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第9章


第九章、FLOW-3D 铸造充填分析
FLOW-3D? v9.3

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? 可接受之图档格式 ? 网格建立 ? 成形條件設定 ? 成形材料选择 ? 指定物理量 – 充填模式 ? 模具材料选择 ? 边界条件定义 ? 初始条件设定 ? 输出资料 ? 数值选项设定 ? 执行充填分析 ? 常用的输出结果

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FLOW-3D 可接受之图档
? FLOW-3D 接受多种图档及网格格式,可从外 部绘图程式或其他 CAE 前处理器转入。不过 在预设的前处理器中,仅能直接读取 STL 格 式。其余格式必须以文字编辑器编辑 Prepin 档。 ? STL ? UNV ? Other meshes ? 操作

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STL(stereolithography )format
? 大部分的 CAD 都支持 STL 格式输出。STL 格式转出时, 实体图档会以三角形面完全包覆,转出格式则包含三角形 的三个点的座标,以及三角形的法线方向。所有的座标格 式均采用直角座标系 (Cartesian coordinate system)。

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STL 格式
? STL 档案是以?.stl?为副档名,STL格式是 以近似的外包曲面来代表物体的表面。STL 档案中包含一序列的面资料,每一个面资 料以一个单位法向量(Normal vector)以及 三个顶点(vertices)座标来表示。因此是 以 12 个数字来代表一个面。 ? STL 档案分为 Ascii 及 Binary 两种格式, Ascii 的 STL 档案只是为了让使用者可以看 出其格式并且进行编辑,但是档案格式较 大。由於 FLOW-3D 两种格式都可以接受, 建议生成格式采用 Binary 格式(Binary 格式 的 STL 档案较小)。 (x2,y2,z2)

(x1,y1,z1)
Normal Vector

(x3,y3,z3)

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I-DEAS Universal File
? FLOW-3D 也可接受从其他 CAD 或 CAE 产生之 tetrahedral 网格档,预设格式为 I-DEAS 的 Universal 格式(副档名为 .unv),由於读入的资料仅需四个 顶点的座标以及其关连性,因此即使是其他格式的 网格档,只要符合这个格式,就可以读取。 ? 如果要输入此类格式之网格档,必须以 notepad 编 辑 Prepin 档。 FIDEAS(L)=‘filename’. 预设档案名 称为 ?cadfnn.inp? ,nn 为数字. ? 转入之图档同样可以在 FLOW-3D 内进行平移/旋转 /缩放等设定。

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其他网格格式
? FLOW-3D 也支持由 ANSYS 转出之 Tetra Element 网格档,不过必须将档 案分为两部分,分别是座标档以及网 格关连档。 ? 在铸造领域设定时,建议使用者直接 以 STL 档作为分析档案格式。

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操作:从前处理器加入 STL 档

加入 STL 档,在FLOW-3D 没有限制 STL 档的数量, 如果需要加入多个 STL 档 ,可以重复加入.

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Geometry file(s) 几何图档设定

单位转换

变更类型
变更物体单位及 图档类型

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Unit 单位
? FLOW-3D 内定单位为 –SI(m, Kg, …) –CGS(cm, g, …) –ENGINEERING(英制) ? 由于大部分铸件绘图单位为 mm,因此在 FLOW-3D 读入图档时建议将单位转换至 CGS 制。 ? 1 mm = 0.1 cm,因此单位转换时 Global magnitude 必须填入 0.1。

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Component Type 物件类别

Solid

Hole

Complement
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网格基本设定

?Uniform Meshes

?Non-Uniform Meshes

? 使用时机:大部分状况,建议采用 Uniform Meshes。如果是 External Flow 的案例,再利用 Non-Uniform Meshes 减少网格数量

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建立网格

?网格的区域必须将 模穴的部分完全包 覆,但是在进料的 位置需要让模穴位 置稍微凸出网格范 围。

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以 FAVOR 检视网格建立状况
?在网格切割完成之後,可以用 FAVOR 检视在现有网格 数量设定下,是否能够完整的描述模型的外型。

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网格切割注意事项
? 网格切割的层数仅需描述几何外型,不需要生成三层以上的 网格(单层即可)。 ? 建议采用均一尺寸的网格。 ? 以 FAVOR 工具检视网格图档是否能完整描述原始图档。 ? 多网格区块设定可以在网格数量限制下更完整的描述图档。 但是网格区块不宜过多。充填分析建议不需要超过三个(固 化分析建议采用一个)。 ? 一般而言,网格区块最多不宜超过五个。 ? 如果采用多个网格区块,不要在流动复杂的位置做切割(尽 可能在流动单纯的位置进行切割)。 ? 不同网格区块的网格尺寸大小可以不同,但是尽量不要超过 两倍。 ? 如果要用多网格区块进行网格建立,尽可能采用 Linked Blocks。

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Multi-Mesh Block设定
? 有时候模型的造型以单一网格区块圈选时会浪费许多 的网格空间,而这些网格空间都会占用内存。 ? 因此,可以利用Multi-Mesh Block来建立网格;不过, 过多的网格区块会造成计算时间增长。建议网格区块 数量如下: –重力铸造:1 ~ 4个网格区块 –压力铸造:2 ~ 5个网格区块 ? V9.2以后的版本都支持Active Mesh的计算方式,大 部分的铸造案例建议采用单一Mesh Block即可(可以 减少Mesh Block之间的计算误差)

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分析條件設定
? FLOW-3D 可以指定分析停止的条件。分别是: –Finish Time(指定时间,时间到达时停止) –Fill Fraction(指定充填率,充填率到达指定值时 停止) –Solidified Fluid Fraction(指定固化率,固化率到 达指定值时停止) ? Finish Time 为最高判断原则,一旦到达 Finish Time, 程式会强迫停止。 ? 一般执行充填仿真时,会选用 Fill Fraction 作为程式 判断条件(在 Finish Time 填入较大的数值)。

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操作:指定分析条件
由于 Finish Time 到达时,程式也会停止计算;因此将此数值加大, 确保程式会以 Fill Fraction 作为停止条件

?指定分析停止条件 -> Fill Fraction ?Fill Fraction=1 -> 模穴填满率达 100%才停止

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成形材料选择
? FLOW-3D 内建材料库中,包含了大部分常用的金 属材料。使用者可以直接选用。 ? 如果材料库内的材料不足,可以利用新增材料的方 式建立自己的材料;另外,也可以编辑内建之材料。 ? FLOW-3D 是一套标准的计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics )软件,因此支持多 流体的计算方式。分析可以载入两种不同的材料以 进行两相流分析(铸造领域不会使用到此部分功 能)。

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FLOW-3D 內建材料之資訊

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FLOW-3D 内建材料之信息

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操作:选择成形材料

选择材料时必须 指定单位

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指定物理量 – 充填模式
? Air Entrainment 卷气 ? Defect Tracking 缺陷追踪 ? Density Evaluation 密度变化 ? Gravity 重力 ? Heat Transfer 热传 ? Solidification 固化 ? Viscosity and turbulence 黏度与紊流

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Air Entrainment
? 当流体处于自由液面流动时,表面紊流可能会将空气 卷入流体内,这种现象称为卷气(Air Entrainment)。 铸造过程中,卷气可能会造成缩孔的产生,以及铸件 表面或结构上的缺陷。 ? 仅开启卷气模型计算时,卷气计算并不会影响到原始 流体的流动模式(卷气量不大),如果卷气量大到足 以影响流场的运动模式,就必须开启Density Evaluation (密度变化模型) 以考虑卷气量对于流体密度的变化。 前者称为Passive计算;而后者则是称为Active计算。

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Air Entrainment models

? 填入表面张力系数并不 会启动表面张力模型计 算;不过会根据表面张 力系数大小计算流体表 面的力平衡,以决定卷 入的空气量。

? 在Active模式需要计算空气卷入量 对于流体密度的影响时,才需要 填入空气密度值。一般计算( Passive)不需要填入此数值。

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Defect Tracking
? 铸件的机械强度与铸造过程中生成的氧化膜、卷气,以及其他 在充填过程中夹杂于固体内之杂质息息相关。表面追踪模型 (The Surface Defect Tracking model)会记录金属液体与表面空 气接触的时间以及接触面,能够让使用者预测金属氧化膜的生 成位置以及集中区域。

?氧化膜追踪分析时,Oxide generation rate是一个相对值,因此 先将数值设定为1000。 ?在分析结果中在以后处理的方式 检查氧化膜的位置。

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Density Evaluation

? FLOW-3D 内的流体密度可以是其他变数的 函数,例如温度或是固化率。举例而言, 计算时可以考虑流体密度随着流体温度的 变化。

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Gravity
? FLOW-3D 内的重力方向是以卡式座标系定义。数 值可为 X, Y, Z 三方向之一,或者是以分量的方式 加以组合。 ? 如果流体运动过程中,重力方向会随着时间变化 (例如倾斜铸造 Tilt Casting),可以改用 NonInertial Reference Frame 加以定义。

重力单位为 CGS

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Heat Transfer
? 热传计算必须先启动内能计算,再决定热传形式。 ? FLOW-3D 预设之内能(internal Energy)计算方式 系采用 1st-order upwind differencing method 的内能 计算方程式,适用於大部分的应用案例。如果使用 者的流场形式需要较高的精度计算,例如浮力场 (buoyant flows )温度可能会随着流体密度变化的 状况,才需要开启二阶计算。

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Heat Transfer and Conduction in Components
? Uniform component temperatures ? 所有的物件会被当作是 Lumped temperature body (集总 温度物件,整个物件视为一均一温度之物件),物件内 部不计算温度传导(Density * Specific Heat 为 passive), 不过温度值可以在 Prepin 档内编辑,指定为随着时间变 化。 ? Non-uniform, constant temperature ? 物件内的温度不均一,但是仍然不会启动传导方程式计 算温度分布,因此物件的温度不会随着时间而改变。物 件的温度可以利用初始条件加以定义,或者是以 restart 接续已有结果计算。

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Heat Transfer and Conduction in Components

? Full energy equation ? 热传计算包含整个物件,因此固体部分的 Thermal Conductivity 和 Density*Specific Heat 都 必须填入数值,否则整个物件会被当作是固定 温度而不进行相关的计算。

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Heat transfer
? 为了缩短计算时间,使用者可以采 用 First order / Uniform component temperatures (此时假设模具温度为 等温,程序不计算模具内的温度分 布)

? FLOW-3D V9.2以后的版本针对此设 定以及未开启热传分析的专案会自 动启动Active Mesh设定,可大幅度 的缩短分析时间。

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Solidification
? 当启动固化模型(Solidification Model),以及指定 热传、比热以及热传导後,固化计算就可以进行。 ? 预设计算过程中,铸件的潜热(latent heat)会以线 性的方式从液态温度降低至固化温度;如果潜热释 放的状况较复杂,可以利用编辑 Specific Energy Tables (Fluids > Solidification Properties > Specific Energy Tables )的方式定义潜热释放为温度相关的 方程式。

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Solidification options

充填阶段仅需开启固化(程式 会考虑相变化造成的凝固)

? 单纯进行充填仿真时,仅需开启 Activate solidification,其余选项 维持初始设定即可。

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Viscosity and turbulence
? 黏度(Viscosity)是流体的一种性质,用来描述流体分子间相互运 动所产生的组抗。FLOW-3D支持牛顿流体(Newtonian Fluid)与 非牛顿流体(Non-Newtonian Fluid)之描述。 ? 紊流是流体的一种流动状况。当流速很低时,流体分层流动,互 不混合,称为层流(Laminar flow),逐渐增加流速,流场中的流 线会出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅会随着流速的增加而 增加;当流速很大时,流线不再清晰可辨,流场中会出现许多小 漩涡,称为紊流(Turbulence Flow)。 ? 层流与紊流的差别可以用雷诺述加以量话。雷诺数小时,黏滞力 对流场的影响大于惯性力;雷诺数越大,惯性力对流场的影响会 大于黏滞力。流態轉變時的雷諾數值稱為臨界雷諾數。一般管道 雷諾數 Re<2300 为层流状态,Re >4000 为乱流状态,Re= 2300~4000为过渡状态。

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Viscosity and turbulance
?压铸仿真时,流体的流动模式多半属于『 紊流』。

?在FLOW-3D内的『紊流模型』中,RNG Model 是最适合模拟压铸流动方式的紊流模 型。
?但是在采用RNG Model时,有下列几点要 注意: ?1.紊流计算时间耗费较久 ?2.网格的精密度必须增加(增加网格数量) ,所以分析时间也会随之增加

?因此,可以采用Eddy Viscosity 作分析,以 缩短分析时间。
? Turbulent mixing length 不需要填入数值。

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Eddy Viscosity Approach
?μeddy = rVL / 2000 ?μeddy = eddy viscosity ?V= average inlet speed ?r = density, ?L= ? average inlet width ?采用Eddy Viscosity模拟时,必须选 择『Laminar』层流。程序会根据流体 的入口速度及入口尺寸大小计算。 ?Eddy Viscosity Approach的分析时间 较RNG Model来的短,在一般压铸模 拟时多半采用此黏度模型。

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模具材料选择
? 模具材料的材质会影响热传递的速度以及模具温 度的分布。不同的材料其温度传递的速度也会不 同。 ? FLOW-3D 内建模具材料资料库,使用者也可以 自行编辑加入。 ? 需要苍集的资料包括了模具材料的密度、比热, 热传递系数,以及成形时的模具温度。

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操作:选择模具材料
? 选择 Tools/Solids Database

不同的成形金属对应不同 的模具材料,必须填入 不同的热传递系数

填入成形时的模具温度

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模具温度指定

? 如果已知模具温度,直接填入温度。 FLOW-3D 的温度单位为 K ,因此 必须把摄氏温度 + 273.15。 ? 大部分的压铸模具温度,会设定为 成形金属温度的 1/3 ± 25°。

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边界条件设定
? 边界条件代表浇注过程如何执行。FLOW-3D 支持压力边 界条件以及速度边界条件,浇注状况可设定与时间相关 (随着时间变化而调整压力或速度的大小)。 –高压铸造:一般以速度做为边界条件设定。 –低压铸造:一般以压力做为边界条件设定。 –重力铸造:一般以压力(大气压力)做为边界条件; 如果操作人员刻意减慢倾倒速度,可以根据大概的充 填时间换算成速度边界填入。 –倾斜铸造:一般以角速度与时间的变化直接于 NonInertial RF 内设定。

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压铸边界条件条件计算

? 如果使用者知道压铸机的充填速度,可 以直接换算成柱塞头的移动速度,当作 是边界条件。 ? 如果使用者不知道压铸机的充填速度, 可以改用一般设计常用的『建议内浇口 充填速度』换算成柱塞头的移动速度。

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内浇口充填速度推荐值
?单位:m/s

充填速度 铝合金
锌合金 镁合金

一般设定速 度 45
40 60

20-60
30-50 40-90

黄铜

20-50

30
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举例:模型如下
?进料位置面积A1:π/4 * 11^2 (直径约 11mm)

?内浇口位置 ?内浇口截面积A2约等于 3.8 mm X 0.4 mm

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计算进料速度
? A1*V1 = A2*V2 (V1 为边界条件之速度值)
? 进料位置面积 X 速度 = 内浇口总面积 X 内浇口『推荐速 度』:

一模 两穴

?V1 = 1.28 m/sec(估算)

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充填时间估算
? 物件总体积 = 进料速度 X 面积 X 时间:

单位换算成 mm/sec ?t = 0.04 sec(估算而得)
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Boundaries – Velocity
?可输入固定速度或者是随 着时间变化的速度条件 ?通过边界时是以均匀的速 度通过。

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Boundaries– Pressure
? 可输入固定压力或者是随着时间 变化的压力条件 ? 通过边界时是以均匀的压力通过

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Boundary-Velocity设定细节

成形温度

成形金属的温度( 650℃ = 923.15 K)

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初始条件设定
? FLOW-3D 可设定多项初始条件,但是在铸造 领域中,最重要的两项分别是模穴内的初始 空气压力以及初始空气温度。 ? 由於单位(CGS制)上的考量,压力必须经 过换算。一大气压 = 1.013 e6。温度部分则是 必须以 K 作为换算。摄氏单位必须加上 273.15 才是凯氏单位。举例而言,20 度的室 温 = 293.15 K。

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操作:设定初始条件

? Void 指的是空孔的区域。金 属未充填前,整个模穴的区 域为 Void。(即空气)

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输出设定
? FLOW-3D 的输出资料是以时间作为单位。如 果使用者没有指定输出时间,程式预设值会根 据填满百分比输出 10 张图片。建议使用者先大 概估算一下需要填满的时间,再设定输出图片 的时间间隔。 ? 如果时间间格设定太短,输出的资料量可能非 常大,使用者可以『指定』某些特别重要的物 理量以较短的间隔输出,其馀的则是以预设值 输出。

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Output
如果在此处填入时间间隔,例如 0.01,则每隔 0.01 秒所有的 资料都会纪录一笔
程式预设值每填满 10% 会 输出一张图 如果担心输出资料过 多,左侧的 Time interval内可以保持 空白,在此处填入 较短的时间间隔( 同时选取特定物理 量)。

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如果以 Selected data 输出

? 除了选择的四笔资料以 0.01 sec 的间隔输出资 料,其他的均以填满百分比 10% 的速度输出 (其余资料仅会输出 10 张)

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操作:输出资料设定

? 所有的资料都会以时间间隔 0.01 秒的方式记录,资料量 会增加许多。

?注:如果硬盘空间足够的话,可以改 以0.005或0.001秒输出一次结果(当产品 尺寸比较小时,模穴充填的速度非常快 ,0.01秒可能已经填满半个模穴);一 般设定为0.001秒输出一次比较恰当。

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数值设定
? FLOW-3D 的数值设定会影响分 析的时间。此处建议使用者按 照第七章进行设定以及选择 (案例中的设定是一般应用于 铸造领域的设定方式)。 ? 各项数据的调整对于分析结果 的影响可以叁考原厂使用者手 册。

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操作:数值条件设定

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执行充填分析

? 按照前述顺序完成设定后,先以 『Preprocess Simulation』检查分析模 型设定是否有问题,再执行『Run Simulate』分析。 ? 由于FLOW-3D资料量较大,使用者 于分析前请先确认硬盘空间足够。

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Preprocess Simulation

? Total cells:2095018 Active cells:70567 ? 模型总网格数量为 2095018 ,流体实际通过的网格数量 为 70567 。

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Run simulation

? Preprocess Simulation 没有问题後,直接执 行 Run Simulate 启动分析

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常用的输出结果
? 压力结果:判断成形时流体主要发生高压时
的时间点及区域

? 温度结果:判断成形时流体高温区的位置
? 氧化膜追踪:判断成形品氧化膜及冷接痕等

缺陷位置

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常用的输出结果
压力结果输出

温度结果输出

氧化膜结果输出

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检视Air Entrainment 的结果

?如果有启动Air Entrainment模型,就可以在结 果选项中找到『vol. fraction of entrained air』。

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?谢谢!

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