· data & simulation variables ... ansys/multi-physics ... the em field influences the flow...
Post on 08-Apr-2018
226 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
����������� ����������������������
������������ ������������
������� ��
�� �����������������
M. Cross, T.N. Croft, D. McBride, A.K. Slone, and A.J. Williams
Centre for Civil and Computational Engineering
School of EngineeringUniversity of Wales, Swansea
m.cross@swan.ac.uk
1
����������� ���������������������
���������������������������
� !������"#��$�����%����#��"���&����"���������������"����������'
� �(�"����
� �����$��������#��"��) �����*����
� ������������������������) ��������������$��%����
� ������������$������������������
� �������%�%����������
����������
�� ������ �
�������������
�������� ���
����������� ���������������������
��������������������� ��
� �������� �� �� ��������������������������"��������������������"�������������"���
� �������������$�%�������������������"���������$���+
� �,�� ���������&����%����������������������������
� ���� ���������&����%����������������������
� ���-� ������������$���.��./�.�,0,�������&����
��� ��������� ���������������� �������%��������'
� ����������������������������������������������$����"�����������#����������
� ����������������%����������1������ �������������� �����������������
2
����������� ���������������������
���������������������������� ������ ������
KKff KKfsfs KKftft
KK == KKsfsf KKss KKstst
KKtftf KKtsts KKtt
aaff
aa == aass
aatt
ffff
ff == ffss
fftt
KaKa = = ff
A single code for allA single code for allphenomena phenomena –– coupling directcoupling direct
����������� ���������������������
�(�������(������ �"�������"������
KKffnnaaff
nn = = ffffnn -- gg11((aass
nn--11,,aattnn--11))
KKssnnaass
nn = = ffssnn -- gg22((aaff
nn,,aattnn--11))
KKttnnaatt
nn = = ffttnn -- gg33((aass
nn,,aattnn))
Impact of usingImpact of usingdistinct solversdistinct solversfor each phenomenonfor each phenomenon
�������������� ������������!!
1
����������� ���������������������
������������� ���������
� �������������������������� �����
� ����������!!�������������������
� �����������������" ��������������������#������������������������� ��" ��������$����������
%�&�&���������!��������������� ���������������'
� ������� ����� " �$�$����(� �����!���!�����)�$ �� ��������������������������������$�� ���������������
%�&�&�� ������ ������'
� �������������������� ����� " ������������������������(� �����!������
%�&�&���������!����������������������'
����������� ���������������������
���������������������������� ��������������� ���
Phys-A Phys-B
• Interpolation from one setof variables to another =>compatibility of mesh
• Virtual single database of mesh data & simulation variables
• Solver strategy- direct vs iterative- Eulerian vs Lagrangian
• Is coupling strategy compatiblewith scalable parallelism, EVEN if software components are parallel
2
����������� ���������������������
��� �����������������������
� �(�������*�������+ � �����������������!�$���"�������
� �������!�������������!������������#�����,��(� �������!��������������!����� �� �������#����$�� �����������������!����
� -������ ���������!������!����������!�������������� " �����������.��)��./����������!��������� /
� /������#����������0����������������������� ������!��������
� 1��������� ��������� �������������#������!��������#�������
����������� ���������������������
������ � ������������ ����������� �
� �������!������2��3����" ��#����������-.����-21 �����
� www.scai.fraunhofer.de/mpcci.0.html
� �����#��!��� /!�����������������������,
� �4�52��6��72��8�!�9��/
� �8�1� 9�6����81���!�9��/
� �� / ��������������!���������������������������"
���������(��������������#���!��)�#���&�&
3
����������� ���������������������
��� �������������� ���������� ��� ����
� �������
� !"�#�$ � ��%%���&������� ����&���
� �#'�#�"($� ��%%���&������� &���
� �����
� )*("!� � ��%%���&������&���
� �+ *!("!'*� ��%%���&������ ����&���
� ("!'*, � ��%%���& ����-����&���
� .�����
� ������ � ��%%���&��������&���
� :������.������
� �.�/*0)� ��%%���&��������&���
� ��������������
� (�� ���� � ��%%���&���������&���
����������� ���������������������
�����������#*��������� �������-��$�������������� ����������������� ����
� ANSYS/Multi-physics http://www.ansys.com� ABAQUS http://www.abaqus.com� ADINA http://www.adina.com� ALGOR http://www.algor.com� AUTODYN http://centurydynamics.com� CFD-ACE http://www.esi-group.com� DYNA http://www.lsc.com� COMSOL http://www.comsol.com/� LMS software http://www.lms.com� MSC- NASTRAN http://www.mscsoftware.com� PHYSICA+ http://www.physica.co.uk� STAR-CCM+ http://www.adapco.com
1
����������� ���������������������
��������������� ���������� �������
� �������
� ������� ����������� ��������������
� �� ����!���������������������"���������
� �����
� #$!��� �����������%��������
� �&�$�!�� $�������������������������������
� !�� $' ��������������(�)��������
� ������
� �����% ��������������%�������
� ��������������
� �*�+$,#��������������������������"�� �����
� ��������������
� !������� ����������������������
����������� ���������������������
������������$��(������� ����-�� �)������������("�� ��������������-�����
� ANSYS/Multi-physics http://www.ansys.com� ABAQUS http://www.abaqus.com� ADINA http://www.adina.com� ALGOR http://www.algor.com� AUTODYN http://centurydynamics.com� CFD-ACE http://www.esi-group.com� DYNA http://www.lsc.com� COMSOL http://www.comsol.com/� LMS software http://www.lms.com� MSC- NASTRAN http://www.mscsoftware.com� PHYSICA+ http://www.physica.co.uk� STAR-CCM+ http://www.adapco.com
2
����������� ���������������������
� .����� ���������������� ���%�� ���%����(����/� ���������0��� ����(
� ������!���������"������#
$ ��(����(��"����%�"�����&%������
$ ������-�������%����������&&��%������
���%�"��%��&%������
$ �("���%���-����1����������� ���%����
���������"��'��""���������������
(��)����&����
$ "�������������(������ ������2���("� "
(�������������������*�+�+�(���"��,
$ ���(���������-�������������������("�����&%����������������
Alternative approach:Single Software Framework
����������� ���������������������
�("������������������3������ ���������
� -��-.$ �����������%�����)��%�����&%��������&���"���������
$ ��������������/�����������
� �0�1$ 2�*'��0�1$ �3��������,
$ �����������%����4�&��%�������������
$ �2�(�����)��%���������%���
� �56�7 �
$ ��8������*"�"�)4����,�'��������*"������,
3
����������� ���������������������
9�����%�")��: �����$&%�����
�2
��������
��
����%����������������������!��������&�����������%��&%�����
����������!�����#$5���$��������"����$���
����������� ���������������������
� ������������%���("
� �%������1�!��������
� ��������)
� 5��������"�
� �����"������;&%�����%����
� �����
� �����$���������
� ��������
� <������
� �&��8
� .��������������
�=.07$�56�7 �
=��01= 0=1�2
��1�..�.
.����� ����!#�����-����
1
����������� ���������������������
������������������ �������������������������������������
� Mixture of liquid steel and argon injected into rectangular mould
� Liquid metal flux sits on top of mould
� Water cooled mould extracts energy forming a solid steel shell
� Continuous withdrawalB.G. Thomas
����������� ���������������������
��������������
2
����������� ���������������������
����������������
� ������
� � �����!��" �����"!�
��#�"���!��������
� ����$����� �#�������"�
�������#��!�����!�"�����
� ��"!��!"���%��"!�������������#���"�#���
� &&�"!������!�����#'!��"!����& �����&����"
0. =∇+∂∂ φφ u
t
����������� ���������������������
z
Solid regions appear in blue
EndView
Top view
��������������� ��
3
����������� ���������������������
����'�''���!�(��"!�����������&����$)���&&��
L particles
Incorp in contCFD code
Embed withmass flux
effects
Evalintegrated
path
����������� ���������������������
������ ������� �����������
1
����������� ���������������������
� Computations were also performed to estimate the effects of EMB on the free surface . For this the Maxwell equations were solved, which with the usual MHD assumptions, lead to:
� Continuity of magnetic flux:
� Ohm's Law for conducting metals
� Magnetic Transport, or Induction equation
� Lorentz force:
� Note: Terms containing the velocity U, are only important when Rm(=LU/h)> 1
0 = B.∇
φσ ∇× - = E where),BU + E( = J
µσηη
m
2 1 = where,B + )BU( =
t∇××∇
∂∂
1
����������� ���������������������
B=0TB=0.4T
Flow suppressedhere
Fluid behaviour under EMB conditions
����������� ���������������������
Coupled EM-flow calculations
� For most practical calculations in metals processing:� The EM field influences the flow and
thermal fields� BUT the thermo-fluid phenomena has little
influence of the EM fields� Hence, essentially one way coupling � So calculate the EM field and calculate the
thermal and flow loads in the CFD calculation
� Can implement above model in any good CFD code!
2
����������� ���������������������
Welding processes simulation - natural multi-physics
� Processes involve:� free surface flow� electromagnetic forces� heat transfer with solidification/melting� development of non-linear stress
� Ideal candidate for multi-physics modelling
����������� ���������������������
T-Junction arc weld simulation
1
����������� ���������������������
Experiment and simulation
T-junction section, highlighting HAZ region
X
Y
Z
Model: T_JCASE1: PHYSICA ResultsStep: 1 TIME: 0Nodal LFNMax = 1 Min = 0
.909E-1
.182
.273
.364
.455
.545
.636
.727
.818
.909
FEMGV 5.1-01 28 FEB 2000Greenwich University
G ERE
N
of
YT
I
WI
UI NV
E
the
HCS
R
theUNIVERSITYofGREENWICH
����������� ���������������������
Distortion of T-junction due to heat source
Heat source
2
����������� ���������������������
Weld pool dynamics
Velocity vectors in crossectionLorentz force distribution in the weld-pool
����������� ���������������������
Distortion of T-junction due to heat source
Distortion
3
����������� ���������������������
Welding – multi-physics BUT . .
� Welding involves:� free surface fluid flow� heat transfer and solidification/melting� electro-magnetic fields� non-linear stress
BUT . . no coupling back:� from thermo-fluids to EM field� from stress calculation to thermo-fluids
SO . . reasonably loosely coupled
����������� ���������������������
Generic Dynamic Fluid Structure Interaction
� Closely coupled multi-disciplinary problem� Time & space accurate� Very challenging in every respect.� Issue of GCL
� Implementation of boundary conditions.
� Features of single software framework:� Consistency of mesh.� Single database & memory map.� Compatibility in the solution approaches FV-UM.
Traction boundary condition
CFD CSM
DeformationMeshadaptation
1
����������� ���������������������
Three Phase Approach
CMD
1+� nn tt
mmm FdK =CSD
( )tsFKddCdM =++ ���
fsm Γon u
fsfsp Γ= on �t
fsΓon d
� ������������� �����
� ��� ���� �
CFD
����������� ���������������������
Vertex Based
MeshElement
GaussPoint
Finite VolumeCell Centred
ControlVolume
ControlVolume
Integration Point
x
Finite Element
x
Node
Finite Volume
x
x
x
x
x
xx
xxx
x
PHYSICA
� Spatial Discretisation for closely coupled multi-physics� Unstructured mesh
� CFD� Cell centred� Or mixed CC- VB� FV
� CSM� Vertex based� FV/FE
2
����������� ���������������������
Dynamic fluid-structure interaction
� Targeted at problems involving flow induced vibrations
� Use dynamic structural equations and Navier-Stokes flow equations Wind direction Flow induced vibrations
����������� ���������������������
Dynamic response of structure without flow
1
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Fluid Velocity and Pressure Movies
At tip of wing
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Shear stress σσσσxy in wing
2
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Bio-medical multi-physics modelling: the heart!
� Heart – a multi-physics system, featuring interactions between:- electro-chemical system- fluid- structure
Image from www.heartvalves.8m.com
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Geometry
� 2D model� Right ventricle
Blood
0.005m
OutletInlet
Wall
0.045m
0.01m 0.01m
0.08m
3
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Electro-fluid-structure interaction
Electrical
Structure
Mesh dynamics
Fluid flow
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Multi-potential heart electrical activity model: comparison of results
PHYSICA
Clayton and Holden ‘02
Primary and secondary potentials Currents
1
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Coupling electrical field to structural mechanics
� Assumption made that small strain model can capture behaviour of heart wall� Dominant behaviour of wall is contraction/expansion � Shearing effects negligible
� Elastic model� Change in potential results in a change in tension
in the heart wall� To model tension we introduce an electric strain
into structural mechanics equations
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Electric potential, deformation & flow patterns
Results at various stages through a heart beat cycle
2
����������� ����������������������
Parallel Multi-Physics Modelling
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Exploiting parallel cluster technology: the challenge
� MpCCI and other filter technologies
� Upside – enables interaction at the code d’base level
� Downside – all data exchange must go via filter and is a compute bottleneck wrtscalability on parallel clusters
Code A (CFD)
Code B(FEA)
Filter tech:
Map onto Parallel cluster
Map ontoParallelcluster
BOTTLENECKBOTTLENECK
3
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Parallel Multi-Physics Framework
����� � �!"�
�#$�% ��&������
'�������������� �����"�� ���(���)�)��
Simulations very Time Consuming – need Parallel capability
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Parallelisation approach
� Partition of 3D unstructured mesh by JOSTLE
� Uses mesh partitioning SPMD strategy with non-uniform workload
� Assumes a homogeneous load balance across the mesh:� load balanced ( even no of cells per
node)� minimises sub-domain � interface elements� sub-domain connectivity� matches processor topology of the
parallel system
4
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Multi-physics Simulation parallel issues� Sub-domains have
specific physics so partition must reflect this:� non-uniform load/node
� Distinct physics uses distinct discretisation procedures:� secondary partitions
� Sub-domains may change as problem develops:� dynamic load balance
Solid mechanics
Fluid flow
Heat transfer
Strategy needs to address all the above issues
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Primary & secondary partitions
Primary & secondarymeshes
Good primary & poorSecondary partition
Good primary &Secondary partitionsfrom JOSTLE
5
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Parallel multi-physics: two level approach
� Implement a generic parallel version of Multi-physics code/ MDA codes� without regard to in-homogeneity of the
computational work over the mesh(es) defining the analysis domain
� Dump the load balancing into the mesh (re)partitioning task -JOSTLE_DLB
� Process as straightforward as possible
� �!"�
�#$�% ��&������
Mesh Partition
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Metal Forming - Extrusion
� Involves large scale deformation of metal work-piece through interaction with one or more dies
� Multi-physics problem� Flow/deformation of
work-piece� Heat transfer generated
by internal friction � Stress/strain in die(s)
6
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Mixed Eulerian-Lagrangian Approach
Workpiece� Eulerian mesh
� Free-surface algorithm to track deformation
� Non-Newtonian material model
� Heat transfer plus energy generated by internal friction
Die� Lagrangian mesh
� Mechanical behaviour coupled with:
� Thermal behaviour in workpiece
� Fluid traction load from workpiece
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Governing Equations - Extrusion
� Coupled Thermo - mechanical problem� Heat transfer significant factor in deformation process
� CFD� Non-Newtonian viscosity model – Plastic Norton Hoff law� Heat Transfer - Friction between die and workpiece.� Free Surface - Van Leer method
� CSM� Static equilibrium equation – linear elastic solid.
� Coupling at the workpiece/die boundary:� Die subject to fluid traction boundary condition.� Workpiece subject to a die velocity boundary condition.� Dynamic meshes – GCL. Fluid velocity relative to mesh
movement.
7
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Extrusion through U-shaped die
4.76 mm
41.27 mm
47.62 mm
• Initial diameter = 200mm
• Bearing length = 2.5mm
• Punch speed = 5.85E-3m/s
� 63220 elements
� 69507 nodes•• Workpiece = 470Workpiece = 470°°CC
•• Die =Die = 450450°°CC
•• Air = 30Air = 30°°CC
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Temperature contours in extruding work-piece
8
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Effective stress contours and deformation of die
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Parallel results
13.436.11610.927.5128.0310.284.4818.34
181.91
Speed-upRun time(hours)
Processors
� Itanium IA 64 cluster running Linux OS� Eight nodes, two 733MHz processors per node� Each node with 2 Gb memory & 2Gb swap space
Single phase mesh partitions on 16 processors
9
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Challenges� Multi-physics OK where
discretisation methods are coherent
� What about distinct methods – FE-BE can be OK
� Continuum-particulate interaction – fracturing
� What happens when it involves combustion, heat transfer, fluid flows, etc
� Can I do this scalably in parallel?
���)����
NAFEMS World CongressVancouver May 2007
Conclusion
� Multi-physics simulation is emerging in a commercially supported manner
� Most successful multi-physics is based upon loose or one-way coupling – even then, ‘heroic computing’
� Close coupling in time and space another ball game - Key here are procedures for time & space accurate simulations; DFSI a key exemplar
� Multi-physics essentially compute intensive – leads to challenge of parallel scalability for multi-physics simulation tools
� Can do for bespoke single software solutions, but for multi-code components, not so clear!
� Challenges for the future – integrating components using essentially distinctive model paradigms & solver strategies
top related