초음속 노즐

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개요

본 예제는 밀도기반 솔버를 사용하는 축대칭 초음속 노즐 유동해석 예제이다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • 솔버 : TSLAeroFoam
  • 난류모델 : SST k-$\omega$
  • 노즐 입구 전압력 : 4e+5 Pa
  • 노즐 입구 온도 : 3000 K
  • 원방경계 압력 : 1e+4 Pa
  • 원방경계 온도 : 300 K

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 [새 작업(New Case)]를 선택한다. 시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [밀도기반(Density-based)]를 선택한다.

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

기본조건(General)

본 예제에서는 디폴트 조건을 사용한다.

모델(Models)

난류 모델은

모델을 선택한다.

물질(Materials)

밀도는 완전기체(Perfect Gas), 점성계수는 Sutherland를 선택한다. 나머지는 디폴트 조건을 사용한다.

경계조건(Boundary Conditions)

경계조건은 다음과 같이 설정한다.

  • inlet : 입구 압력(Pressure Inlet)
    • 전압력(Total Pressure) : 400000
    • 온도(Temperature) : 3000
    • 난류 강도(Turbulent Intensity) : 0.1
    • 난류 강도(Turbulent Viscosity Ratio) : 1
  • inletAir : 입구 압력(Pressure Inlet)
    • 전압력(Total Pressure) : 10000
    • 온도(Temperature) : 300 K
    • 난류 강도(Turbulent Intensity) : 0.1
    • 난류 강도(Turbulent Viscosity Ratio) : 1
  • outlet : 출구 압력(Pressure Outlet)
    • 압력(Pressure) : 10000
  • nozzle : 벽면(Wall)
    • 속도 조건(Velocity Condition) : 정지(No slip)
    • 온도 조건(Temperature Condition) : 단열(adiabatic)
  • top : 대칭(symmetry)
  • bottomEmptyFaces, topEmptyFaces : 축대칭 경계(Wedge)

수치해석 기법(Numerical Conditions)

[Formulation]은 [Implicit], [Flux Type]은 [Roe-FDS]를 사용한다. [Entropy Fix Coefficient]는 0.5를 사용한다.

모니터(Monitor)

노즐 입구에서의 유량을 모니터링 한다. [추가(Add)]-[면(Surface)]를 선택하고 다음과 같이 설정한다.

  • 함수(Report Type) : 질량유량(Mas Flow Rate)
  • 면(Surface) : inlet

초기화(Initialization)

초기조건은 다음과 같이 설정한다.

  • 속도 : (0, 0, 0)
  • 압력 : 10000
  • 온도 : 300
  • 난류
    • 속도 크기 : 100
    • 난류 강도 : 0.1
    • 난류 점도 비율 : 1

노즐 유동이 지나는 영역과 외부 영역의 유동 변수들의 차이가 크기 때문에 계산 초기에 솔버가 불안정하다. 이 문제를 해결하기 위해 노즐 유동 부분의 초기값을 별도로 설정한다.

[추가설정(Advanced)]-[영역(Section)]-[만들기(Create)]를 클릭한 후 다음과 같이 설정한다.

  • region1 – 육면체(Hex)
    • 최소(Min. point) : (-0.15, -0.1, -0.1)
    • 최대(Max. point) : (0.12, 0.065 0.1)
    • 속도를 선택하고 (100, 0, 0)을 입력
    • 압력을 선택하고 400000를 입력

Section 설정 및 압력 초기조건

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.

  • 계산 회수(Number of Iterations) : 100000
  • Courant Number : 1000
  • 자동 저장 간격(Save Interval) : 500

후처리

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

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

[Mach]를 선택하면 다음과 같은 분포를 확인할 수 있다.