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회전체 유동

팬(MRF)

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개요

본 예제는 정상상태 비압축성 유동해석 예제이다. 단순한 형상의 팬 내부에서 입펠러가 회전할 때 다중기준좌표계(Multiple Reference Frame, MRF)를 사용하여 유동을 예측하는 문제이다.

계산 조건은 다음과 같다.

솔버 : buoyantSimpleNFoam
난류 모델 : \(Standard\) \(k-\epsilon\) model
밀도 : 1.225 \(kg/m^3\)
점성 계수 : 1.79e-5 \(kg/ms\)
임펠러 회전 수 : 1,000 RPM
입구 유동 속도 : 10 \(m/s\)

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 [새 작업(New Case)]를 선택한다. 시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [압력기반(Pressure-based)]를, [다상유동 모델(Multiphase Model)]은 [None]을 선택한다.

격자는 주어진 polyMesh 폴더를 활용한다. 상단 탭에서 [파일(File)]-[격자 불러오기(Load Mesh)]-[OpenFOAM]을 순서대로 클릭하고 polyMesh 폴더를 선택한다.

기본조건(General)

모두 디폴트 조건을 사용한다.

모델(Models)

모두 디폴트 조건을 사용한다.

물질(Materials)

본 예제에서 작동 유체는 공기이다. 유체의 물성치는 디폴트 조건을 사용한다.

셀존 조건(Cell zone Conditions)

셀존 조건에서는 [다중기준좌표계], [미끄럼 격자], [생성항] 등을 설정할 수 있다. 본 예제에서는 rotating이라는 셀존에 다중기준좌표계(MRF) 조건을 사용한다.

[다중기준좌표계(Multiple Reference Frame, MRF)]를 선택하고 아래 값들을 입력한다.

회전속도(Rotating Speed) : 1000 (RPM)
회전축 중심(Rotation-Axis Origin) : (0 0 0)
회전축 방향(Rotation-Axis Direction) : (0 0 1)
셀존 안의 움직이지 않는 경계면(Static Boundary) : casing

경계조건(Boundary Conditions)

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

blade, casing
- 속도 조건(Velocity Condition) : No Slip

inlet : Velocity Inlet
- Velocity Specification Method : Magnitudde, Normal to Boundary
- Profile Type : Constant
- Velocity Magnitude : 10 (m/s)
- Turbulent Intensity : 1 (%)
- Turbulent Viscosity Ratio : 10

outlet : Pressure Outlet
- Total Pressure : 0 (Pa)

수치해석 기법(Numerical Conditions)

본 예제에서는 아래와 같이 설정을 변경한다.

Pressure-Velocity Coupling Scheme : SIMPLE
Discretization Scheme
- Pressure : Linear
- Momentum : Second Order Upwind
- Turbulence : Second Order Upwind
Under-Relaxation Factors
- Pressure : 0.3
- Momentum : 0.5
- Turbulence : 0.7
Convergence Criteria
- Pressure : 0.001
- Momentum : 0.001
- Turbulence : 0.001

초기화(Initialization)

모두 디폴트 값을 사용한다.

하단의 Initialize 버튼을 클릭한다. 그 후, File - Save 버튼을 클릭하여 case 파일을 저장한다.

계산

메뉴의 [병렬연산(Parallel)]-[환경설정(Environment)]를 클릭하고 원하는 코어수를 입력한다.

[계산 조건(Run Conditions)]에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

계산 회수(Number of Iterations) : 1000
자동 저장 간격(Save Interval) : 100

아래 그림은 계산이 종료된 상태의 Residuals 그래프이다.

||

후처리

Fan 내부의 압력 분포를 확인해본다. External tools의 paraivew 버튼을 클릭하여 paraview를 실행한다.

Case Type을 Decomposed Case로 변경한다.

Slice 기능을 활용하여 용기 내부의 단면을 자른다.

Z-normal 버튼을 클릭 후, Origin의 z 값에 0.01을 입력한다.

아래 그림과 같이 fan 내부 속도 분포가 나오게 된다.

Mixer(MRF)

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개요

본 예제는 다순한 형상의 믹서를 MRF를 이용하여 계산하는 예제이다. MRF 모델을 사용하면 정상상태 계산을 할 수 있으며, 임펠러 날개 하나를 기준으로 회전 주기조건을 사용할 수 있어 계산 비용을 크게 줄일 수 있다.

계산 조건은 다음과 같다.

solver : buoyantSimpleNFoam (넥스트폼이 개발한 비압축성 유동 해석 솔버)
난류 모델 : \(Standard\) \(k-\epsilon\) model
밀도 : 1000 \(kg/m^3\)
점성 계수 : 0.001 \(kg/ms\)
프로펠러 회전 수 : 100 RPM

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 launcher에서 ‘New’를 선택한다. Launcher에서 ‘Solver Type’은 Pressure-based를, ‘Multiphase Model’은 None, ‘Species’는 Not Include를 선택한다.

격자는 주어진 polyMesh 폴더를 활용한다. 상단 탭에서 File - Load Mesh - OpenFOAM을 클릭하고 polyMesh 폴더를 선택한다.

기본조건(General)

모두 Default를 사용한다.

모델(Models)

모두 Default를 사용한다.

물질(Materials)

Name을 water로 변경하고 Density는 1000, viscosity는 0.001을 입력한다.

셀존 조건(Cell zone Conditions)

'cellZone'에 Multiple Reference Frame, MRF를 선택하고 아래 값들을 입력한다.

Multiple Reference Frame
- Rotating Speed : 100(RPM)
- Rotation-Axis Origin : (0 0 0)
- Rotation-Axis Direction : (0 0 1)
- Static Boundary : periodic1, periodic2

경계조건(Boundary Conditions)

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

periodic1, periodic2 : Interface - Rotational Periodic
- periodic1 : Rotational Periodic으로 변경 후, Coupled Boundary는 periodic2 선택. Rotation-Axis Origin은 (0 0 0), Rotation-Axis Direction은 (0 0 1)을 입력

impeller, impeller_slave : Thermo-Coupled Wall
- impeller : Thermo-Coupled Wall로 변경 후, Coupled Boundary는 impeller_slave를 선택
wall, hub, hub_rot : Wall
- 속도 조건(속도 조건(Velocity Condition)) : noSlip
top : symmetry

수치해석 기법(Numerical Conditions)

모두 Default를 사용한다.

초기화(Initialization)

모두 Default를 사용한다.

계산

Run Conditions에서 Number of Iteration을 3000으로 설정하고 계산을 진행한다.

시로코팬(Sliding mesh)

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개요

본 예제는 비정상상태 비압축성 유동해석 예제이다. 시로코팬 내부에서 입펠러가 회전할 때 내부의 유동을 예측하는 문제이다.

다중기준좌표계(MRF) 방법을 사용해서 정상상태 해석을 하고, 이 결과를 초기조건으로 미끄럼 격자(sliding mesh) 방법으로 비정상상태 계산을 한다.

계산 조건은 다음과 같다.

솔버 : buoyantPimpleNFoam
난류 모델 : \(Standard\) \(k-\epsilon\) model
밀도 : 1.225 \(kg/m^3\)
점성 계수 : 1.79e-5 \(kg/ms\)
임펠러 회전 수 : 2,000 RPM

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 [새 작업(New Case)]를 선택한다. 시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [압력기반(Pressure-based)]를, [다상유동 모델(Multiphase Model)]은 [None]을 선택한다.

격자

격자는 fluent 격자를 변환하여 사용한다.

메뉴에서 [File]-[Load Mesh]-[Fluent(ASCII)]를 선택하면 파일 선택창이 열린다. 다운로드한 siroccofan.msh 파일을 선택하면 아래와 같은 창이 열린다.

이 격자는 fluid와 rotating이라는 두 개의 셀존을 갖고 있다. 이 두개의 셀존과 region1, region2라는 두 개의 영역(region)이 표시되어 있다. region2 오른쪽의 (+) 아이콘을 누르면 영역이 추가된다. 다중영역 격자로 변환하기 위한 옵션이다. 이 문제는 다중영역 문제가 아니기 때문에 두 셀존 모두 region1으로 두면 된다. region2 아래의 휴지통 아이콘을 눌러 region2를 삭제해도 된다.

정상상태 계산

기본조건(General)

[시간(Time)]은 [정상상태(Steady)], [중력(Gravity)]는 (0 0 0), [작동 조건(Operating Conditions)]는 101325를 사용한다.

모델(Models)

난류 모델은 \(Standard\) \(k-\epsilon\) 모델을 사용한다.

물질(Materials)

본 예제에서 작동 유체는 공기이다. 유체의 물성치는 Default 조건을 사용한다.

셀존 조건(Cell zone Conditions)

셀존 조건에서 rotating을 더블 클릭하면 새로운 창이 열린다. [다중기준좌표계(MUltiple Reference Frame, MRF)]를 선택하고 아래 값들을 입력한다.

회전속도(Rotating Speed) : 2,000 (RPM)
회전축 중심(Rotation-Axis Origin) : (0, 0, 0)
회전축 방향(Rotation-Axis Direction) : (0, 0, 1)
셀존 안의 움직이지 않는 경계면(Static Boundary) : interface-rotating, interface-stat
- MRF를 사용할 셀존에 있는 경계면들 중 회전하지 않는 면들을 선택해 준다. 두 개의 인터페이스 면들 중 하나는 해당 셀존에 있고 나머지는 바깥에 있다. 보통은 어느 것이 해당되는지 알기 어렵기 때문에 두 개를 모두 선택하면 된다. 해당 셀존 밖에 있는 경계면이 포함되어도 문제되지 않는다.

경계조건(Boundary Conditions)

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

interface-stat, interface-rotating : 내부 인터페이스(Internal Interface)
- interface-stat : 내부 인터페이스(Internal Interface)로 변경 후, 연결된 경계면(Coupled Boundary)는 interface-rotating 선택

axis : Wall
- 속도 조건(Velocity Condition) : 회전속도(Rotational Moving Wall)
- 회전속도(Speed) : 2000 (RPM)
- 회전축 중심(Rotation-Axis Origin) : 0 0 0
- 회전축 방향(Rotation-Axis Direction) : 0 0 1

axis-r, blades, externalwalls, walls : 벽면(Wall)
- 속도 조건(Velocity Condition) : 정지(No Slip)

inlet : 입구 속도(Velocity Inlet)
- 속도 크기(Velocity Magnitude) : 1 (m/s)
- 난류 강도(Turbulent Intensity) : 1 (%)
- 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 10

outlet : 출구 압력(Pressure Outlet)
- 압력(Pressure) : 0 (Pa)

수치해석 기법(Numerical Conditions)

디폴트 조건을 사용한다.

초기화(Initialization)

모두 디폴트 값을 사용한다.

값을 입력하고 하단의 [초기화(Initialize)] 버튼을 클릭한다. 그 후, 메뉴의 [파일(File)]-[저장(Save)] 버튼을 클릭하여 저장한다.

계산

메뉴의 [병렬연산(Parallel)]-[환경설정(Environment)]를 클릭하고 원하는 코어수를 입력한다.

[계산 조건(Run Conditions)]은 다음과 같이 설정하고 [계산시작(Start Calculation)] 버튼을 누르면 계산이 시작된다.

[계산회수(Number of Iterations)] : 1000
[자동 저장 간격(Save Interval)] : 100

유동이 비정상상태이기 때문에 잔차(residual)이 수렴하지는 않지만, 비정상상태 계산을 위한 초기조건으로는 사용하기에 문제는 없다.

비정상상태 계산

기본조건(General)

[시간(Time)]을 [비정상상태(Transient)]로 바꾼다. 다음과 같은 창이 나타난다. 정상상태 계산 결과를 비정상상태 계산의 초기조건으로 사용할 것인지를 묻는다. [Yes]를 선택하면 마지막으로 저장된 데이터가 초기조건으로 설정되고, 시간 0부터 계산이 시작된다.

셀존 조건(Cell zone Conditions)

'rotating' 셀존의 조건을 [미끄럼 격자(Sliding Mesh)]로 바꾼다. [셀존 안의 움직이지 않는 경계면(Static Boundary)] 설정 부분은 사라진다.

경계조건(Boundary Conditions)

움직이는 벽면에 대한 경계조건을 다음과 같이 바꾸어 준다.

axis-r, blades : 벽면(Wall)
- 속도 조건(Velocity Condition) : 움직이는 벽(Moving Wall)

수치해석 기법(Numerical Conditions)

디폴트 조건을 사용한다.

계산

[계산 조건(Run Conditions)]은 다음과 같이 설정하고 [계산시작(Start Calculation)] 버튼을 누르면 계산이 시작된다.

시간 전진 기법(Time Stepping Method) : 일정(Fixed)
시간 전진 간격(Time Step Size) : 0.0001
종료 시간(End Time) : 0.3

계산이 시작되면 아래와 같이 잔차(residual)과 유체력 계수의 그래프가 그려진다.

후처리

팬 내부의 압력 분포를 확인해본다. 메뉴에서 [외부 프로그램(External tools)]-[ParaView] 버튼을 클릭해서 ParaView를 실행한다.

병렬연산이면 [Case Type]을 [Decomposed Case]로 변경한다.

[Slice] 기능을 활용하여 용기 내부의 단면을 자른다. [Z-normal] 버튼을 클릭 후, [Origin]을 다음과 같이 변경한다.

Origin : (0.06 -0.017 0.05)
Normal : (0 0 1)

아래 그림과 같이 팬 내부 속도 분포가 그려진다.

프로펠러

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개요

본 예제는 OpenFOAM의 pimpleFoam tutorial에 있는 propeller 문제를 BaramFlow로 계산하는 예제이다. [미끄럼 격자(Sliding mesh)] 기법을 사용하여 프로펠러의 회전에 따른 유동을 예측하는 문제이다.

계산 조건은 다음과 같다.

솔버 : buoyantPimpleNFoam
난류 모델 : \(Realizable\) \(k-\epsilon\) model
밀도 : 1000 \(kg/m^3\)
점성 계수 : 0.001 \(kg/ms\)
프로펠러 회전 수 : 1432 \(RPM\)
입구 속도 : 5 \(m/s\)

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 [새 작업(New Case)]를 선택한다. 시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [압력기반(Pressure-based)]를, [다상유동 모델(Multiphase Model)]은 [None]을 선택한다.

격자는 주어진 polyMesh 폴더를 활용한다. 상단 탭에서 [파일(File)]-[격자 불러오기(Load Mesh)]-[OpenFOAM]을 순서대로 클릭하고 polyMesh 폴더를 선택한다.

기본조건(General)

[시간(Time)]을 [비정상상태(Transient)]로 변경한다. 나머지는 디폴트를 사용한다.

모델(Models)

난류 모델은 \(Realizable\) \(k-\epsilon\) 모델을 사용하고 [벽함수 옵션(Near-Wall Treatment)]는 [two layer 모델(Enhanced Wall Treatment)]를 선택한다. 나머지는 디폴트 조건을 사용한다.

물질(Materials)

이름을 water로 변경하고 밀도(Density)는 1000, 점성계수(viscosity)는 0.001을 입력한다.

셀존 조건(Cell zone Conditions)

셀존 조건에서는 [다중기준좌표계], [미끄럼 격자], [생성항] 등을 설정할 수 있다.

본 예제에서는 cellZone에 [미끄럼 격자(Sliding Mesh)] 조건을 설정한다.

회전속도(Rotating Speed) : 1432 (RPM)
회전축 중심(Rotation-Axis Origin) : (0 0 0)
회전축 방향(Rotation-Axis Direction) : (-1 0 0)

경계조건(Boundary Conditions)

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

cellZone_surface, cellZone_surface_slave : 내부 인터페이스(Internal Interface)
- cellZone_surface : 내부 인터페이스로 변경 후, 연결된 벽면(Coupled Boundary)는 cellZone_surface_slave 선택

propeller, propellerStem : 벽면(Wall)
- 속도 조건(Velocity Condition) : 움직이는 벽(Moving Wall)
far_surface : 벽면(Wall)
- 속도 조건(Velocity Condition) : 미끄럼 벽(Slip)
inlet : 입구 속도(Velocity Inlet)
- 속도 크기(Velocity Magnitude) : 5 (m/s)
- 난류 강도(Turbulent Intensity) : 1 (%)
- 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 10

outlet : 출구 압력(Pressure Outlet)
- 압력(Pressure) : 0 (Pa)

수치해석 기법(Numerical Conditions)

[시간당 반복계산 회수(Max iterations per Time Step)]을 20, [압력보정 회수(Number of Correctors)]를 2로 설정한다. 나머지는 디폴트 조건을 사용한다.

초기화(Initialization)

X-속도는 5, [속도 크기(Scale of Velocity)]는 5, 나머지는 디폴트 값을 사용한다.

하단의 [초기화(Initialize)] 버튼을 클릭한다. 그 후, 메뉴의 [파일(File)]-[저장(Save)] 버튼을 클릭하여 저장한다.

계산

메뉴의 [병렬연산(Parallel)]-[환경설정(Environment)]를 클릭하고 원하는 코어수를 입력한다.

[계산 조건(Run Conditions)]은 다음과 같이 설정하고 [계산시작(Start Calculation)] 버튼을 누르면 계산이 시작된다.

시간 전진 기법(Time Stepping Method) : 일정(Fixed)
시간 전진 간격(Time Step Size) : 1e-5
종료 시간(End Time) : 0.1
자동 저장 간격(Save Interval) : 0.001

팬이 있는 실내 공간

개요

본 예제는 미끄럼 격자(sliding mesh)를 이용한 계산 예제이다.

실내에 100 RPM으로 회전하는 팬이 창을 통해 유동이 흐르는 간단한 문제이다.

계산 조건은 다음과 같다.

솔버 : buoyantSimpleNFoam
난류 모델 : \(Standard\) \(k-\epsilon\)
팬 회전 속도 : 100 RPM

프로그램의 구동 및 격자

BaramFlow 실행 후 [기존 계산 열기(Open)]을 선택하고 격자 생성 튜토리얼에서 만든 폴더를 선택한다(혹은 [새 계산(New Case)]를 선택하고 메뉴의 [파일(File)]-[격자불러오기(Load Mesh)]-[OpenFOAM]에서 [caseName]/case/constant 폴더를 선택한다).

시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [압력기반(Pressure-based)]를, [다상유동 모델(Multiphase Model)]은 [None]을 선택한다.

기본조건(General)

비정상상태 등온 단상유동 계산이다. [시간(Time)]은 [비정상상태(Transient)]로 설정한다.

모델(Models)

난류 모델은 Standard \(k-\epsilon\) 모델을 사용하고 나머지는 디폴트를 사용한다.

난류 모델 설정

물질(Materials)

본 예제의 작동유체는 공기이다. 디폴트 값을 사용한다.

셀존 조건(Cell zone Conditions)

AMI라는 셀존을 더블 클릭하면 설정 창이 열린다. [셀존 종류(Zone Type)]을 [미끄럼 격자(Sliding Mesh)]로 주고 다음과 같이 설정한다.

회전속도(Rotating Speed) : 100 RPM
회전축 중심(Rotation Axis Origin) : (-3 2 2.6)
회전축 방향(Rotation Axis Direction) : (0 0 1)

셀존 설정

경계조건(Boundary Conditions)

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

desk_surface_0, door, room : 벽면(Wall)
- 속도조건 : 정지(No Slip)

fan_surface_0 : 벽면(Wall)
- 속도조건 : 움직이는 벽(Moving Wall)

outlet : 출구 압력(Pressure Outlet)
- 압력(Pressure) = 0

AMI_surface_0, AMI_surface_0_slave : 내부 인터페이스(Internal Interface)

전체 설정을 완료하면 아래 그림과 같이 된다.

경계조건 설정

수치해석 기법(Numerical Conditions)

본 예제에서는 아래와 같이 설정을 변경한다.

압력-속도 연성기법(Pressure-Velocity coupling) : SIMPLE
운동량방정식 계산(Use Momentum Predictor) : On
이산화 기법(Discretization)
- 시간 : 1차 음해법(First Order Implicit)
- 압력 : Linear
- 운동량 : 2차 상류기법(Second Order Upwind)
- 난류 : 1차 상류기법(First Order Upwind)
완화계수(Relaxation factors) : 모두 1로 설정
시간당 반복계산 회수(Max iterations per Time Step) : 3
압력보정 회수(Number of Correctors) : 1

수치해석 조건 설정

초기화(Initialization)

초기값은 디폴트 값을 그대로 사용한다.

하단의 [초기화(Initialize)] 버튼을 클릭한다. 그 후, 메뉴의 [파일(File)]-[저장(Save)] 버튼을 클릭하여 저장한다.

계산

[계산 조건(Run Conditions)]은 다음과 같이 설정하고 [계산시작(Start Calculation)] 버튼을 누르면 계산이 시작된다.

시간 전진 기법(Time Stepping Method) : 적응시간기법(Adaptive)
Courant Number : 1
종료 시간(EndTime) : 1
자동 저장 간격(Save Interval) : 0.02

계산이 시작되면 아래와 같이 잔차(residual) 그래프가 그려진다.