Cell Zone Conditions

Cell zone Condition에는 격자의 region과 cell zone이 아래 그림과 같이 표시된다. Single-region 문제인 경우 하나의 region만 표시되고 multi-region인 경우 region의 개수 만큼 나타난다. 각 region에 속한 cell zone들이 그 아래에 나타난다.


CellZone 설정

Region을 더블 클릭하면 아래 그림의 창이 나타난다. [Setup-Materials]에 있는 물질들 중 하나를 해당 region의 물질로 선택한다. 전체 region에 소스항이나 일정한 값을 주고 싶다면 해당 항목을 설정한다.


Region 설정

다상유동의 경우에는 2개의 물질을 primary와 secondary로 설정해 주고 두 물질간의 표면장력(surface tension)을 입력해 준다. 아래 그림에서 Select 버튼을 누르면 오른쪽 그림과 같은 창이 열리고 물질을 선택할 수 있다.


다상유동에서 유체 선택

cellZone을 더블 클릭하면 아래 그림의 창이 나타난다. Zone Type, Source Terms, Fixed Values를 설정할 수 있다.


cell zone 설정


Zone Type

Zone type은 Multiple Reference Frame(MRF), Porous, Sliding Mesh, Actuator Disk 등이 있다. 이 조건들과 함께 Source Terms, Fixed Values 조건을 사용할 수 있다.

Multiple Reference Frame, MRF

MRF는 회전하는 물체를 시뮬레이션 할 때 물체를 회전시키지 않고 회전체 주변의 유동을 회전상대좌표계에서 계산하는 방법이다. MRF를 선택하면 아래 그림과 같은 설정 부분이 나타난다. 세부 설정 항목은 다음과 같다.


MRF 설정

  • Rotating Speed, RPM : 회전속도(Revolution Per Minute)

  • Rotating Axis Origin : 회전 중심의 좌표

  • Rotating Axis Direction: 회전축(회전 방향이 반시계 방향이 되도록 방향 설정)

  • Static Boundary : MRF cell zone 영역 안에 있지만 회전하지 않는 경계면들을 선택한다. 인터페이스 면도 선택해야 한다.

Sliding Mesh

  • Sliding Mesh는 운동하는(baram 현재 버전에서는 회전 운동만 지원, 병진 운동은 추후 지원 예정) 물체 주위를 cell zone으로 구성하고 격자를 움직이는 방법이다.
  • 운동하는 cell zone과 정지한 cell zone의 각 경계면은 interface로 구성해야 한다.
  • Cell zone 내부에 있는 움직이는 경계면은 moving wall 경계조건을 사용해햐 한다.

설정 항목은 Rotating Speed(RPM), Rotation Axis Origin, Rotation Axis Direction이며 회전 방향은 MRF에서와 같다.

Porous Zone

Porous Zone은 다공성 매질이나 작은 영역에 매우 복잡한 형상이 있을 때 형상을 직접 구현하지 않고 유속에 따른 압력 손실로 모델링하는 방법이다. 압력 손실의 모델링 방법은 Darcy-Forchheimer 모델과 Power law 모델을 사용할 수 있다.

OpenFOAM의 porous media 모델은 porous 영역에서 불연속적인 속도 분포가 나타나고 압력손실도 입력 조건과 조금 다른 결과를 보이는 문제가 있다. Baram이 사용하는 NextFOAM에서는 porous 영역에서 압력의 interpolation 방법을 개선하여 이 문제를 해결하였다.(이에 대한 자세한 내용은 아래 링크의 문서를 참고)

Darcy-Forchheimer 모델

다음의 식을 사용한다.

$S_i = \left( \mu d + \rho |U| \frac{f}{2} \right)$


압력손실 방향은 두 개의 벡터에 의해 결정된다. 두 벡터는 Direction-1, Direction-2에 의해 결정되고 세번째 방향은 두 벡터에 수직한 방향벡터이다.

Inertial Resistance Coefficient(f, Forchheimer coefficient)와 Viscous Resistance Coefficient(d, Darcy coefficient)를 벡터로 입력한다.

Power law 모델

다음의 식을 사용한다.

$S_i = - \rho C_0 |U|^{C_1 -1} U$


C0와 C1은 상수로 입력한다.

Actuator Disk

Actuator disk 모델은 프로펠러와 같은 회전체를 디스크로 모델링하여 속도의 소스항으로 처리한다.


Actuator Disk 설정

설정 항목은 다음과 같다.

  • Disk Direction

  • Power Coefficient

  • Thrust Coefficient

  • Disk Area : 디스크 단면적

  • Upstream Point : 디스크 상류 임의 지점의 좌표

  • Force Computation method : Froude’s method / Variable-Scaling method

추력을 계산하는 방법 중 Froud’s method는 다음 식을 사용한다.

$T = 2 \rho A |u_m \cdot n|^2 a(1-a)$

$a = 1 - \frac{C_p}{C_t}$


추력을 계산하는 방법 중 Variable-Scaling method는 다음 식을 사용한다.

$T = 0.5 \rho A |u_0 \cdot n|^2 C_T ^*$

${C_T}^* = C_T \left( \frac{|u_m|}{|u_0|}\right)^2$


  • 변수 정의

    • T : Thrust magnitude

    • ρ : Monitored incoming fluid density

    • A : Actuator disk planar surface area

    • um : Incoming velocity spatial-averaged on monitored region

    • u0 : Incoming velocity spatial-averaged on actuator disk

    • n : Surface-normal vector of the actuator disk pointing upstream

    • a : Axial induction factor

    • Cp : Power coefficient

    • CT : Thrust coefficient

    • CT * : Calibrated thrust coefficient

Source Terms

에너지, 질량, 난류 관련 필드 등에 소스 항을 설정할 수 있다.


Source Term 설정

소스의 크기를 주는 방법은 전체 cell zone에 가해질 소스의 크기를 주는 방법과 단위 체척당 가해질 소스의 크기를 주는 두 가지가 있다. 비정상상태 문제일 때 질량과 에너지 소스의 크기를 시간에 따라 변하는 값을 줄 수 있는데, piecewise linear와 polynomial 방법이 제공된다.

Fixed Values

Cell zone의 속도 벡터, 온도, 난류 필드의 평균값을 고정할 수 있다. 속도의 경우 계산의 불안정성이 발생할 수 있어 relaxation factor를 사용한다.


Fixed Value 설정