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문제 정의
- 수행하고 있다. 본 연구는 차량의 공력 특성이 아니라 오픈폼이라는 코드의 성능에 대한 검증에 목적이 있다. 이에 따라 차량의 복잡한 형상을 어느 정도 단순화 시킨 모델을 사용하여 결과의 정확성과 병렬연산의 성능 등을 검토하였다.
제안 방법
- 등이 존재하여 매우 복잡한 형상이다. 본 연구에서는 차량 연결부와 대차부를 생략하였고 팬터그래프 하우징은 완전히 밀폐된 것으로 단순화하였다. 전체 열차 길이는 149m이며 Fig.
- 오픈 소스 CFD 코드인 오픈폼의 아음속 압축성유동에 대한 성능 검증을 실시하였다
- 유동의 입구는 일정 질량유량 조건(flowRateInletVelocity), 등온조건을 사용하였으며 출구는 일정 압력 조건을 사용하였다. 바닥면은 열차의 주행조건과 같은 속도로 움직이며 원방경계는 대칭경계조건을 사용하였다.
- 본 연구는 차량의 공력 특성이 아니라 오픈폼이라는 코드의 성능에 대한 검증에 목적이 있다. 이에 따라 차량의 복잡한 형상을 어느 정도 단순화 시킨 모델을 사용하여 결과의 정확성과 병렬연산의 성능 등을 검토하였다. 사전에 RAE2822 에어포일에 대하여 같은 속도 조건에 대한 테스트를 수행하여 계산 조건을 검증하였다.
- Fluent와 같은 상용코드의 내부 알고리즘에 대해 정확히 알 수 없기 때문에 기법상의 차이를 명확히 밝히기는 어려워 보인다. 추후 실험결과가 있는 문제에 대해 두 코드를 비교하고 오픈폼의 알고리즘에 대한 명확한 분석을 통해 원인을 밝히도록 하겠다
- 현재 버전에서 압축성 유동해석을 위한 솔버는 11개 정도가 제공되고 있으며 본 연구에서는 정상상태 저속 압축성 유동해석을 위한 솔버인 rhoSimpleFoam을 사용하였다.(2)
대상 데이터
- Fig. 2 에 본 연구에 사용된 계산 격자를 나타내었다 차량 표면의 격자는 삼각형 격자가 사용되었다. 형상의 변화가 적은 옆면이나 바닥 면 등은 150mm의 일정한 크기를 유지하고 있다.
- 자동차 외부유동 해석을 통해 비압축성 유동에 관한 성능 검증을 수행했으며 그 후속 작업으로 압축성 유동에 대한 검증 작업을 수행하고 있다. 그 첫 단계로 아음속 영역의 압축성유동에 대한 검증을 수행하였으며 검증 대상으로 마하수가 최고 0.4 정도인 차세대 고속열차를 선택하였다.
- 본 연구의 대상은 아음속 압축성유동 특성을 갖는 차세대 고속열차 이다. 차세대 고속열차의 최고속도는 400km/hr로 마하수 0.
- 3 에 나타나 있다. 사각형 경계층 격자와 삼각형 원방격자로 구성되어 있으며 전체격자수는 35, 892개이다.
- 본 연구에서는 차량 연결부와 대차부를 생략하였고 팬터그래프 하우징은 완전히 밀폐된 것으로 단순화하였다. 전체 열차 길이는 149m이며 Fig. 1에 해석용 모델의 형상을 나타내었다. 유동의 입출구는 열차길이의 2.
- 전두부의 스포일러 부근에서는 10mm까지 작아지도록 하였으며 인접한 격자와의 크기 차이가 20%를 넘지 않도록 제작되었다. 차량 표면에서의 경계층을 모사할 수 있도록 열차 표면에서 프리즘 격자를 사용하였다 표준벽함수를 사용하기 위해 표면에서 첫 번째 격자의 높이는 2mm 정도가 되며 프리즘 격자는 10층이다. 프리즘 격자 외부는 사면체 격자를 사용했으며 대칭조건을 사용하여 절반만 모델링 하였고 전체계산 격자는 370만개 정도 이다.
- 테스트에 사용한 장비는 각 노드마다 intel i7 4core CPU 하나가 있는 클러스터로 노드당 메모리는 6기가바이트이며 기가비트 네트워크를 사용한다.
- 차량 표면에서의 경계층을 모사할 수 있도록 열차 표면에서 프리즘 격자를 사용하였다 표준벽함수를 사용하기 위해 표면에서 첫 번째 격자의 높이는 2mm 정도가 되며 프리즘 격자는 10층이다. 프리즘 격자 외부는 사면체 격자를 사용했으며 대칭조건을 사용하여 절반만 모델링 하였고 전체계산 격자는 370만개 정도 이다. 이 격자는 한국철도기술연구원의 차세대 고속열차 터널 주행 3차워 공력 영향 해석 연구에 사용된 격자이다(3) 격자의 최대 종횡비(aspect ratio)는 70 정도이며 최대 skewness는 0.
데이터처리
- 1 차와 2차 이산화 기법 각각에 대해 오픈폼의 계산 결과를 Fluent의 계산 결과와 비교하였다.
- 차세대고속열차의 공력 특성에 대한 실험 결과는 아직 없기 때문에계산 결과는 현재 국내에서 공력해석 용으로 많이 사용되는상용코드인 Ansys Inc.의 Fluent 코드의 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 2차 upwind 이산화 기법을 사용할 때 안정성의 문제로 우선 1차 upwind 이산화 기법을 사용하여 해를 수렴 시킨 다음 운동량 방정식을 2차 upwind 기법으로 바꾸어 계산하였다. 1 차와 2차 이산화 기법 각각에 대해 오픈폼의 계산 결과를 Fluent의 계산 결과와 비교하였다.
- 바닥면은 열차의 주행조건과 같은 속도로 움직이며 원방경계는 대칭경계조건을 사용하였다. 공기의 밀도는 이상기체방정식을 사용하였으며 점성계수는 상수로 주었다. 솔버는 OpenFOAM 1.
- 정상상태에 대한 계산이며 이산화기법은 1차 upwind (Gauss upwind) 와 2차 upwind(Gauss linearUpwind) 두 가지 조건에 대해 계산하였다 난류모델은 standard k-epsilon 모델과 표준벽함수를 사용하였다
성능/효과
- 계산의 초기 단계에서 안정성을 위해 완화계수를 낮은 값으로 설정한 다음 어느 정도 안정화 된 후 다시 완화계수를늘려 주고 계산하였을 때 안정되게 수렴된 해를 얻을 수 있었다. Fig.
- 계산이 진행되는 중에 각 코어별로 할당된 영역의 결과들을 ParaView를 통해 확인할 수 있으나, 전체 결과를 확인하기 위해서는 흩어진 영역들을 다시 모아야 하는 번거로움이 있어 상용코드에 비해 사용상에 불편함이 있다. 계산이 완료된 후에도 흩어진 영역들을 다시 모아서 후처리 작업을 해야 하는 번거로움이 있는데 본 연구에서와 같이 정상상태 문제에서는 큰 문제가 되지 않지만 비정상상태 해석의 경우 이 과정에서 상당한 시간이 소비되기 때문에 이 문제에 대한 해결방안이 필요하다고 판단된다.
- 그러나 4개에서 8개가 될 때가 속성능이 많이 줄어드는 현상이 나타났지만 16개 코어까지는 전반적으로 Fluent와 같은 수준의 병렬연산 성능을 나타내고 있다. 그러나 각 노드에 분산되어 있는 코어들을 어떻게 조합하느냐에 따라 오픈폼의 병렬성능은 조금씩 차이가 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. Fluent 역시 그에 따라 성능의 차이를 보이고 있으나 차이의 정도는 오픈폼이 크게 나타난다.
- 오픈폼은 병렬연산을 위한 격자 분할 방식으로 simple, hierachical, scotch, metic, manual 등의 방식을 제공한다. 본 연구에서는 metis 방식을사용하였으며 분할할영역의 개수만 지정해 주고 decomposePar 유틸리티를 사용하면 자동으로 격자를 분할해 준다 격자를 분할하는데 사용되는 시간은 상용 프로그램과 큰 차이는 없었다. 병렬연산 테스트는 16 core 까지 수행하였으며 그 결과는 Fig.
- 상용프로그램을 사용해서 제작된 격자의 변환, 병렬연산을 위한 계산영역 분할 등 계산 전에 필요한 작업들은 안정적으로 수행되었으며 한 번의 완화계수 조정을 통해 안정적인 수렴 특성을 확인할 수 있었다.
- 그러나 2차 이산화 기법을 사용한 경우점성저항과 압력저항 모두에서 차이가 나타나 전체 저항은 4% 정도의 차이를 나타내고 있다. 철도차량에서 양력은 저항에 비해 상대적으로 매우 작은 값을 갖는데 양력의 결과도 저항의 결과와 같이 1차 이산화 기법은 매우 잘 일치하지만 2차 이산화 기법을 사용할 때는 저항과 비슷한 수준의 차이를 나타내었다.
- 7 에서 Ratinge 24시간 동안 가능한 반복계산 회수를 의미한다. 코어를 4개까지 사용할 때 가속 성능(speed-up)은 매우 뛰어난 것으로 확인되었다. 그러나 4개에서 8개가 될 때가 속성능이 많이 줄어드는 현상이 나타났지만 16개 코어까지는 전반적으로 Fluent와 같은 수준의 병렬연산 성능을 나타내고 있다.
후속연구
- 상용코드에 비해 사용상에 불편함이 있다. 계산이 완료된 후에도 흩어진 영역들을 다시 모아서 후처리 작업을 해야 하는 번거로움이 있는데 본 연구에서와 같이 정상상태 문제에서는 큰 문제가 되지 않지만 비정상상태 해석의 경우 이 과정에서 상당한 시간이 소비되기 때문에 이 문제에 대한 해결방안이 필요하다고 판단된다.
- 판단된다. 앞으로 초음속유동 영역의 압축성 유동, 다상유동, 화학반응 유동에 대한 검증 작업을 계속 진행할 계획이다
- 이런 문제를 해결하기 위해 당사에서는 단계적으로 여러가지 문제들에 대한 검증 작업을 수행하고 있다. 자동차 외부유동 해석을 통해 비압축성 유동에 관한 성능 검증을 수행했으며 그 후속 작업으로 압축성 유동에 대한 검증 작업을 수행하고 있다. 그 첫 단계로 아음속 영역의 압축성유동에 대한 검증을 수행하였으며 검증 대상으로 마하수가 최고 0.
- 코드 자체의 특성인지 코드에 대한 이해의 부족 때문인지 아직 정확히 밝힐 수 없었다. 추후 실험결과가 있는 문제에 대한 검증 작업을 통해 보다 명확히 밝힐 수 있도록 하겠다.
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