[논문]Source 공개 코드 OpenFOAM 소개

박준권; 강관형

Source 공개 코드 OpenFOAM 소개
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박준권 (포항공과대학교 대학원 기계공학과) , 강관형 (포항공과대학교 기계공학과)

Recently, several open source codes for computational fluid dynamics (CFD) have been emerged and are spreading fast. Our group has chosen OpenFOAM as a platform to develop our own in-house code. In this paper, 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.

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문제 정의

이러한 유연성과 더불어 코드를 모두 공개함으로 인한 넓은 사용자층을 통한 잠재적인 오류의 교정 및 각 사용자들의 OpenFOAM의 개선에 대한 기여는 많은 상용 전산 유체역학프로그램 속에서도 살아남을 수 있는 OpenFOAM만의 경쟁력이 되었다. 또한 OpenFOAM 을 기반으로 한 독자적인 solver 개발에 대한 한 예시로 본 연구그룹에서 수행한 레벨셋 기법을 이용한 자유계면 해석을 소개하였다.
우리는 본 논문을 통하여 본 연구실에서 OpenFOAM을 플랫폼으로 선택하는 과정에서 축적한 경험과 파악한 사실을 공유하여 유사한 상황의 연구자들에게 정보를 제공하고자 한다. 2장에서는 OpenFOAM의 주요 특징들을 살펴보고 3장에서는 상용 프로그램과의 경쟁력, 지속적인 발전 가능성에 대한 전망, 사용자층과 같은 OpenFOAM 외부 고려요소들에 대해서 살펴볼 것이다.

제안 방법

OpenFOAM의 표준 solver인 interFoam을 기반으로 유체의 유동을 해석하였으며, 레벨셋 기법을 추가하여 자유계면을 추적하였다. 레벨셋 기법은 무차원 레벨셋 함수@)의 등고선을 추적하여 유체의 계면을 모사하는 방법이다.
이러한 유연성을 활용하기 위하여 본 연구그룹은 최근 전산 유체역학 해석을 위한 플랫폼으로써 OpenFOAM을 선택하였으며, 여기에 레벨셋 기법(level set method)을 부가하여 자유 계면 문제를 해석할 수 있는 기반을 마련하였다. 이를 통해서 전기 습윤 문제에서 액적이 바닥면과 접하는 접촉선에 생성되는 접촉각 모델을 임의로 설정할 수 있었으며, 접촉각 모델을 구현할 수 있는 독자적인 알고리즘을 개발할 수 있었다[6].
이와 같이 구한 전기력을 사용하여 interFoam에 내재된 PISO(pressure implicit with splitting of operators) 알고리즘으로 유체 유동을 해석할 때 유체에 가해지는 힘으로 인가하였다. 이러한 전기력은 Fig.

이론/모형

OpenFOAMe 각종 프로그래밍에 있어 가장 널리 쓰이고 있는 프로그램 언어 중의 하나인 C++을 기반으로 프로그래밍되었다. C++은 객체지향 소프트웨어로 클래스라는 독립된 데이터 타입을 사용하여 문제를 풀게 되는데, 이러한 클래스들이 모여서 복잡한 문제를 풀 때 단일 프로그램으로 무거운 프로그램을 작성하는 것에 비해 버그가 발생할 가능성이 적다 [7].
레벨셋 기법은 무차원 레벨셋 함수@)의 등고선을 추적하여 유체의 계면을 모사하는 방법이다. 본 연구그룹에서는 Olsson 등[13]이 제안한 보존(conservative) 레벨셋 기법을 사용하여 질량 손실에 대한 문제 없이 레벨셋 함수를 이송하고(식 (2)) 초기화하였다(식 (3)).
액적의 초기 반지름은 1 mm이며 계산 영 역은 4 mm X 8 mm이다. 우선 leaky dielectric model[15]을 통해 액적 주변의 전기장을 해석하였으며 그 식은 다음과 같다.

성능/효과

우선 OpenFOAMe 이미 정확도나 연산 속도 다양한 분야의 표준 solver 구축 등 이미 상당히 높은 수준을 달성한 상태이다. Gel 등[11]이 현재 쓰이고 있는 오픈 소스 전산유체역학 프로그램들인 OpenFOAM, THlinos, SAMRAI, OVERTURE, PETSc, AMROC, ROCCOM을다양한 물리 현상의 표현, 수치적 기법, 프로그램 유지 및 보수성, 프로그램의 공개 정도에 대해서 비교, 평가하였으며, 그 결과 OpenFOAM 이 가장 뛰어나다고 결론지었다. 그리고 오픈소스의 특성상 문제점이나 새로운 요구가 있다면 OpenFOAM 을 바탕으로 일부를 수정할 것이다.

후속연구

Gel 등[11]이 현재 쓰이고 있는 오픈 소스 전산유체역학 프로그램들인 OpenFOAM, THlinos, SAMRAI, OVERTURE, PETSc, AMROC, ROCCOM을다양한 물리 현상의 표현, 수치적 기법, 프로그램 유지 및 보수성, 프로그램의 공개 정도에 대해서 비교, 평가하였으며, 그 결과 OpenFOAM 이 가장 뛰어나다고 결론지었다. 그리고 오픈소스의 특성상 문제점이나 새로운 요구가 있다면 OpenFOAM 을 바탕으로 일부를 수정할 것이다. 즉, 처음부터 새로운 프로그램을 만들 필요는 없다.
등장하여 그 사용자층을 넓혀가고 있다. 본 연구그룹은 그중 OpenFOAM을 전산유체역학 해석을 위한 플랫폼으로 선택하였고, 이를 바탕으로 독자적인 프로그램을 개발해 나가고 있다. OpenFOAMe 다양한 표준 solver들을 제공하고 있으며, solver의 수정 및 새로운 solver의 개발이 매우 자유롭다.
추후에 OpenFOAM 이 아닌 새로운 오픈 소스 소프트웨어에 의한 대체 가능성을 살펴볼 필요가 있다. 그러나 여기에 대한 가능성은 희박해 보인다.

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