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1) Weir 개요



wave height

위어(Weir)는 수공학에서 수로에 설지하는 구조물로 물이 넘치게 만들어 특정 수위를 유지하거나 유량을 측정하는데 사용한다. CFD에서는 이론식으로 구할 수 있는 유량과 해석 결과를 비교하여 코드 검증용으로 사용하기도 한다.

본 예제는 사각 위어에서 수위가 일정한 경우에 유량 해석을 위한 예제이다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • 물의 입구 수위 : 1.6 m, 15696 Pa

  • solver : interFoam

  • 난류모델 : standard 𝑘 − ε

2) 프로그램의 구동

프로그램 실행 후 launcher에서 ‘Open’을 선택하고 격자 생성 튜토리얼에서 만든 weir 폴더를 선택한다(혹은 New Case를 선택하고 메뉴의 File - Load Mesh - OpenFOAM에서 weir/case/constant 폴더를 선택한다).

‘Flow Type’은 Incompressible, ‘Multiphase Model’은 Volume of Fluid’, Gravity는 (0 0 -9.81), ‘Species’는 Not Include를 선택한다.


launcher 설정


3) 계산 조건


(1) General

Time 을 Transient로 변경하고 나머지는 디폴트를 사용한다.


General 설정


(2) Models

난류 모델은 standard 𝑘 − ε 모델을 사용하고 나머지는 디폴트를 사용한다.


Turbulence Model 설정


(3) Materials

본 예제는 이상유동이므로 두 개의 유체가 필요하다. Material Configuration 부분의 상단 오른쪽의 (+)를 누르면 유체를 추가할 수 있다. water-liquid를 추가하고 이름을 water로 바꾸어 준다.

  • water

    • density : 1000

    • viscosity : 0.001

  • air

    • density : 1.225

    • viscosity : 1.79e-5


Materials 설정


(4) Cell Zone Conditions

Cell Zone Conditions에는 region0가 있다.(multi-region일 때는 여러개의 region이 표시된다.) region의 유체를 설정한다. region0를 더블 클릭하면 설정창이 열린다. Primary Material은 air, Secondary material은 water로 지정한다. Surface Tension은 0을 사용한다.


Cell Zone Conditions 설정


(5) Boundary Conditions

경계조건은 다음과 같이 설정한다.

  • water-in

    • type : Pressure Inlet

    • Total Pressure : 15696

    • Turbulent Intensity : 1

    • Turbulent Viscosity Ratio : 10

    • Volume Fraction(water) : 1


water-in 경계조건

  • air-in

    • type : Pressure Inlet

    • Total Pressure : 0

    • Turbulent Intensity : 1

    • Turbulent Viscosity Ratio : 10

    • Volume Fraction water : 0


air-in 경계조건

  • top

    • type : Pressure Outlet

    • Total Pressure : 0

    • Backflow Turbulent Intensity : 1

    • Backflow Turbulent Viscosity Ratio : 10

    • Backflow Volume Fraction(water) : 0


far_top 경계조건

  • out, out-1

    • type : Outflow
  • weir, bottom

    • type : wall


wall 경계조건

  • front, front-1, back, back-1

    • type : symmetry

(6) Numerical Conditions

수치해석 조건은 다음과 같이 설정한다.

  • Pressure-Velocity Coupling Scheme : SIMPLE(디폴트)

  • Use Momentum Predictor : On(디폴트)

  • Discretization Schemes

    • Time : First Order Implicit

    • Momentum : Second Order Upwind

    • Turbulence : First Order Upwind

    • Volume Fraction : Second Order Upwind

  • Under-Relaxation Factors : 모두 1로 설정

  • Improve Stability : Off(디폴트)

  • Max Iteration per Time Step : 1

  • Number of Correctors : 2

  • Multiphase와 Convergence Criteria : 디폴트 사용


Numerical Conditions


(7) Monitoring

Add-Surface 선택후 Report Type은 Volume Flow Rate, 관찰하고자 하는 영역은 waterin으로 선택한다.>


유량 모니터링 설정


(8) Initialization

초기조건은 다음과 같이 입력한다.

  • velocity : (0 0 0)

  • Pressure : 0

  • Scale of Velocity : 1

  • Turbulent Intensity : 1

  • Turbulent Viscosity Ratio : 10

  • Volume Fraction(water) : 0


초기조건 설정

water 영역의 초기조건을 주기 위해 두 개의 섹션을 만든다.

Initialization-Advanced-Section-Create 를 클릭한 후 다음과 같이 설정한다.

  • region1

    • Min.point : (0.05 -1 0)

    • Max.point : (2 1 0.2)

    • Volume Fraction(water) : 1

  • region2

    • Min.point : (-2 -1 0)

    • Max.point : (-0.05 1 1.6)

    • Volume Fraction(water) : 1

Override Boundary Value 옵션은 사용하지 않는다.


Section 초기화

Advanced - Sections에 두 개의 섹션이 만들어졌고 각 항목의 눈 모양 표시를 클릭하면 영역을 디스플레이 할 수 있다.


초기화 영역 디스플레이

하단의 Initialize 버튼을 클릭한 후, File - Save 버튼을 클릭하여 설정을 저장한다.

(9) Run Conditions & Run

Run Conditions 에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

  • Time Stepping Method : Adaptive

  • Max Courant Number : 1

  • Max Courant Number for VoF : 1

  • End time : 20

  • Save Interval : 0.1

병렬연산을 위해서는 메뉴의 Parallel을 실행하고 원하는 CPU 코어 개수를 입력한다.


유량 모니터링 화면


4) 후처리

물의 흐름을 그려본다.

External tools의 paraview 버튼을 클릭하여 paraview를 실행하고 baram.foam 파일을 읽는다.

병렬로 계산했다면 Case Type을 Decomposed Case로 변경한다.

Clip 필터를 이용해서 Volume fraction이 0.5 이상인 영역을 잘라준다.

Field를 U로 변경한다. Pipeline Browser의 baram.foam을 Outline으로 표시하고, weir.stl 파일을 읽어 Solid Color로 표시하면 아래 그림과 같이 된다.


Clip water

Play 버튼을 누르면 동영상을 볼 수 있다.