Subsonic Turbulent Cavity Flow

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1. 개요

include surface's own gap

아음속 2차원 cavity 유동을 계산하는 예제이다.

형상과 유동 조건은 다음과 같다.

  • L/D = 2 (Cavity의 길이와 높이의 비율)
  • Mach Number = 0.6
  • Reynolds Number = 2.75e+5
  • Prandtl Number = 0.7

격자는 matlab으로 만든 plot3d 형식의 격자를 변환하였다.

솔버는 넥스트폼이 개발한 압력기반 열유동 해석 솔버인 buoyantPimpleNFoam을 사용한다.

출구와 상면의 경계조건은 압력파의 반사가 없는 waveTransmissive(non-reflecting) 조건을 사용한다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • solver : buoyantPimpleNFoam (넥스트폼이 개발한 비정상상태 열유동 해석 솔버)
  • 난류 모델 : $SST$ $k-\omega$ 모델
  • 밀도 : Perfect Gas
  • 입구 온도 : 300 K
  • 입구 압력 : 101325 Pa

2. 프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 launcher에서 ‘New’를 선택한다. Launcher에서 ‘Solver Type’은 Pressure-based를, ‘Multiphase Model’은 None을 선택한다.


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

include surface's own gap

3. General

본 예제에서는 Transient 조건을 사용한다. 중력은 고려하지 않고 Operating Pressure는 101325를 사용한다.


4. Models

난류 모델은 $SST$ $k-\omega$ 모델을 사용한다.

Energy를 include한다.

5. Materials

물성치는 다음과 같이 설정한다.

  • Density : Perfect Gas
  • Specific heat : 1006
  • Viscosity : 0.00178 (Reynolds 수를 맞추기 위한 값)
  • Thermal Conductivity : 2.562 (Prandtl 수를 맞추기 위한 값)
  • Molecular Weight : 28.966


6. Boundary Conditions

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

  • inlet : Velocity Inlet
    • Velocity Specification Method : Magnitude, Normal to Boundary
    • Velocity Magnitude : 208.31
    • Turbulence Specification Method : Intensity and Viscosity Ratio
    • Turbulent Intensity : 1
    • Turbulent Viscosity Ratio : 10
    • Temperature : 300

  • outlet, top : Pressure Outlet
    • Total Pressure : 0
    • Non-Reflecting Boundary 옵션 사용

  • cavityFront, cavityBottom, cavityRear, frontBottom, rearBottom : Wall
    • Velocity Condition : No Slip
  • frontPlane, backPlane : Empty

7. Numerical Conditions

다음과 같이 설정한다.

  • Pressure-Velocity Coupling : SIMPLE

  • Discretization Schemes
    • Time : Second Order Implicit
    • Pressure : Momentum Weighted Reconstruct
    • Momentum, Energy, Turbulence : Second Order Wpwind

  • Max Iteration per Time Step : 20

  • Number of Correctors : 2

  • Under-Relaxation Factors
    • Pressure : 0.3 / 1
    • Momentum, Turbulence : 0.7 / 1
    • Energy, Density : 1 / 1

9. Monitoring

본 예제에서는 cavity 중앙의 점에서 압력을 모니터링한다. Add - Point를 선택한다.

좌표는 (0 -0.5 0.25)를 입력한다.


10. Initialization

초기조건은 다음과 같이 설정한다.

  • Velocity : (208.31 0 0)
  • Pressure : 0
  • Temperature : 300
  • Scale of velocity : 208.31
  • Turbulent Intensity : 1
  • Turbulent Viscosity Ratio : 10

Cavity 내부의 속도를 0으로 초기화한다. Advanced - Sections에서 Create - Hex 를 선택하고 최소/최대 좌표를 (-1 -1 -1), (1 0 1)을 입력한다. Velcity를 선택하고 값은 (0 0 0)을 준다.


Initialize 버튼을 클릭한다. 그 후, File - Save 버튼을 클릭하여 case 파일을 저장한다.

11. Run Conditions & RUN

병렬연산을 위해서는 메뉴의 Parallel을 실행하고 원하는 CPU 코어 개수를 입력한다.

Run Conditions에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

  • Time Stepping Method : Fixed
  • Time Step Size : 1e-5
  • End Time : 0.5
  • Save Interval : Every 0.002 sec


12. 후처리

External tools의 paraivew 버튼을 클릭하여 실행한다.

Coloring을 U로 선택하면 다음과 같은 그림을 확인할 수 있다.