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화학종 혼합

덕트 내부 혼합

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개요

본 예제는 비정상상태 화학종 혼합 해석 예제이다. 두 개의 입구가 있는 2차원 덕트의 위쪽 입구에는 공기, 아래쪽 입구에는 수증기가 유입된다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • 솔버 : buoyantPimpleNFoam
  • 난류 모델 : \(Standard\) \(k-\epsilon\)
  • 입구 유동 속도 : 0.5 \(m/s\)

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)]은 [비정상상태(Transient)]로 설정한다.

[중력(Gravity)]는 (0 -9.81 0)으로 설정한다.

모델(Models)

[화학종 혼합(Species)]를 더블 클릭하고 [포함(Include)]를 선택한다.

물질(Materials)

[물질(Materials)] 패널 오른쪽 상단의 (+)를 클릭하여 혼합물(mixture)를 추가한다. 아래 그림의 왼쪽과 같이 air와 waterVapor를 선택하고 [혼합물 생성(Create Mixture)]를 클릭하면 오른쪽과 같이 혼합물이 만들어진다.


셀존 조건(Cell zone Conditions)

셀존 조건의 region0를 더블 클릭해서 [물질(Material)]을 mixture로 바꾼다.


경계조건(Boundary Conditions)

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

  • in-up : 입구 속도(Velocity Inlet)
    • 속도 크기(Velocity Magnitude) : 0.5 (m/s)
    • 난류 강도(Turbulent Intensity) : 0.1 (%)
    • 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 1
    • mixture - air : 1
    • mixture - waterVapor : 0
    • 온도(Temperature) : 300


  • in-down : 입구 속도(Velocity Inlet)
    • 속도 크기(Velocity Magnitude) : 0.5 (m/s)
    • 난류 강도(Turbulent Intensity) : 0.1 (%)
    • 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 1
    • mixture - air : 0
    • mixture - waterVapor : 1
    • 온도(Temperature) : 300


  • out : 출구 압력(Pressure Outlet)

    • 압력(Pressure) : 0 (Pa)

  • down_surface, up : 벽면(wall) - 정지(no slip)

  • zMin, zMax : 2차원 경계(Empty)

수치해석 기법(Numerical Conditions)

본 예제에서는 아래와 같이 설정을 변경한다.

  • 압력-속도 연성 기법(Pressure-Velocity Coupling Scheme) : SIMPLE

  • 이산화 기법(Discretization Scheme)

    • 시간 : 2차 음해법(Second Order Implicit)
    • 압력 : Linear
    • 운동량 : 2차 상류기법(Second Order Upwind)
    • 난류 : 2차 상류기법(Second Order Upwind)
    • 화학종 : 2차 상류기법(Second Order Upwind)

  • 완화계수(Under-Relaxation Factors)

    • 압력 : 0.3
    • 운동량 : 0.7
    • 난류 : 0.7
    • 화학종 : 1

  • 수렴 판정 기준(Convergence Criteria) : 디폴트 값 사용

  • 시간당 반복계산 회수(Max Iterations per Time Step) : 100

  • 압력보정 회수(Number of Correctors) : 2

초기화(Initialization)

다음과 같이 설정한다.

  • Velocity : (0.5 0 0)
  • Pressure : 0
  • Scale of Velocity : 0.5
  • Turbulent intensity : 0.1
  • Turbulent viscosity ratio : 1
  • mixture - air : 1
  • mixture - waterVapor : 0

값을 입력하고 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) : 일정(Fixed)
  • 시간 전진 간격(Time Step Size) : 0.001
  • 종료 시간(End Time) : 20
  • 자동 저장 간격(Save Interval) : 0.1


후처리

메뉴에서 [외부 프로그램(External tools)]-[ParaView] 버튼을 눌러 ParaView를 실행한다.

[Coloring]을 waterVapor로 바꾸면 다음과 같이 결과를 확인할 수 있다.