캐비테이션 – NACA66 하이드로포일

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개요

NACA66 익형 주위의 캐비테이션 해석 검증 문제이다.

캐비테이션 문제 검증용으로 많이 사용되는 아래 논문의 형상 및 조건을 사용하였다.

Viscous and Nuclei Effects on Hydrodynamic Loadings and Cavitation of NACA66(MOD) Foil section, Y.T.Shen, P.E. Dimotakis, J. Fluids Eng. sep. 1989

속도는 2.01 m/s 이며, 캐비테이션 수는 0.84 이다.

캐비테이션 모델은 Schnerr-Sauer를 사용하였으며 계수들은 다음과 같다.

  • 증발계수(Evaporation Coefficient) : 1
  • 응축계수(Condensation Coefficient) : 1
  • 기포직경(Bubble Diameter) : 2e-6
  • 기포의 수밀도(Bubble Number Density) : 1.6e+9
  • 증기압(Vapor pressure) : 2420 Pa

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 [Volume of Fluid]를 선택한다. 중력은 (0 0 0)으로 설정한다.

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.

모델(Models)

난류 모델은

모델을 사용하고 나머지는 디폴트를 사용한다.

물질(Materials)

본 예제는 이상유동이므로 두 개의 유체가 필요하다. [물질(Material)]의 상단 오른쪽의 (+)를 누르면 유체를 추가할 수 있다. waterLiquid와 waterVapor를 추가한다.

셀존 조건(Cell zone Conditions)

[셀존 조건(Cell Zone Conditions)]에는 region0가 있다.(다중영역일 때는 여러개의 영역이 표시된다.) 영역의 유체를 설정한다. region0를 더블 클릭하면 설정창이 열린다. [첫번째 유체(Primary Material)]은 waterVapor, [두번째 유체(Secondary material)]은 waterLiquid로 지정한다. 표면장력(Surface Tension)은 0.07을 사용한다.

캐비테이션(Cavitation) 옵션을 켠다. 모델은 [Schnerr-Sauer]를 선택하고 [증기압(Vaporization Pressure)]는 2430을 입력한다. Model Constants 는 다음의 값을 사용한다.

  • 증발계수(Evaporation Coefficient) : 1
  • 응축계수(Condensation Coefficient) : 1
  • 기포직경(Bubble Diameter) : 2.0e-06
  • 기포의 수밀도(Bubble Number Density) : 1.6e+9

경계조건(Boundary Conditions)

경계조건은 다음과 같이 설정한다.

  • B_INLET : 입구 속도(Velocity Inlet)
    • 속도 크기(Velocity Magnitude) : 2.01
    • 난류 강도(Turbulent Intensity) : 1
    • 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 10
    • 체적분율(Volume Fraction, waterLiquid) : 1
  • B_OUTLET : 출구 압력(Pressure Outlet)
    • 압력(Pressure) : 4113.788
  • B_SYM : 대칭(Symmetry)
  • FOIL_DOWN, FOIL_UP : 벽면(Wall)
  • EMPTY : 2차원 경계(Empty)

수치해석 기법(Numerical Conditions)

수치해석 조건은 다음과 같이 설정한다.

  • 압력-속도 연성 기법(Pressure-Velocity Coupling Scheme) : SIMPLE
  • 운동량방정식 계산(Use Momentum Predictor) : On
  • 이산화 기법(Discretization Scheme)
    • 시간 : 1차 음해법(First Order Implicit)
    • 압력 : Momentum Weighted Reconstruct
    • 운동량 : 2차 상류기법(Second Order Upwind)
    • 난류 : 1차 상류기법(First Order Upwind)
    • 체적분율 : 2차 상류기법(Second Order Upwind)
  • 완화계수(Under-Relaxation Factors) : 디폴트 값 사용
  • 안정성 향상(Improve Stability) : Off
  • 시간당 반복계산 회수(Max Iterations per Time Step) : 10
  • 압력보정 회수(Number of Correctors) : 2
  • 다상유동(Multiphase)와 수렴 판정 기준(Convergence Criteria) : 디폴트 사용

초기화(Initialization)

초기조건은 다음과 같이 입력한다.

  • 속도 : (2.01 0 0)
  • 압력 : 4113.788
  • 속도 크기(Scale of Velocity) : 2.01
  • 난류 강도(Turbulent Intensity) : 1
  • 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 10
  • 체적분율(Volume Fraction, waterLiquid) : 1

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) : 0.01
  • 종료시간(End Time) : 10
  • 자동 저장 간격(Save Interval) : 0.5

후처리

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

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

[Coloring]을 [p_rgh] 혹은 [alpha.waterLiquid]를 선택하면 압력과 체적분율을 확인할 수 있다.

intro

하이드로포일 표면의 압력데이터를 얻으려면 원하는 경계면(FOIL-UP)만 선택하고, 메뉴의 [File]-[Save Data]를 실행하면 csv 형식의 데이터 파일을 얻을 수 있다.