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[국내논문] 표면장력 효과를 고려한 이상유동 해석법 개선에 관한 연구
Study on Improvement in Numerical Method for Two-phase Flows Including Surface Tension Effects 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.5 = no.114, 2013년, pp.70 - 76  

박일룡 (동의대학교 조선해양공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present paper proposes a coupled volume-of-fluid (VOF) and level-set (LS) method for simulating incompressible two-phase flows that include surface tension effects. The interface of two fluids and its motion are represented by a VOF method designed using high-resolution differencing schemes. Thi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • , 2007). 본 논문에서는 계면포착법 개념의 VOF법을 이용하고 유체 경계면의 법선벡터 및 곡률 계산의 정확도를 개선하기 위해 LS법을 직접적이고 보다 용이한 접근법으로 접목하는 새로운 수치 해석법을 소개한다. 본 방법은 복잡한 알고리즘이 필요한 엄밀한 연성(Coupling)은 피하고 타당한 정확도의 해를 얻으면서 계산의 효율을 높이는데 목적을 두고 있다.
  • 본 논문에서는 표면장력 영향을 고려한 비압축성 이상유동을 해석하기 위해 VOF법과 LS법을 접목한 새로운 수치기법을 소개하였다. 본 수치기법은 표면장력 계산에 필요한 유체 경계면의 법선 벡터와 곡률의 계산 정확도를 개선하기 위해 VOF법에서 얻어진 해를 초기조건으로 사용하여 LS법의 재초기화 방정식을 풀고 여기서 구한 부드러운 연속함수인 LS함수 분포를 이용한다.
  • 본 수치기법은 표면장력 계산에 필요한 유체 경계면의 법선 벡터와 곡률의 계산 정확도를 개선하기 위해 VOF법에서 얻어진 해를 초기조건으로 사용하여 LS법의 재초기화 방정식을 풀고 여기서 구한 부드러운 연속함수인 LS함수 분포를 이용한다. 본 논문의 접근법은 복잡한 알고리즘이 필요한 VOF법과 LS법 사이의 엄밀한 연성은 피하고 비교적 타당한 정확도의 해를 얻을 수 있는 계산의 효율에 목적을 두고 있다. 검증을 위해 두 가지 표면장력 계수 조건을 가지는 점성과 밀도 차이가큰 이상유동장 내 3차원 기포 상승 문제에 본 방법을 적용하였다.
  • 본 논문에서는 계면포착법 개념의 VOF법을 이용하고 유체 경계면의 법선벡터 및 곡률 계산의 정확도를 개선하기 위해 LS법을 직접적이고 보다 용이한 접근법으로 접목하는 새로운 수치 해석법을 소개한다. 본 방법은 복잡한 알고리즘이 필요한 엄밀한 연성(Coupling)은 피하고 타당한 정확도의 해를 얻으면서 계산의 효율을 높이는데 목적을 두고 있다. 수치해석 결과에서는 밀도차가 큰 유동장의 3차원 단일 기포 상승 문제를 다루고 격자 수렴성 검토 및 타 연구 결과와의 비교를 통해 본 수치 해석법의 정도를 검증하였다.
  • 표면장력의 영향은 지배방정식 (2)의 마지막 항 fσi에 고려되며 이어지는 절들을 통해 본 논문에서 사용된 수치모델과 이를 개선하기 위한 방법을 설명하였다.

가설 설정

  • , 1978). 초기 상태에서 기포는 매우 짧은 거리를 움직이는 것으로 가정하여 기포 내 압축성은 무시하였다. 유동장의 모든 경계면에서 벽면의 법선방향에 대한 유체의 비침투 조건(Free slip condition)을 부과하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
계면추적법에 대비된 다른 개념의 VOF법은? 한편으로, 이 계열의 방법들 중 2차 정도 이상의 기법들은 그 정확도에 대비되어 알고리즘이 복잡하기 때문에 다양한 격자에 대한 적용성 및 3차원 확장성이 상대적으로 어려운 것으로 알려져 있다(Ubbink and Issay 1999). 계면추적법에 대비된 다른 개념의 VOF법은 계면포착법(Interface capturing method)으로 분류되며 유체의 체적비율을 함수로 취급하고 이를 고차 차분법(High resolution differencing scheme)으로 추정하고 이송하는 방법이다. 이 접근법의 전략은 질량보존 특성을 만족하기 위해 사용하는 상류차분법(Upwind differencing scheme)과 정확한 유체 경계면 포착을 위해 도입하는 하류차분법(Downwind differencing scheme)을 적절한 방법으로 혼합하여 새로운 차분법을 개발하는 것이다.
VOF(Volume of fluid)법은 어떤 수치기법인가? 이상유동(Two-phase flow) 해석법으로서 VOF(Volume of fluid)법은 선박과 해양공학 분야의 관심 유동 현상인 조파(Wave making)문제 해석은 물론, 그린워터(Green water), 슬로싱(Sloshing), 슬래밍(Slamming) 등의 복잡한 비선형 자유수면 유동 해석에 있어 유용하고 신뢰할 만한 결과를 제공하는 수치기법들 중 하나로 평가되고 있다(Kim and Lee, 2002; Lee et al., 2007; Liu et al.
계면추적법(Interface tracking method)의 대표적인 방법은? 그 하나는 유체의 경계면을 주어진 체적 비율에 따라 기하학적으로 재구성(Geometric reconstruction)하는 알고리즘으로 재현하고 Lagrangian개념으로 그 움직임을 추적하는 계면추적법(Interface tracking method) 계열이다. 가장 잘 알려진 대표적인 방법으로 SLIC(Simple line interface calculation, Noh and Woodward, 1976), Hirt and Nichols(1981)의 VOF 그리고 PLIC(Piecewise line interface calculation, Young, 1987)이 있다. 이 후 비슷한 개념을 바탕으로 다수의 확장된 방법들이 개발되었으며 다소 최근에 개발된 고차 정도의 기법을 일례로 들자면 MOF(Moment of fluid, Ahn and Shashkov, 2009)법을 소개할 수 있다.
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참고문헌 (29)

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