[논문]Source 공개 코드 OpenFOAM에 대한 리뷰

박준권; 강관형

[국내논문] Source 공개 코드 OpenFOAM에 대한 리뷰
REVIEW ON OPENFOAM - AN OPEN SOURCE SOFTWARE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.15 no.3 = no.50, 2010년, pp.46 - 53

박준권 (포항공과대학교 대학원 기계공학과) , 강관형 (포항공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, several open source codes for computational fluid dynamics (CFD) have been introduced and are spreading fast. Our group has chosen the OpenFOAM as a platform to develop our own in-house code. In this brief review, we would like to share the information on the codes and what we have experienced so far. We introduce several features of OpenFOAM, which include the performance compared with commercial packages, estimation for current user population, and our own prospect for future improvement in performance and growth in user population. In addition, we briefly introduce our experience gained in embedding the level set method into the OpenFOAM.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

저자들은 본 리뷰를 통하여 최근 국내외적으로 많은 주목을 받고 있는 OpenFOAM을 본 그룹에서 플랫폼으로 선택하는 과정에서 축적한 경험과 파악한 사실을 여러 연구자들과 공유하고자 한다. 다만, 일반적인 수치해석 전반에 대한 저자들의 지식 및 이해의 깊이의 한계로 인하여 본 리뷰에서는 각 상황에 따른 이산화기법이나 격자 생성 등과 같은 전산유체역학을 이루는 각 요소별로 엄밀한 평가를 수행하지는 못했고, 사용자 또는 개발자 입장에서 바라본 OpenFOAM이 갖는 전반적인 특징을 위주로 다소 일반적인 내용들을 소개하는데 제한을 두고 있음을 먼저 밝힌다.
이러한 유연성과 더불어 코드를 모두 공개함으로 인한 넓은 사용자층을 통한 잠재적인 오류의 교정 및 각 사용자들의 OpenFOAM의 개선에 대한 기여는 많은 상용 전산유체역학 프로그램 속에서도 살아남을 수 있는 OpenFOAM만의 경쟁력이 되었다. 또한 OpenFOAM을 기반으로 한 독자적인 solver 개발에 대한 한 예시로 본 연구그룹에서 수행한 레벨셋 기법을 이용한 자유계면 해석을 소개하였다.

제안 방법

OpenFOAM은 모든 코드를 공개하기 때문에 사용자는 기존 코드를 자유롭게 수정할 수 있는 유연성을 갖게 된다. 이러한 유연성을 활용하기 위하여 본 연구그룹은 최근 전산유체역학 해석을 위한 플랫폼으로써 OpenFOAM을 선택하였으며, 여기에 레벨셋 기법(level set method)을 부가하여 자유계면 문제를 해석할 수 있는 기반을 마련하였다. 이를 통해서 전기습윤 문제에서 액적이 바닥면과 접하는 접촉선에 생성되는 접촉각에 대한 모델을 임의로 설정할 수 있었으며, 이러한 접촉각 모델을 구현할 수 있는 독자적인 알고리즘을 개발할 수 있었다[7].
그리고 오픈 소스의 특성 상 많은 사람들에 의해서 검토되기 때문에 잠재적인 오류들 또한 교정될 가능성이 크다. OpenFOAM의 정확도와 관련된 또 다른 예로 최근 Audi에서 자동차의 공력저항을 예측하기 위하여 OpenFOAM을 기반으로 전용 프로그램을 개발하였으며, 프로그램 검증을 위하여 여러 자동차 모델에 대해 적용하여 수치해석한 결과와 풍동에서의 실험 결과를 비교하였는데 실험과 수치해석이 상당히 잘 일치하였다[15,16].
OpenFOAM의 표준 solver인 interFoam을 기반으로 유체의 유동을 해석하였으며, 레벨셋 기법을 추가하여 자유계면을 추적하였다. 레벨셋 기법은 무차원 레벨셋 함수(φ)의 등고선을 추적하여 유체의 계면을 모사하는 방법이다.
레벨셋 기법은 무차원 레벨셋 함수(φ)의 등고선을 추적하여 유체의 계면을 모사하는 방법이다. 본 연구그룹에서는 Olsson 등[45]이 제안한 보존(conservative) 레벨셋 기법을 사용하여 질량 손실에 대한 문제를 최소화하며 레벨셋 함수를 이송하고(식 (2)) 초기화하였다(식 (3)).
이와 같이 구한 전기력을 사용하여 interFoam에 내재된 PISO(pressure implicit with splitting of operators) 알고리즘으로 유체 유동을 해석할 때 유체에 가해지는 체적력(body force)으로 인가하였다. 이러한 전기력은 Fig.

이론/모형

액적의 초기 반지름은 1 mm이며 계산 영역은 4 mm⨯8 mm이다. 우선 leaky dielectric model[47]을 통해 액적 주변의 전기장을 해석하였으며 그 식은 다음과 같다.

성능/효과

우선 OpenFOAM은 이미 정확도나 연산 속도, 다양한 분야의 표준 solver 구축 등 이미 상당히 높은 수준을 달성한 상태이다. Gel 등[43]이 현재 쓰이고 있는 오픈 소스 전산유체역학 프로그램들인 OpenFOAM, Trilinos, SAMRAI, OVERTURE, PETSc, AMROC, ROCCOM을 다양한 물리 현상의 표현, 수치적 기법, 프로그램 유지 및 보수성, 프로그램의 공개 정도라는 기준으로 각각 비교, 평가하였으며, 그 결과 OpenFOAM이 가장 뛰어나다고 결론지었다. 그리고 오픈 소스의 특성상 문제점이나 새로운 요구가 있다면 OpenFOAM을 바탕으로 일부를 수정할 수 있기 때문에 처음부터 새로운 프로그램을 만들어서 대체할 필요는 없다.
그 결과 고정된 접촉각 모델의 한계로 액적은 다소 과장된 진동을 나타내었다. 본 연구 그룹에서는 OpenFOAM을 기반으로 수치해석 프로그램을 개발하였으며 접촉각 모델을 다양하게 설정함으로써 전기습윤 현상의 해석에 관한 상용 프로그램을 사용한 기존의 연구를 보다 개선할 수 있었다. Fig.

후속연구

한편 OpenFOAM을 숙달하기 위해서는 상대적으로 상당한 시간과 노력이 소요되므로 향후에 새로운 오픈 소스 소프트웨어에 의해 OpenFOAM이 대체될 가능성을 살펴볼 필요가 있다. 그러나 여기에 대한 가능성은 희박해 보인다.
근래 전산유체역학 분야에서는 여러 오픈 소스 소프트웨어가 등장하여 그 사용자층을 넓혀가고 있다. 본 연구그룹은 그 중 OpenFOAM을 전산유체역학 해석을 위한 플랫폼으로 선택하였고, 이를 바탕으로 독자적인 프로그램을 개발해 나가고 있다. OpenFOAM은 다양한 표준 solver들을 제공하고 있으며, solver의 수정 및 새로운 solver의 개발이 매우 자유롭다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OpenFOAM에서 사용자는 기존 코드를 자유롭게 수정할 수 있는 유연성을 갖게되는 이유는?	OpenFOAM은 모든 코드를 공개하기 때문에 사용자는 기존 코드를 자유롭게 수정할 수 있는 유연성을 갖게 된다. 이러한 유연성을 활용하기 위하여 본 연구그룹은 최근 전산유체역학 해석을 위한 플랫폼으로써 OpenFOAM을 선택하였으며, 여기에 레벨셋 기법(level set method)을 부가하여 자유계면 문제를 해석할 수 있는 기반을 마련하였다.
	OpenFOAM은 무엇인가?	OpenFOAM은 영국의 OpenCFD사에서 개발한 전산유체역학 프로그램이다. 처음에는 FOAM(field operation and manipulation)이란 이름으로 유료로 배포되었으나, 2004년 OpenFOAM이란 이름으로 오픈 소스 소프트웨어로 변경되어 무상으로 배포되었다.
	사용자 편의성 측면에서의 OpenFOAM 단점은 무엇인가?	OpenFOAM은 유닉스(unix)와 리눅스 환경에서만 실행이 가능하다. 마이크로 소프트사의 윈도우와 호환이 안 된다는 점은 사용자의 편의성 측면에서는 단점이나, 안정성 측면에서는 유닉스와 리눅스가 윈도우 계열보다 뛰어나다고 알려져 있다. 또한 병렬 연산(parallel computing)을 지원하기 때문에 이를 이용하여 대용량 계산을 수행할 수 있다[38].

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