重磅干貨：增材制造的近輪廓冷卻通道的設(shè)計和仿真研究

2020年4月，南極熊將發(fā)布以“如何把3D打印制造引入工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)”為主題的重磅系列干貨研究報告，非常專業(yè)，讓你了解這個技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的難點、方法、竅門。

原內(nèi)容出自：歐洲耗時兩年、耗資210萬歐元的研究項目《AM 4 Industry》
譯者：北京化工大學(xué)英藍(lán)實驗室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐

報告：

《激光束熔化（LBM）增材制造缺陷因素》http://m.lhkhtyz.com/thread-140663-1-1.html

《增材制造質(zhì)量優(yōu)化和成本分析》http://m.lhkhtyz.com/thread-140728-1-1.html

下面是報告《應(yīng)用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion——近輪廓冷卻通道的設(shè)計和仿真研究》

應(yīng)用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion——在AM 4工業(yè)項目中的近輪廓冷卻通道的設(shè)計和仿真研究

前言
在AM 4工業(yè)項目的工作過程中，對近輪廓冷卻通道的設(shè)計和仿真進(jìn)行了研究。一個目標(biāo)是為工具制造工程師提供一種可用于進(jìn)一步優(yōu)化冷卻通道幾何形狀的儀器。特別是在近輪廓和不規(guī)則冷卻通道的設(shè)計中，使用商業(yè)仿真程序進(jìn)行仿真可能不夠，因此需要額外的仿真步驟。對于此附加或補充的仿真步驟，將重點故意放在非商業(yè)仿真程序上。因此，選擇程序OpenFoam®（開源現(xiàn)場操作和操縱）進(jìn)行仿真。它是免費提供的，主要用于解決流動問題（計算流體動力學(xué)）。它是用C++編寫的，甚至在基本版本中都附帶有用的求解器，并且可以適配各種其他的求解器。主要優(yōu)點之一是可以自由訪問源代碼以及算法。另外，代碼和計算幾乎可以任意擴展。

本手冊以面向應(yīng)用的示例為基礎(chǔ)，詳細(xì)描述了仿真的結(jié)構(gòu)和性能。 求解器chtMultiRegion用于模擬。 通常用于計算固體和流體之間的熱交換。 本手冊的目的是為開發(fā)，模擬工程師和學(xué)生提供面向應(yīng)用程序的OpenFoam®簡介，并概述如何使用它。 各個步驟分為九章，內(nèi)容如下：

• 第1章和第2章概述了仿真示例以及OpenFoam®的仿真結(jié)構(gòu)。
• 第3至6章介紹了如何在OpenFoam®中設(shè)置模擬用例以及需要進(jìn)行哪些設(shè)置。 詳細(xì)介紹了計算網(wǎng)格的創(chuàng)建和曲面的分配。
• 第7章和第8章討論了仿真的性能。 討論了邊界條件的選擇和流動模擬的理論。
• 第9章總結(jié)了OpenFoam®提供的評估方法，以及如何將結(jié)果導(dǎo)出以進(jìn)行進(jìn)一步處理。
  

最后，應(yīng)該提到的是，OpenFoam®環(huán)境乍一看似乎很奇怪，特別是對于習(xí)慣于Windows®操作系統(tǒng)的用戶而言。 這里絕對需要耐心。 僅僅需要花費一些時間，程序的過程就可以被認(rèn)為是邏輯上的，并且熟練掌握程序的運行和執(zhí)行所必需的命令。 但是，深入研究該主題當(dāng)然是值得的，因為它提供了進(jìn)一步完善模擬并做出更好預(yù)測的可能性。 反過來，這可以提供明顯的競爭優(yōu)勢。 因此：祝您快樂地研究！

1.介紹
OpenFoam軟件包通常在Linux上運行。 在此處描述的情況下，在Ubuntu 14.04.5 LTS版本上。 為了進(jìn)行仿真，必須安裝Linux操作系統(tǒng)。 以下選項可用于OpenFoam或Linux操作系統(tǒng)：

• 在裝有Linux操作系統(tǒng)的計算機上直接安裝OpenFoam
• 雙系統(tǒng)：一臺計算機上安裝了兩個或多個操作系統(tǒng)（例如Windows和Ubuntu），并且在每個系統(tǒng)啟動時，您都可以選擇要啟動的操作系統(tǒng)。
• 服務(wù)器的使用：在單獨的計算機上安裝Linux操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)（例如）訪問。
  

在此還應(yīng)注意，默認(rèn)情況下，OpenFoam沒有用戶界面（GUI）。 這意味著必須通過命令行輸入所有命令。 但是，有可以使操作變得更容易的市售GUI。 這些包括例如CAESES [1]，Visual-CFD [2]，SimFlow [3]或MantiumFlow [4]。 圖1顯示了OpenFoam的一般結(jié)構(gòu)。

圖1 OpenFoam結(jié)構(gòu)概述[5]

它由預(yù)處理，求解和后處理三個子區(qū)域組成。 預(yù)處理不包括Blender或PTC Creo之類的程序，而包括為求解器準(zhǔn)備幾何的軟件包。 這些包括例如blockMesh或snappyHexMesh。 求解器包括分別執(zhí)行計算或模擬的軟件包。 默認(rèn)情況下，OpenFoam包含許多求解器，并且可以從各種Internet來源或論壇中添加更多的求解器。 chtMultiRegion求解器默認(rèn)情況下集成到OpenFoam中，可以在“傳熱和浮力驅(qū)動的流”求解器中找到。

此chtMultiRegion求解器是本手冊的重點。 使用說明性示例逐步描述了該過程。 為此，分別選擇了塑料加工或注塑技術(shù)的應(yīng)用。 該模擬旨在幫助可視化注塑模具內(nèi)部的溫度分布。 更精確地來講，是描述了所謂的變熱注射成型工藝。 原則上，注塑過程是這樣進(jìn)行的：將在室溫下為固體的塑料顆粒在加熱的圓筒中熔化，溫度大約在 200℃。在塑化后，塑性材料變?yōu)橐簯B(tài)，并注入到金屬模具中。

借助于溫度控制單元冷卻的金屬模具一方面提供幾何造型，另一方面提供對成型零件的冷卻。但是，如果模制件具有非常細(xì)微的結(jié)構(gòu)（微結(jié)構(gòu)），則常規(guī)的模具冷卻概念是不夠的。 然后應(yīng)用上述可變熱過程。 在此，在注射之前將金屬模具加熱到大約熔融溫度。 然后在注射過程中已經(jīng)將其再次冷卻。 圖2顯示了兩種工藝變量的填充過程中的事件。

圖2 注塑過程中的填充過程，不使用可變溫度控制和使用可變溫度控制的比較[6]

在此可以看出，塑料熔體在與冷模具壁接觸時固化。 這降低了模制微結(jié)構(gòu)的能力。 但是，如果模具壁被加熱，則塑料熔體有足夠的時間蠕變成精細(xì)的結(jié)構(gòu)。 加熱和冷卻過程由兩個獨立的冷卻單元進(jìn)行。 通常將水或油分別用作冷卻或加熱介質(zhì)。 下圖顯示了這種溫度控制概念的示例：

圖3 帶有兩個溫度控制單元和一個閥開關(guān)單元的變溫液體溫度控制原理[6]

為了能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的塑料產(chǎn)品，必須知道確切的模具壁溫。 因此，值得用OpenFoam模擬該過程并仔細(xì)研究一下。
本手冊旨在作為使用OpenFoam映射所描述的過程的基礎(chǔ)。 作為初步概述，表1顯示了該方法的各個步驟，分為準(zhǔn)備，預(yù)處理，求解和后處理。 關(guān)于建模以及將幾何數(shù)據(jù)集成到OpenFoam中，可以使用各種各樣的過程。 本文描述的仿真案例通過以下方法解決：

表1 使用OpenFoam和chtMultiRegio進(jìn)行仿真的過程

為模擬示例選擇的幾何形狀是一個長方形，在其端面的上半部具有一個溫度控制孔。 計劃以限定的速度和溫度的水流過該鉆孔。 目的是確定上表面的加熱和冷卻過程。 下圖以圖形方式顯示了仿真的幾何形狀。

圖4 幾何仿真圖

在接下來的章節(jié)中，將逐步介紹所描述的仿真示例。 在每種情況下也都提到要執(zhí)行的命令。 它們以彩色顯示，PTC Creo命令以藍(lán)色顯示，Blender命令以黃色顯示，OpenFoam命令以紅色顯示。

2.制備
在本手冊或所示示例中，設(shè)計活動分別使用PTC Creo進(jìn)行。 結(jié)構(gòu)不僅限于Creo程序，還可以任意選擇。 唯一的先決條件是必須使用* .stl格式將幾何傳遞給OpenFoam。 由于導(dǎo)出幾何圖形時通常會發(fā)生錯誤，因此，可使用免費的軟件Blender [7]對其進(jìn)行額外檢查，并在必要時進(jìn)行修復(fù)。 典型的錯誤示例如未封閉的表面。
2.1模擬幾何的構(gòu)造
第一步是使用PTC Creo設(shè)計基本幾何圖形。 作為要模擬的幾何形狀，選擇了圖4所示具有縱向孔的鋼塊。大大簡化了帶有冷卻孔的注塑模具的設(shè)計。 下圖顯示了此基本幾何圖形的尺寸。

圖5 CAD程序PTC Creo中仿真模型的基本幾何形狀

基本幾何圖形的寬度為80毫米，高度為100毫米。 鉆孔的直徑為15毫米，位于上表面下方20毫米處。 將該基本幾何形狀拉長到500毫米的長度。 選擇鋼1.2343（X38 CrMoV 51）作為材料，因為它通常用于注塑模具中的模具嵌件。 隨后，該模型被導(dǎo)出為* .stl文件。 導(dǎo)出功能可以在Creo CAD程序中的以下位置找到：File > Save As > Save Copy


然后出現(xiàn)保存資源管理器。 在這里選擇“ Stereolithography（STL）”。 單擊“確定”確認(rèn)后，將出現(xiàn)一個窗口，可以在其中選擇導(dǎo)出設(shè)置。 為了以后使用OpenFoam進(jìn)行處理，必須將格式設(shè)置為“ ASCII”（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）。 這決定了文件只能以機器語言（二進(jìn)制）格式可讀還是同時以文本編輯器（ASCII）可讀。 另外，必須調(diào)節(jié)和弦高度和角度控制。 必須為弦高輸入0.01范圍內(nèi)的值，為角度控制輸入1范圍內(nèi)的值。 通過指定和弦高度，可以指定和弦與曲面之間的最大距離。 弦高越低，與實際零件表面的偏差越小。 為了更好地理解，在圖6中顯示了一個解釋。

圖6 和弦高度的說明

還應(yīng)注意，和弦高度越小，導(dǎo)出的* .stl文件將變得越大。 角度控制可在0到1的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。此值確定小半徑時弦高的調(diào)整。 值1導(dǎo)致將三角形精確調(diào)整為小半徑。 相反，值為0不會導(dǎo)致調(diào)整。 下圖7顯示了兩種不同設(shè)置的比較。

圖7 兩種角度控制設(shè)置的比較[8]

設(shè)置格式，和弦高度和角度控制后，用“確定”確認(rèn)設(shè)置，幾何圖形將作為* .stl文件導(dǎo)出。

2.2 控制和后處理
如果幾何圖形可作為* .stl文件使用，則可以在Blender中開始工作。 首先必須導(dǎo)入幾何。 可以通過File > Import.來完成。 為了使模型最佳工作，必須首先設(shè)置正確的模式。 初始默認(rèn)設(shè)置為“對象模式”。 必須將其更改為“編輯模式”。 可以在下部屏幕區(qū)域中進(jìn)行設(shè)置（圖8）。

圖8 在Blender中選擇編輯模式

另外，選擇類型必須設(shè)置為“面”。 依次可以在屏幕底部選擇。 使用數(shù)字鍵盤上的鍵“ 5”，還可以進(jìn)行縮放行為。 完成這些設(shè)置后，可以使用鼠標(biāo)右鍵選擇表面。 要選擇多個表面，請按住“ Shift”鍵。

為了使OpenFoam與CAD幾何一起工作，必須首先關(guān)閉開放的幾何曲面。 例如，在所示的幾何形狀的情況下，冷卻通道的入口和出口的幾何形狀沒有關(guān)閉。 要關(guān)閉這些開口，填充功能是合適的選擇。 為此，首先將選擇模式更改為點選擇（頂點選擇）。 然后按“ c”鍵，隨即出現(xiàn)一個選擇圈。 現(xiàn)在按下鼠標(biāo)左鍵時，標(biāo)記選擇圓中的所有點。 可以使用鼠標(biāo)滾輪縮小或放大選擇圓圈。 一旦選擇了所有必需的點，請按鼠標(biāo)右鍵以結(jié)束選擇，然后按“ f”鍵填充點所包圍的表面。

圖9 按“ c”鍵（左）選擇圓，按“ f”鍵填充表面

在各個填充命令之間，必須始終確保沒有選擇其他曲面。 為了確保沒有選擇其他項目，應(yīng)在不同的命令之間激活鍵“ a”以取消選擇任何選定的點。成功關(guān)閉所有開放的幾何圖形后，可以使用功能非流形檢查所有曲面是否都封閉�？梢栽谄聊蛔笙路降腟elect > Non Manifold 或者Select > Select All by Trait > Non Manifold,  or by pressing Shift-Ctrl-Alt-M中找到此功能，或者按Shift-Ctrl-Alt-M如果激活了“編輯模式”并且視圖設(shè)置為“線框” ，開放區(qū)域?qū)⑼怀鲲@示。 通過按“ n”鍵，還可以顯示開放區(qū)域的XYZ坐標(biāo)。

圖10 菜單項非歧管

一旦確保幾何形狀閉合，就必須定義各個表面，以便以后可以在OpenFoam中為它們指定某些屬性，例如冷卻劑的入口和出口。 這意味著每個具有自己屬性的曲面都必須單獨導(dǎo)出為* .stl文件。 這包括入口，出口，冷卻管和鋼塊。為此，切換到表面選擇模式并選擇要定義的表面。 然后按“ p”鍵并選擇“區(qū)域”。 然后，選定的曲面將單獨出現(xiàn)在右側(cè)的結(jié)構(gòu)樹中�，F(xiàn)在可以為每個表面分配一個名稱。 以下定義對于OpenFoam很重要：

• 入口
• 出口
• 管
• 壁
  

在第6章中，將詳細(xì)介紹要導(dǎo)出的表面和區(qū)域。 如果在選擇曲面時忽略了各個局部曲面，則可以在以后添加它們。 選擇被忽略的表面，然后按“ p”鍵。 然后選擇被忽略的曲面以及要添加它們的區(qū)域，然后單擊Tools > Edit > join

以執(zhí)行連接命令。 這將合并兩個選定的曲面。 為了正確地模擬模型，以下* .stl文件必須可用于導(dǎo)入OpenFoam：

• 入口（單個）
• 出口（單個）
• 管（單個）
• 壁（所有不屬于入口，出口或壁的東西）
• 實體（壁-以后應(yīng)具有相同固體邊界條件的所有表面）
• 流體（入口，出口和壁-以后應(yīng)具有流體邊界條件的所有表面）
  

為了將多個曲面導(dǎo)出為單個* .stl文件（例如，流體），必須在結(jié)構(gòu)樹的右側(cè)選擇它們。使用Shift +鼠標(biāo)左鍵選擇多個文件。選擇各個表面后，可以在“文件”>“導(dǎo)出”>“ STL（* .stl）”下將其導(dǎo)出。 導(dǎo)出時，請確保在導(dǎo)出菜單中將復(fù)選標(biāo)記設(shè)置為“ ASCII”。

圖11 *.stl導(dǎo)出的Blender菜單項

圖12 Blender * .stl導(dǎo)出設(shè)置，ASCII

3. 使用OpenFoam進(jìn)行預(yù)處理
為了能夠在OpenFoam中開始預(yù)處理，所有幾何形狀都必須單獨可用，即，入口幾何形狀，管形幾何形狀，壁幾何形狀，流體幾何形狀和固體幾何形狀必須在手邊。 一旦所有幾何文件都可用，就可以開始構(gòu)建仿真。 在此模擬示例中描述的情況旨在顯示介質(zhì)流經(jīng)的鋼塊的加熱和冷卻過程。 為此，首先使用blockMesh和snappyHexMesh對幾何進(jìn)行網(wǎng)格化。 然后將使用求解器“ chtMultiRegionFoam”顯示溫度分布。

使用OpenFoam執(zhí)行的仿真通常具有以下標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)：

圖13 大多數(shù)OpenFoam模擬的文件夾結(jié)構(gòu)

當(dāng)開始在OpenFoam中設(shè)置仿真時，建議復(fù)制一個現(xiàn)有的仿真案例并對其進(jìn)行調(diào)整。 對于大多數(shù)求解器，OpenFoam的標(biāo)準(zhǔn)安裝中有一些示例，可在“教程”文件夾中找到。

在以下步驟中將更詳細(xì)地描述仿真示例，其結(jié)構(gòu)如下：
模擬示例的名稱：cfdkurs
模擬示例的存儲位置：〜/ OpenFOAM / OpenFOAM3.0.1 / simulations / CFD-Kurs / cfdkurs $
在模擬示例的存儲位置（也稱為主目錄）中，以下所有命令均在終端（外殼）中執(zhí)行。 這意味著，例如，如果必須使用blockMesh創(chuàng)建第一個計算網(wǎng)格，則必須首先打開cfdkurs文件夾，然后輸入命令> blockMesh。 cfdkurs目錄包含文件夾0，常量和系統(tǒng)。


3.1 網(wǎng)格創(chuàng)建-常規(guī)
在OpenFoam中，可以使用SnappyHexMesh函數(shù)創(chuàng)建網(wǎng)格。 將通過一個簡單的示例[9]，[10]來說明這種創(chuàng)建過程。
步驟1：第一步，需要幾何圖形的* .stl文件。 在使用CAD程序創(chuàng)建的該文件中，幾何形狀的表面通過三角形描述。
步驟2：使用blockMesh將第一個背景網(wǎng)格疊加到此幾何上。 blockMesh函數(shù)可用于創(chuàng)建一個長方體，該長方體被分成幾個立方體或長方體單元。 在blockMeshDict中，定義了用于執(zhí)行blockMesh的文本文件，定義了長方體角點的坐標(biāo)及其之間的單元數(shù)。
步驟3：snappyHexMesh函數(shù)現(xiàn)在可以優(yōu)化STL表面周圍的單元格。 在snappyHexMeshDict中定義了要精煉這些單元的頻率。
步驟4：然后移除查看空間內(nèi)部或外部的單元，并進(jìn)一步優(yōu)化其余單元。
步驟5：在最后一步中，對邊緣和表面進(jìn)行平滑處理。 此外，可以引入其他層來細(xì)化單元格和幾何表面之間的過渡，從而提高分辨率。


第3步到第5步全部在執(zhí)行snappyHexMesh的過程中一次執(zhí)行，并在snappyHexMeshDict的系統(tǒng)文件夾中精確定義。

圖14 步驟1，現(xiàn)有* .stl文件

圖15：步驟2，創(chuàng)建一個BlockMesh塊（背景網(wǎng)格）

圖16：步驟3，使用SnappyHexMesh函數(shù)細(xì)化網(wǎng)格

圖17：步驟4，移除觀察空間內(nèi)部或外部的單元

圖18：步驟5，網(wǎng)格的平滑和細(xì)化

以下各節(jié)提供了此處描述的過程的更詳細(xì)說明。

4. 第一個計算網(wǎng)格– blockMesh
在開始創(chuàng)建第一個計算網(wǎng)格之前，必須確保幾何具有正確的縮放比例。 分別創(chuàng)建* .stl文件或?qū)С鑫募�時，請注意導(dǎo)出幾何圖形的單位。 OpenFoam使用SI單位，因此所有幾何尺寸均以米為單位。 例如，如果以毫米為單位導(dǎo)出了幾何圖形，則可以在OpenFoam中執(zhí)行轉(zhuǎn)換。 可以使用> transformPoints命令來完成。
> transformPoints-比例為'（0.001 0.001 0.001）'-區(qū)域流體
> transformPoints-比例為'（0.001 0.001 0.001）'-區(qū)域固體


使用blockMesh，如上所述將背景網(wǎng)格疊加在幾何圖形上。 要執(zhí)行命令blockMesh，需要相應(yīng)的文本文件blockMeshDict和文本文件controlDict。 兩者都保存在“ system”文件夾中，通常從其他模擬模板復(fù)制，然后適應(yīng)于各自的新情況。 使用以下命令，可以將文本文件復(fù)制到新文件夾中：
> cp文件所在的路徑目標(biāo)文件夾/


示例：〜/ OpenFOAM / OpenFOAM-3.0.1 / simulations / CFD-Kurs $ cp StandardVersuchBaseCaseVH / system / blockMeshDict system
在文本文件blockMeshDict中，定義了長方體角點的坐標(biāo)及其之間的像元數(shù)。 下圖19顯示了blockMeshDict文件。

圖19：文本文件blockMeshDict（左），坐標(biāo)點描述（右）[11]

從第19行到第28行，該矩形的頂點以X，Y，Z格式給出。 第33行包含以下信息：

• hex（0 1 2 3 4 5 6 7）六面體塊的定義。 注意順序！
• （30 10 10）角點之間的像元數(shù)量
• simpleGrading（1 1 1）角點之間的像元縮放
  

有兩種方法可以在幾何圖形上疊加合適的塊。 角坐標(biāo)是已知的并已輸入到blockMeshdict文件中，或者坐標(biāo)是未知的并且必須確定。 如果未知，則可以使用Paraview確定它們。 這樣，可以在Paraview中可視化STL零件的幾何形狀和生成的blockMesh塊，并讀取相應(yīng)的值。 為了顯示blockMesh塊，必須滿足以下幾點：

• blockMeshDict文本文件存在于系統(tǒng)文件夾中
• controlDict文本文件存在于系統(tǒng)文件夾中
• 在終端o> blockMesh中執(zhí)行的blockMesh
• 案例文件夾中存在虛擬文件foam.foam
  

要在case文件夾中創(chuàng)建虛擬文件，必須執(zhí)行以下命令：> nano foam.foam
例如：〜/ OpenFOAM / OpenFOAM-3.0.1 / simulations / CFD-Kurs / cfdkurs $ nano foam.foam
文本編輯器打開，并出現(xiàn)一個空的文本文件。 Ctrl + o保存文件，而Ctrl + x再次關(guān)閉編輯器。 然后可以通過以下命令打開Paraview：> paraview
然后必須在Paraview中打開* .stl幾何數(shù)據(jù)和虛擬文件foam.foam：File > Open > foam.foam
如果文件沒有立即顯示，則必須打開 單擊“應(yīng)用”確認(rèn)。

圖20：在Paraview中創(chuàng)建的塊

所選幾何的角點坐標(biāo)顯示在左下方菜單區(qū)域的“信息”部分中。 圖21顯示了solid.stl幾何的角點坐標(biāo)。

圖21：solid.stl幾何的角點坐標(biāo)

現(xiàn)在，必須將從Paraview中讀取的模擬幾何的坐標(biāo)輸入到文本文件blockMeshDict中。 在這里，應(yīng)該始終將blockMesh塊選擇為略大于仿真幾何體。 在所示示例中，blockMesh塊比模擬幾何圖形大5個單位。 因此，生成的塊具有以下尺寸：

圖22：在blockMeshDict文件中輸入的生成的BlockMesh塊的角點坐標(biāo)

將角點坐標(biāo)輸入到blockMeshDict-File中之后，仍必須用“刷新”更新Paraview中的顯示。 然后，先前定義的塊將出現(xiàn)在查看區(qū)域中（圖23）。

圖23：疊加了BlockMesh塊（網(wǎng)格）的仿真幾何

矩形的形狀理想上應(yīng)該是立方的。 這可以通過調(diào)整blockMeshDict文本文件中的拆分來調(diào)整。 為此，必須打開文本文件blockMeshDict，并修改第33行“（（30 10 10）–角點之間的像元數(shù)”）。 通過再次執(zhí)行blockMesh命令，將接受調(diào)整后的數(shù)據(jù)：
>blockMesh  


示例：~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs$ blockMesh

5.第二計算網(wǎng)格– snappyHexMesh
然后，snappyHexMesh程序會優(yōu)化圍繞STL幾何圖形的單元格。 為了使用snappyHexMesh進(jìn)行優(yōu)化，必須首先將以下文件復(fù)制到“ system”文件夾中：

• system
  

snappyHexMeshDict
meshQualityDict surfaceFeatureExtractDict
fvSchemes
fvSolutio

此外，*.stl文件必須位于文件夾“ constant”中：

• 常數(shù)
  

文件夾“ triSurface”（可能必須創(chuàng)建）
solid.stl
fluid.stl
如果文件夾“ triSurface”不存在，則無需費時即可創(chuàng)建該文件夾。 可以使用以下命令創(chuàng)建：
> mkdir triSurface


示例：〜/ OpenFOAM / OpenFOAM-3.0.1 / simulations / CFD-Kurs / cfdkurs / constant $ mkdir triSurface
接下來，您可以開始修改文本文件。 下圖顯示了文本文件“ snappyHexMeshDict”的內(nèi)容：

圖24：內(nèi)容snappyHexMeshDict文件，第1-232行

圖25：內(nèi)容snappyHexMeshDict文件，第233-336行

在此，必須首先修改幾何文件。 此處，在幾何圖形（第30行）下，必須指定所使用的STL幾何圖形。 在示例中，這包括以下* .stl文件：

• solid.stl
• fluid.stl
  

幾何下的其余條目可以刪除。 此外，“特征”（第103行）的條目可以類似于幾何形狀的更改進(jìn)行更改。

還必須修改“ refinementSurfaces”部分（第138行）。 必須再次將名稱更改為“ solid”和“ fluid”。 在條目“ faceZone”和“ cellZone”中，必須輸入* .stl文件的名稱。 另外，必須指定位于要劃分網(wǎng)格的幾何內(nèi)部的點的坐標(biāo)。 必須輸入“固體”和“流體”。 線201包含條目“ locationInMesh”，在該處必須再次指定要網(wǎng)格化的幾何體內(nèi)的點。 在幾何圖形內(nèi)部指定點的作用是分別定義網(wǎng)格的開始或內(nèi)部幾何圖形或外部幾何圖形的網(wǎng)格。

下面的圖26顯示了meshQualityDict文件的內(nèi)容。 模擬也需要這樣做，但是不需要更改。

圖26：meshQualityDict文件的內(nèi)容

在文本文件“ surfaceFeatureExtractDict”（圖27）中，再次必須輸入* .stl文件的名稱（第17和33行）。

圖27：目錄surfaceFeatureExtractDict文件

調(diào)整完所有文本文件后，命令必須執(zhí)行。
> surfaceFeatureExtract
示例：〜/ OpenFOAM / OpenFOAM-3.0.1 / simulations / CFD-Kurs / cfdkurs $ surfaceFeatureExtract
這將生成文件

• solid.eMesh
• fluid.eMesh
  

在“ triSurface”文件夾中。
然后命令
> snappyHexMesh--overwrite
可以執(zhí)行。
示例：〜/ OpenFOAM / OpenFOAM-3.0.1 / simulations / CFD-Kurs / cfdkurs $ snappyHexMesh -overwrite

使用命令“ -overwrite”，因為如果網(wǎng)格已經(jīng)存在，否則將創(chuàng)建一個新文件夾。

6. 創(chuàng)建和分配區(qū)域
由于在此示例中模擬了從液體到固體物質(zhì)的熱傳遞，因此必須對各個幾何形狀進(jìn)行分類。 這用于通知程序哪個幾何形狀或體積是固體還是液體，并且之后可以為其分配適合的材料參數(shù)。

使用Blender，在上一步中，將幾何圖形分別導(dǎo)出為* .stl文件。 在這里，實體solid.stl由wall.stl和tube.stl組成。 fluid.stl幾何圖形由tube.stl，入口.stl和出口.stl組成。 這意味著總共必須存在7個單獨的* .stl文件。 根據(jù)模擬設(shè)置，可能不需要幾何圖形“ tube.stl”。 圖28說明了各個STL幾何形狀。

圖28 單個* .stl文件的插圖

各個* .stl文件必須分配給某些區(qū)域。 表2顯示了帶有相應(yīng)區(qū)域的* .stl文件的列表。

表2：將* .stl文件拆分為區(qū)域

在分配這些區(qū)域之前，必須先劃分區(qū)域（流體區(qū)域和實體區(qū)域）。 這是通過以下命令完成的：
>splitMeshRegions -cellZones –overwrite
示例：~/OpenFoam/OpenFoam-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs$splitMeshRegions -cellZones- overwrite

然后，必須分別將各個* .stl文件或曲面指定給區(qū)域。 這是通過以下命令完成的：
>surfaceToPatch „Location of the *.stl file“ -region „fluid or solid“  

示例：~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs$ surfaceToPatch constant/triSurface/inlet.stl -region fluid
~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs$ surfaceToPatch constant/triSurface/outlet.stl -region fluid
~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs$ surfaceToPatch constant/triSurface/tube.stl -region fluid
~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs$ surfaceToPatch constant/triSurface/wall.stl -region solid

在這里，可能會出現(xiàn)以下錯誤消息（圖29）：
-->FOAM FATAL ERROR:
參數(shù)數(shù)量錯誤，應(yīng)該找到1個2個無效選項：-region

圖29：輸入命令“ surfaceToPatch constant / triSurface / inlet.stl-區(qū)域流體”時的錯誤消息

在這種情況下，必須執(zhí)行附加步驟，或者必須分別分配區(qū)域。 也就是說，surfaceToPatch命令必須在單獨創(chuàng)建的文件夾中執(zhí)行。 這允許彼此分離地分配（修補）區(qū)域。 因此，將創(chuàng)建虛擬文件夾結(jié)構(gòu)（流體>常量> polyMesh），因為否則OpenFoam將無法識別文件夾結(jié)構(gòu)。 如果僅存在一個區(qū)域（即僅存在固體或流體），則可以在主文件夾中直接執(zhí)行surfaceToPatch命令（在示例“ cfdkurs”中）。 但是，由于示例中有兩個區(qū)域，因此必須執(zhí)行以下步驟：
1.首先，您必須在主文件夾中創(chuàng)建文件夾“ solid”和“ fluid”。
2.然后必須在每個文件夾中創(chuàng)建一個恒定文件夾。 使用命令> mkdir文件夾名稱創(chuàng)建一個文件夾。
3.然后，必須將主文件夾（〜/ OpenFOAM / OpenFOAM3.0.1 / simulations / CFD-Kurs / cfdkurs / constant）的polyMesh文件夾復(fù)制到該常量文件夾中。
4.此外，必須在相應(yīng)的文件夾（實體和流體）中創(chuàng)建文件夾系統(tǒng)，并且必須將文件controlDict復(fù)制到該文件夾中。 可以在系統(tǒng)文件夾的主文件夾（cfdkurs）中找到它。
5.最后，必須將相應(yīng)的* .stl文件復(fù)制到創(chuàng)建的文件夾中。

創(chuàng)建和復(fù)制文件后，文件夾結(jié)構(gòu)必須如下所示：
cfdkurs

• Constant
  

polyMesh
  fluid
   polyMesh
solid
   polyMesh

• solid
  

constant
   polyMesh o
system
   controlDict
wall.stl

• fluid
  

constant
   polyMesh
system
   controlDict
inlet.stl
outlet.stl

目錄常數(shù)> solid只能包含外墻的* .stl文件。 例如，這意味著不得包括內(nèi)管壁。 創(chuàng)建文件夾結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)航到創(chuàng)建的文件夾（實體或流體），并對每個包含的* .stl文件執(zhí)行surfaceToPatch命令：
>surfaceToPatch CAD_file.stl  
示例：
~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs/solid$ surfaceToPatch wall.stl
~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs/fluid$ surfaceToPatch inlet.stl etc.

在為每個單獨的* .stl文件運行此命令之間，必須更改polyMeshboundary文件中的patch0條目。 下面逐步介紹了各個步驟：流體示例
cfdkurs > fluid > 0.

• 打開第一次步驟文件夾（0.1）（非0）
• 打開polyMesh文件夾打開邊界文件
• 將patch0重命名為入口（或分別重命名為sufaceToPatch中使用的名稱）在cfdkurs文件夾中>> surfaceToPatch outlet.stl 
• 打開cfdkurs>流體> 0.2
• 復(fù)制polyMesh文件夾并將其粘貼到cfdkurs>常量>流體
• 然后可以將整個cfdkurs>流體文件夾保存為備份或刪除
  

之后，邊界文件中的以下條目必須刪除，并且第18行（圖30）中的編號必須從4更改為3，因為補丁數(shù)量已更改。 如果未更改，則稍后在Paraview中顯示結(jié)果時，將出現(xiàn)錯誤消息。 以下命令（例如用于區(qū)域?qū)嶓w）可用于檢查生成的網(wǎng)格的正確性：
> checkMesh -region solid
示例：~/OpenFOAM/OpenFOAM-3.0.1/simulations/CFD-Kurs/cfdkurs$ checkMesh -region solid

圖30：流體的邊界文件

為了能夠?qū)⑺鼈兊膶傩院统跏紬l件分配給區(qū)域，需要使用constant的regionProperties文件。 其中必須包含以下條目：

圖31：文件夾常量中的regionProperties文件

一旦執(zhí)行了這些步驟，就可以輸入初始條件和邊界條件。

7.解決–使用chtMultiRegion進(jìn)行仿真
在選定的模擬情況下，將考慮加熱和冷卻過程。 在加熱過程中，溫度為90°C的水流過管道10秒鐘。 接下來是冷卻過程，在此過程中，溫度為30°C的水流過管道10秒鐘。 此外，為了分別觀察層流和湍流中的熱傳遞，分別用兩個不同的雷諾數(shù)或流速進(jìn)行了模擬。


7.1 流動模擬理論
湍流模型標(biāo)準(zhǔn)k-ε用于模擬通道中的流動。 這是一個兩方程模型，是描述CFD模擬中流量的最常用模型。 在輸運方程中，湍動能k的產(chǎn)生和擴散是近似的。

𝑃𝑘    生產(chǎn)
𝐷𝑘    擴散
𝜈𝑇    渦旋粘度
𝑆̅𝑖𝑗    粘性應(yīng)力張量
𝑥𝑗    位置坐標(biāo)
𝑢̅𝑗    平均速度
𝑘     湍動能
𝜀     各向同性耗散率
𝐶μ    模型常數(shù)
𝑐𝜀1      模型常數(shù)
𝑐𝜀2       模型常數(shù)
𝜎𝑘    模型常數(shù)
𝜎𝜀      模型常數(shù)

通常，模型常數(shù)定義如下：Cμ = 0.09; cε1= 1.44； cε2= 1.92； σk = 1.0； 且σε= 1.3。
為了能夠計算yPlus，需要湍流初始值，其計算如下[13]：

其中k是湍動能，I是湍流強度，假定為0.8。 uref是速度，
ε是湍流耗散率，Cμ是一個值為0.09的常數(shù)，L是通道的長度。
νt是湍流粘度。

以下值來自模擬示例的圖示公式：
k =0.273
ε =1.563
ν = 0.00324


7.2 輸入?yún)��?shù)
為了完成模擬，下面列出了層流和湍流模擬的輸入?yún)��?shù)。 對于入口速度（初始條件），在兩種情況下均使用以下公式：

在此，Re是在[1]中的雷諾數(shù)，u是在[m / s]中的速度，D是在[m]中的通道直徑，以及v（nu）在[m2/ s]中的運動粘度。 水在不同溫度下的運動粘度取自下表：

表3：不同溫度下水的物質(zhì)參數(shù)[14]

流經(jīng)的水的壓力為5 bar（5∙105 Pa）。 在模擬開始時，冷卻劑流過的金屬塊的恒定溫度為30°C。

7.2.1 輸入?yún)��?shù)層流

• 雷諾數(shù)              Re = 500
• 通道直徑            D =0.015 m
• 運動粘度，水        ν = 0.801 * 10-6 m2/s at 30 °C
• 0.326 * 10-6 m2/s at 90 °C
• 這導(dǎo)致以下速度：
• 流動速度           u = 0.0267 m/s at 30 °C
• 0.011 m/s at 90 °C
  

7.2.2 輸入?yún)��?shù)湍流

• 雷諾數(shù)              Re = 10.000
• 通道直徑            D =0.015 m
• 運動粘度，水        ν= 0.801 * 10-6 m2/s at 30 °C
  

0.326 * 10-6 m2/s at 90 °C

• 這導(dǎo)致以下速度：
  

流動速度           u = 0.533 m/s at 30 °C
0.217 m/s at 90 °C

這些輸入?yún)��?shù)或初始條件在文件夾0>流體中的文檔中定義。 其中包含文件alphat，epsilon，k，nut，p，p_rgh，T和U。文件p和T位于文件夾0> solid中。

為了能夠使用k-ε模型，yPlus值必須提供介于20和100之間的值，該值提供有關(guān)最接近墻的單元格高度的說明。該值使用以下命令檢查：
> yPlus -region fluid

為了執(zhí)行此命令，必須包括以下文件夾結(jié)構(gòu)和列出的文件：
0

• fluid
  

alphat
epsilon
k
nutp
p_rgh
T
U

• solid
  

P
T

在流體文件中，必須在入口boundaryFields中為epsilon，k，nut，p，p_rgh，T，U修改幾何名稱。 在模擬示例中，因此需要輸入入口，出口和fluid_to_solid。 對于實體文件p和T，必須輸入wall和solid_to_fluid。 此外，必須調(diào)整初始條件，包括速度[m / s]，壓力[Pa]和溫度[K]。

文件夾常量必須包含以下文件夾和文件：
內(nèi)容

• fluid
  

polyMesh(folder
fvSchemes
fvSolution
g
thermophysicalProperties
ttransportProperties
turbulenceProperties

• solid
  

polyMesh(folder)
fvSchemes
fvSolution
thermophysicalProperties

文本文件的屏幕快照可以在附件的10.3節(jié)中找到。 至10.4。
完成所有調(diào)整后，最終可以對固體和流體執(zhí)行yPlus命令：
>yPlus -region fluid
>yPlus -region solid

由于所示示例中的yPlus值超過100，因此使用以下命令精煉流固邊界處的單元：
>refineWallLayer '(fluid_to_solid)' 0.5
（無-region選項，因此必須在修補了進(jìn)口和出口的文件夾中執(zhí)行）

精煉后，必須將生成的polyMesh文件夾復(fù)制到constant> fluid。 fineWallLayer命令插入了其他單元格行，從而將yPlus減少為平均值54.74426。 圖32顯示了改進(jìn)的網(wǎng)格：

圖32：冷卻管幾何形狀的精細(xì)嚙合

固體的初始溫度定義為30°C。 此外，應(yīng)通過更改條目“ externalHeatFluxTemperature”來定義外壁的邊界條件。 規(guī)定將固體和環(huán)境之間的傳熱系數(shù)定為10 W /m2K。 這意味著在仿真中不會分別映射環(huán)境或空氣，而僅在提及恒定邊界條件時予以考慮。

8.運行模擬
為了能夠開始仿真，必須定義一般條件。這些可以在常量文件夾中找到。應(yīng)該定義以下條目：

1.在thermophysicalProperties中指定了流體和固體的材料數(shù)據(jù)；這些文件位于常量文件夾中。這包括通常用于鋼和水的值，例如熱導(dǎo)率或容量。
2.對于湍流模擬，需要一個名為turbulenceProperties的文件，其中定義了要使用的湍流模型。
3.默認(rèn)使用在fvSchemes和fvSolution中找到的數(shù)字設(shè)置。
4.在controlDict中，指定了模擬的第一部分（=加熱過程）需要10秒，并且每隔0.1s存儲一次。
5.為了能夠模擬總共20秒鐘的加熱和冷卻過程，在經(jīng)過10秒鐘的加熱階段后，對文件夾10（模擬時間開關(guān)文件夾）中文件T和U的入口溫度和速度進(jìn)行了調(diào)整。為了能夠最終還顯示冷卻階段。

文本文件的屏幕快照可以在附件10中找到。最后，用
> chtMultiRegionFoam
模擬開始。 湍流模擬完成后，也可以創(chuàng)建層流模擬。 為此，創(chuàng)建了整個湍流箱（cfdkurs）的副本（cfdkurslaminar）。 為了使用此復(fù)制的案例執(zhí)行層流仿真，必須進(jìn)行以下更改：
1.降低文件夾0> U中的速度以映射層流。
2.在常量文件夾中的turbulenceProperties文件中，流類型更改為層流。

9.結(jié)果
9.1 加熱和冷卻過程
模擬后，在Paraview中對加熱和冷卻過程進(jìn)行了成像。 下圖以2.5秒的步長以圖形方式顯示了結(jié)果。 湍流模擬工況顯示在左側(cè)，層流模擬工況顯示在右側(cè)。

從這些圖中可以看出，湍流變體對溫度變化的反應(yīng)更加動態(tài)。 為了說明這一事實，可以在表面上創(chuàng)建測量點圖。 仿真數(shù)據(jù)的導(dǎo)出將在下面的9.2小節(jié)中詳細(xì)介紹。 為導(dǎo)出定義了表面上的兩個點（圖34）。

圖33：在模擬幾何圖形的表面上定義的測量點

第一個測量點在入口后面10毫米處。 第二個測量點正好位于模塊的中間，因此距入口250毫米。 對于這些點，然后將生成測量值并以圖表形式顯示（圖34和圖35）。 圖34顯示了湍流和層流情況下入口后10毫米處的溫度曲線。 在湍流情況下，流速在30°C下為0.533 m / s，在90°C下為0.217 m / s。 在層流情況下，流速在30°C下為0.0267 m / s，在90°C下為0.011 m / s。

圖34：表面溫度曲線，入口，位置0.01 m

可以看出，湍流情況比層流情況動態(tài)得多。 這是由于在高雷諾數(shù)下固體與流體之間的傳熱系數(shù)增加。 圖35顯示了入口下游250毫米位置處的溫度曲線。

圖35：0.25 m位置的表面溫度曲線，塊中心

可以看出，與10 mm處的測量點相比，溫度升高約低10°C。 在層流模擬的情況下，溫度不會升高，因為流速是如此之低，以至于熱水僅在冷卻過程中途到達(dá)250 mm的測量點。

9.2 導(dǎo)出測量值
在Paraview中顯示幾何之后，使用ProbeProbe功能（如圖所示，可以在模擬幾何的表面上生成一個測量點。

圖36：Paraview函數(shù)ProbeLocation

使用文件>保存數(shù)據(jù)中的命令，然后可以輸出時間步的所選數(shù)據(jù)。 在所示示例中，輸出溫度數(shù)據(jù)。 以這種方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)的缺點是，每個時間步驟都會創(chuàng)建一個Excel文件。

但是，在存儲文件的文件夾中，命令
for i in `seq 0 1 200`; do cat T.$i.csv >> masterT01.csv; done  

可用于將它們合并到單個Excel文件中。 但是，此命令還會合并200個文件的標(biāo)題，因此每個測量值行都有一個多余的標(biāo)題行。要刪除它們，必須執(zhí)行以下命令：

1.打開文件
> vim createdfile.csv

2.開始宏錄制：按兩次“ q”鍵開始宏錄制

3.刪除行
按兩次“ d”鍵
向下箭頭以跳過行

4結(jié)束宏錄制：按一次“ q”鍵

5.執(zhí)行命令多次執(zhí)行某個特定的次數(shù)：在數(shù)字鍵盤上輸入執(zhí)行次數(shù)，
以@q開始執(zhí)行

6.保存并退出
：wq（寫入并退出）

應(yīng)當(dāng)指出，Paraview具有評估各種模擬案例的廣泛選擇。 此處顯示的示例僅代表了可用可能性的很小一部分。 有關(guān)使用Paraview的評估方法和教程的更多信息，可以直接在Paraview網(wǎng)站上找到[15]。


研究背景
2020年3月，奧地利技術(shù)公司Ecoplus Plastics和Mechatronics Cluster公布了他們的一項研究結(jié)果，內(nèi)容主要是關(guān)于將增材制造應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)現(xiàn)。兩年前，這兩家公司啟動了這項耗資210萬歐元的研究項目，稱為“增材制造的工業(yè)4.0”（AM 4 Industry）。

項目目的是使企業(yè)能夠在把增材制造引入生產(chǎn)領(lǐng)域時，做出更明智的決策。研究表明，增材制造技術(shù)能否成功應(yīng)用于工業(yè)，主要取決于幾大關(guān)鍵因素：
●質(zhì)量特征的定義以及設(shè)計
●3D打印工藝的發(fā)展
●可靠的生產(chǎn)過程監(jiān)控
●合適的后處理指南
●合適的成本效益模型

該報告一共包括五個細(xì)分報告：
●激光束熔化（LBM）增材制造缺陷研究
●增材制造設(shè)計非常重要
●增材制造中的設(shè)計與流程相關(guān)注意事項
●實施增材制造工藝之前，做好質(zhì)量優(yōu)化和成本分析
●應(yīng)用示例介紹OpenFoam®和chtMultiRegion

這項研究，南極熊認(rèn)為非常有價值，有利于激光熔化類的3D打印企業(yè)深入展開工業(yè)應(yīng)用，推動我國智能制造的發(fā)展。

本報告的翻譯，得到北京化工大學(xué)英藍(lán)實驗室  吳懷松、何其超、程月、王皓宇、張秀、劉俊豐等同學(xué)，和老師焦志偉的大力支持。正是由于這個也做3D打印相關(guān)研究的團(tuán)隊，付出了約1個月的時間和精力，本報告的中文版才得以問世。南極熊特此感謝！