축대칭 아음속 제트
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1. 개요
노즐 입구의 온도는 260 o C , 노즐 목에서의 마하수는 0.376 정도인 고온 아음속 노즐 유동해석 예제이다.
NASA Langley Research Center에서 제공하는 형상 및 실험조건을 사용한다.
https://turbmodels.larc.nasa.gov/jetsubsonichot_val.html
NASA ARN2(Acoustic Research Nozzle 2)의 실험 결과이며 형상과 조건은 다음과 같다.
노즐목의 반지름 : 1 inch
압력비, $p/p{ref}$ = 1.10203, $p{ref}$ = 14.3 psi
온도비, $T/T{ref}$ = 1.81388, $T{ref}$ = 530 R
노즐 출구 마하수 : 0.376
실험결과와 함께 NASA WIND 코드의 $SST$ k-$omega$ 모델과 Spalart-Allmaras 모델 계산 결과를 제공하고 있다.
- solver : buoyantSimpleNFoam (넥스트폼이 개발한 정상상태 비압축성 해석 솔버)
- 난류 모델 : $standard$ $k-\epsilon$ 모델
- 밀도 : Perfect Gas
- 점성 계수와 열전도도 : Sutherland law
- 노즐 입구 조건 : 10059.65 Pa, 534.086 K
2. 프로그램의 구동 및 격자
프로그램 실행 후 launcher에서 ‘New Case’를 선택하고 이름을 지정한다. ‘Solver Type’은 Pressure-based, ‘Multiphase Model’은 None’을 선택한다.
격자는 주어진 OpenFOAM의 polyMesh 폴더를 사용한다.
상단 탭에서 File - Load Mesh - OpenFOAM을 순서대로 클릭하고 polyMesh 폴더를 선택한다.
3. General
Time은 Steady를, Gravity는 (0 0 0)을 사용한다.
Operating Pressure는 98595.03을 입력한다.
4. Models
난류 모델은 $standard$ $k-\epsilon$ 모델을 사용하고 나머지는 Default를 사용한다.
Energy를 include한다.
5. Materials
물성치는 다음과 같이 설정한다.
- Density : Perfect Gas
- Specific heat : 1006
- Viscosity : Sutherland, As = 1.46e-6, Ts = 110.4
- Molecular Weight : 28.966
6. Boundary Conditions
아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.
- inlet : Pressure Inlet
- Total Pressure : 10059.65
- Turbulence Specification Method : Intensity and Viscosity Ratio
- Turbulent Intensity : 1
- Viscosity ratio : 10
- Temperature : 534.086
- outlet : Pressure Outlet
- Total Pressure : 0
- Specify Backflow Properties : on
- Backflow Total Temperature : 294.4444
- Turbulence Specification Method : Intensity and Viscosity Ratio
- Turbulent Intensity : 1
- Viscosity ratio : 10
- farfield : Velocity Inlet
- Velocity Specification Method : Component (3.44 0 0)
- Turbulence Specification Method : Intensity and Viscosity Ratio
- Turbulent Intensity : 1
- Viscosity ratio : 10
- Temperature : 294.4444
- nozzle : Wall
- Velocity : No Slip
- Temperature : Adiabatic
- frontAndBackPlanes_pos, frontAndBackPlanes_neg : Wedge
7. Numerical Conditions
다음과 같이 설정한다.
Pressure-Velocity Coupling : SIMPLEC
- Discretization Schemes
- Pressure : Momentum Weighted Reconstruct
- Momentum, Energy, Turbulence :Second Order Wpwind
- Under-Relaxation Factors
- Pressure : 0.1
- Momentum : 0.3
- Energy : 0.9
- Turbulence : 0.2
- Convergence Criteria
- Pressure : 0
- Momentum, Energy, Turbulence : 0.001
- Advanced
- Minimum Static Temperature : 100
- Maximum Static Temperature : 1000
8. Monitoring
본 예제에서는 축에서 x/D가 20인 점의 축방향 속도를 모니터링한다. Add - Points를 선택한다.
Field는 X-Velocity를 Coordinate는 (1.016 0 0)을 입력한다.
9. Initialization
초기조건은 다음과 같이 설정한다.
- Velocity : (3.44 0 0)
- Pressure : 0
- Temperature : 294.4444
- Scale of velocity : 100
- Turbulent Intensity : 1
- Turbulent Viscosity Ratio : 200
값을 입력하고 하단에 Initialize 버튼을 클릭한다. 그 후, File - Save 버튼을 클릭하여 case 파일을 저장한다.
10. Run Conditions & RUN
병렬연산을 위해서는 메뉴의 Parallel을 실행하고 원하는 CPU 코어 개수를 입력한다.
Run Conditions에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.
- Number of Iterations : 20000
- Save Interval : 1000
계산이 완료되면 아래와 같이 Residuals과 Point monitor의 그래프를 확인할 수 있다.
12. 후처리
External tools의 paraivew 버튼을 클릭하여 실행한다.
Case Type을 Decomposed Case로 변경한다.
Coloring을 U로 선택한다.