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문제 정의
- OpenFOAM의 객체라이브러리는 원자로내부유동 해석과 같은 고도의 정밀도가 요구되는 해석에 필요한 모델의 개발을 전문 해석프로그램개발로 연계시켜 모델 개발과 동시에 실제 해석에 활용할 수 있는 코드로 판단되어 이 연구에서는 관련분야 전문해석프로그램 개발에 앞서 OpenFOAM 해석결과의 정밀도를 평가하는 것에 그 목적을 두고 있으며 이는 무엇보다 먼저 선행되어야 할 연구다.
제안 방법
- 비압축성 유동해석에 이용되고 있는 OpenFOAM의 세 개 어플리케이션 중 simpleFoam은 정상상태 유동해석을 위한 것으로, 이를 이용하여 2차원 및 3차원 후향계단의 층류유동을 해석하였다. 해석결과로부터 레이놀즈수의 변화에 따른 재부착 영역의 길이를 측정하였으며 이를 기존의 실험 및 해석결과와 비교를 통해 층류유동해석의 정밀도를 평가하였다.
- 비정상상태 해석에는 수렴성을 제어하는 CFL수를 일정하게 유지하면서 시간간격을 극대화하는 pimpleFoam을 이용하여 실린더주위의 유동을 해석하였다. 이 유동은 레이놀즈수가 증가함에 따라 후류에 나타나는 유동특성을 중심으로 레이놀즈수의 구간별 특성이 잘 기술되어 있어 이 연구에서는 레이놀즈수가 50 이하인 유동과 50~350 사이의 유동에서는 후류에 나타나는 재부착길이 변화와 레이놀즈수의 증가에 따른 후류의 유동특성을 정성적으로 평가하였다.
- 실린더의 직경을 기준으로 (40D, 20D, 4D)의 계산영역을 격자생성코드인 ICEMCFD를 이용하여 180만 개의 육면체 정렬격자를 구성하였으며 유동의 변화가 큰 실린더 벽 주위와 실린더 후류영역에 격자를 집중시켜 구성한 격자형상은 Fig. 6에서 보는 바와 같다. 해석에 적용한 경계조건은 Table 1에 나타낸 바와 같이 입구와 출구에 균일속도와 inletOutlet[1]조건을 적용하였으며 실린더 벽에는 점착조건을 그리고 나머지 다른 경계에는 대칭조건을 적용하였다.
- 13에서 보는 바와 같은 원형 제트유동 해석을 수행하였다. 여기서 노즐의 길이는 직경의 50배로 하여 균일한 속도로 유입되는 유동이 충분히 발달하도록 하였으며, 분사공간의 방사방향과 분사방향을 각각 노즐 직경의 80과 100배로 설정하였다. 이 해석영역에 육면체 격자240만 개를 구성하였으며 특히 제트가 분사되는 중심 영역에 격자를 집중시켰다.
- 5에서 보는 바와 같이 레이놀즈수 구간별 특성[7-9]을 기술하고 있다. 이 연구에서는 OpenFOAM의 난류유동해석 정밀도를 평가하기 위하여 유동해석 분야에서 일반적으로 많이 적용되고 있는 표준k-∊모델과 Smagorinsky-LES모델을 적용하여 원형실린더 주위 유동해석을 수행하여 그 결과를 기존에 기술된 레이놀즈수 구간별 유동특성과 비교하여 해석 정밀도를 평가하였다.
- 이 연구에서는 OpenFOAM의 어플리케이션 중 비압축성 유체의 유동해석 어플리케이션인 simpleFoam, pisoFoam, pimpleFoam의 해석결과를 기존의 실험결과 및 상용코드의 해석결과와의 비교를 통해 그 정밀도를 평가하였다. 이를 위해서 보편적으로 정밀도 평가에 활용되고 있는 후향계단유동, 원형실린더 주위의 유동과 원형난류제트유동해석을 수행하였다.
- 이 연구에서는 pimpleFoam을 이용하여 원형난류제트 유동 해석의 정밀도 평가를 위해 Fig. 13에서 보는 바와 같은 원형 제트유동 해석을 수행하였다. 여기서 노즐의 길이는 직경의 50배로 하여 균일한 속도로 유입되는 유동이 충분히 발달하도록 하였으며, 분사공간의 방사방향과 분사방향을 각각 노즐 직경의 80과 100배로 설정하였다.
- 비정상상태 해석에는 수렴성을 제어하는 CFL수를 일정하게 유지하면서 시간간격을 극대화하는 pimpleFoam을 이용하여 실린더주위의 유동을 해석하였다. 이 유동은 레이놀즈수가 증가함에 따라 후류에 나타나는 유동특성을 중심으로 레이놀즈수의 구간별 특성이 잘 기술되어 있어 이 연구에서는 레이놀즈수가 50 이하인 유동과 50~350 사이의 유동에서는 후류에 나타나는 재부착길이 변화와 레이놀즈수의 증가에 따른 후류의 유동특성을 정성적으로 평가하였다. 그리고 Re=3000 인 난류유동은 pimpleFoam에 LES 모델을 적용하여 해석한 결과를 실린더표면의 압력분포와 후류에 나타난 흐름방향의 속도를 실험결과와 비교하여 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 이 연구에서는 OpenFOAM의 어플리케이션 중 비압축성 유체의 유동해석 어플리케이션인 simpleFoam, pisoFoam, pimpleFoam의 해석결과를 기존의 실험결과 및 상용코드의 해석결과와의 비교를 통해 그 정밀도를 평가하였다. 이를 위해서 보편적으로 정밀도 평가에 활용되고 있는 후향계단유동, 원형실린더 주위의 유동과 원형난류제트유동해석을 수행하였다.
- 비압축성 유동해석에 이용되고 있는 OpenFOAM의 세 개 어플리케이션 중 simpleFoam은 정상상태 유동해석을 위한 것으로, 이를 이용하여 2차원 및 3차원 후향계단의 층류유동을 해석하였다. 해석결과로부터 레이놀즈수의 변화에 따른 재부착 영역의 길이를 측정하였으며 이를 기존의 실험 및 해석결과와 비교를 통해 층류유동해석의 정밀도를 평가하였다.
- 6에서 보는 바와 같다. 해석에 적용한 경계조건은 Table 1에 나타낸 바와 같이 입구와 출구에 균일속도와 inletOutlet[1]조건을 적용하였으며 실린더 벽에는 점착조건을 그리고 나머지 다른 경계에는 대칭조건을 적용하였다.
대상 데이터
- simpleFoam을 이용하여 레이놀즈수가 100~800인 2차원과 3차원 정상상태의 층류해석을 수행하였으며 해석영역에 구성 한 격자수는 2차원의 경우 사각형격자 7831개이며 3차원의 경우는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 육면체격자 140000개를 구성하였다. Fig.
- 여기서 노즐의 길이는 직경의 50배로 하여 균일한 속도로 유입되는 유동이 충분히 발달하도록 하였으며, 분사공간의 방사방향과 분사방향을 각각 노즐 직경의 80과 100배로 설정하였다. 이 해석영역에 육면체 격자240만 개를 구성하였으며 특히 제트가 분사되는 중심 영역에 격자를 집중시켰다.
데이터처리
- Fig. 4는 레이놀즈수의 변화에 따른 재부착길이의 변화를 나타낸 그림으로, simpleFoam을 이용한 해석결과로부터 얻은 길이를 기존의 실험 및 해석결과와 비교하였다. simpleFoam의 2차원 해석결과로부터 얻은 재부착길이는 Armaly et al.
- Foam과 Fluent 해석에서 레이놀즈수는 모두 4000으로 고정하였으며 k-ε모델의 실험적 상수와 경계조건을 포함한 해석에 필요한 모든 입력 조건을 동일하게 설정하여 해석을 수행하였으며 이 두 해석 결과와 실험결과를 비교하여 해석 정밀도를 평가하였다.
- 비압축성 난류제트유동에 대해서는 pimpleFoam에 가장 보편적으로 이용되고 있는 k-∊ 난류모델을 적용하여 3차원 원형난류제트유동을 해석하였으며, 이 결과를 기존의 실험결과 및 Fluent해석 결과와 정량적으로 비교하였다. 특히 난류제트의 중심속도의 감쇠상수의 비교를 통해서 PISO법을 이용한 pimpleFoam에 k-∊모델을 적용한 난류제트유동 해석의 정밀도는 최대 85%가 되는 것으로 평가하였다.
성능/효과
- 이 유동은 레이놀즈수가 증가함에 따라 후류에 나타나는 유동특성을 중심으로 레이놀즈수의 구간별 특성이 잘 기술되어 있어 이 연구에서는 레이놀즈수가 50 이하인 유동과 50~350 사이의 유동에서는 후류에 나타나는 재부착길이 변화와 레이놀즈수의 증가에 따른 후류의 유동특성을 정성적으로 평가하였다. 그리고 Re=3000 인 난류유동은 pimpleFoam에 LES 모델을 적용하여 해석한 결과를 실린더표면의 압력분포와 후류에 나타난 흐름방향의 속도를 실험결과와 비교하여 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 비압축성 난류제트유동에 대해서는 pimpleFoam에 가장 보편적으로 이용되고 있는 k-∊ 난류모델을 적용하여 3차원 원형난류제트유동을 해석하였으며, 이 결과를 기존의 실험결과 및 Fluent해석 결과와 정량적으로 비교하였다. 특히 난류제트의 중심속도의 감쇠상수의 비교를 통해서 PISO법을 이용한 pimpleFoam에 k-∊모델을 적용한 난류제트유동 해석의 정밀도는 최대 85%가 되는 것으로 평가하였다.
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