Conjugate Heat Transfer (CHT)

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1. 개요

격자 및 온도분포

본 예제는 고체의 열전도를 포함한 열전달 해석 예제이다. 고체와 유체 2개의 region으로 구성된 multi-region 방식으로 계산된다. 솔버는 넥스트폼에서 개발한 chtMultiRegionSimpleNFoam를 사용한다.

원형의 유체 영역을 사각형의 고체 영역이 둘러싸고 있다. 유체 영역에 회전하는 막대가 있으며 MRF를 사용한다. 막대의 온도는 373K이며, 중력은 -y 방향으로 작용한다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • solver : chtMultiRegionSimpleNFoam
  • 난류 모델 : $Standard$ $k-\epsilon$
  • 유체의 물성값
    • 밀도 : Perfect Gas
    • 점성 계수 : 1.79e-5 $kg/ms$
    • 열전도도 : 0.024 $5W/mK$
    • 비열(Cp) : 1,006 $J/kg$
  • 고체의 물성값
    • 밀도 : 1,900 $kg/m^3$
    • 열전도도 : 0.016 $W/mK$
    • 비열(Cp) : 1,004 $J/kg$

2. 프로그램의 구동

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


3. 격자

격자는 주어진 OpenFOAM의 polyMesh 폴더를 활용한다. 상단 탭에서 File - Load Mesh - OpenFOAM 순서대로 클릭하고 polyMesh 폴더를 선택한다.

4. General

중력 방향은 -y 방향이므로 Gravity는 Y축에 -9.81을 입력한다.

5. Models

난류 모델은 $Standard$ $k-\epsilon$ 모델을 사용한다. Multi-region 격자를 읽으면 Energy는 자동으로 include로 설정된다.

6. Materials

본 예제에서는 기체(Air)와 고체(Solid)라는 물질을 사용한다.

Materials에 디폴트로 있는 Air가 있고, (+) 버튼을 클릭하여 임의의 고체를 선택하여 추가한다.


Air와 Solid의 물성은 다음과 같이 설정한다.

Air

  • Density : Perfect Gas
  • Specific Heat (Cp) : 1,006
  • Viscosity : 1.79e-05
  • Thermal Conductivity : 0.0245
  • Molecular Weight : 28.966
  • Absorption Coefficient : 0.0



Solid

  • Density : 1,900
  • Specific Heat (Cp) : 1004
  • Thermal Conductivity : 0.016
  • Emissivity : 0.039


Absorption Coefficient와 Emissivity는 복사열전달을 고려하지 않기 때문에 사용되지 않는다.

7. Cell Zone Conditions


fluid라는 region을 더블 클릭하고 Materials를 air로 설정한다.

solid라는 region을 더블 클릭하고 Materials를 solid로 설정한다.

fluid region의 rotor를 더블 클릭하고 MRF 조건을 다음과 같이 설정한다.

  • Rotating Speed (RPM) : 100
  • Rotation-Axis Origin : (0, 0, 0)
  • Rotation-Axis Direction : (0, 0, 1)

8. Boundary Conditions

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

  • fluid_to_solid : Thermo-Coupled Wall(fluid_to_solid와 solid_to_fluid는 같은 위치에 있는 면이므로 Coupled Boundary로 설정)
    • Coupled Boundary : Region1:solid_to_fluid


  • inner-wall : wall
    • Velocity Condition : No Slip
    • Temperature : Constant Temperature
    • Temperature : 373 (K)


  • external-wall : wall
    • Velocity Condition : No Slip
    • Temperature : Convection
    • Heat Transfer Coefficient ($W/m^2 K$) : 4
    • Free Stream Temperature : 280 (K)


  • frontAndBackPlanes : Empty

9. Numerical Conditions

Numerical Conditions은 다음과 같이 설정한다.

  • Pressure-Velocity Coupling Scheme : SIMPLE

  • Discretization Schemes
    • Pressure : Momentum Weighted Reconstruct
    • Momentum : Second Order Upwind
    • Energy : Second Order Upwind
    • Turbulence : First Order Upwind

  • Under-Relaxation Factors : 디폴트 값 사용

  • Convergence Criteria : Energy는 1e-6을 사용, 나머지는 디폴트 값 사용


10. Monitoring

fluid_to_solid 면의 Area-Weighted Average Temperature를 모니터링한다.

Monitoring tab에서 Add - Surfaces를 클릭하여 아래 그림과 같이 설정한다.


11. Initialization

초기화는 fluid와 solid에 대해 각각 설정한다. 하단의 탭 선택으로 fluid와 solid에 대해 각각 초기화를 설정할 수 있다.

fluid

  • Velocity : (0 0 0) (m/s)
  • Pressure : 0 (Pa)
  • Temperature : 350 (K)
  • Turbulence
    • Scale of Velocity : 1 (m/s)
    • Turbulent Intensity : 1 (%)
    • Turbulent Viscosity Ratio : 10


solid

  • Temperature : 350 (K)


설정 완료 후, Initialize 버튼을 누르고 저장한다.

12. Run

Run Conditions에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

  • Number of Iterations : 1000
  • Save Interval : 100
  • Data Write Format : Binary



residual plot


monitoring

13. 후처리

External tools의 paraview 버튼을 눌러 paraview를 실행한다. Mesh Regions에서 fluid/internalMesh와 solid/internalMesh가 활성화된 것을 확인한다. 유체와 고체의 격자 모두 활성화한다는 의미이다.

Case Type은 Reconstructed Case로 변경하고 Apply를 클릭한다.


상단의 탭에서 vtkBlockColors라고 되어 있는 설정을 온도, T로 변경한다.



아래 그림과 같이 해석 영역 내부의 온도 분포를 확인할 수 있다.