de cavitación. Durante la solidificación se puede monitorizar la contracción producida por el material, la microporosidad, tensiones térmicos y deformaciones. Como se ha visto en esta presentación, el CFD puede proporcionar de una valiosa información sobre los parámetros críticos de los procesos de fundido. El CFD es una herramienta beneficiosa para rápidamente probar diseños y encontrar problemas potenciales dentro del proceso de fundido. Littler Diecast pudo mejorar el diseño de este molde con solamente 3 nuevas iteraciones del diseño.