Atmospheric Boundary Layer

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1. 개요

본 예제는 대기 경계층 유동해석 예제이다. 해석 영역은 600m X 50m X 600m이며 대기경계층 조건으로 주어진 입구의 유동 분포가 출구까지 유지되는지를 확인한다.

격자는 주어진 OpenFOAM 격자를 사용한다

계산 조건은 다음과 같다.

• solver : buoyantSimpleNFoam (넥스트폼이 개발한 비압축성 유동 해석 솔버)
• 난류 모델 : standard 𝑘 − ε model
• 밀도 : 1.225 𝑘𝑔/㎥
• 점성 계수 : 1.79e-5 𝑘𝑔/𝑚s
• 유동 조건 : 대기경계층 속도 및 난류 조건

대기 경계층 조건은 OpenFOAM이 제공하는 조건으로 D.M. Hargreaves and N.G. Wright의 다음 논문의 식을 이용한다.

“On the use of the k-epsilon model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer”

2. 프로그램의 구동

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

3. 격자

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

4. General

본 예제에서는 Default로 설정한다.

5. Models

난류 모델은 $Standard$ $k-\epsilon$ 모델을 사용하고 나머지는 Default를 사용한다.

6. Materials

본 예제에서는 공기를 작동 유체로 사용한다. 물성치는 Default값을 사용한다.

7. Cell Zone Conditions

Cell Zone Conditions은 Default 조건을 사용한다.

8. Boundary Conditions

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

• inlet : ABL Inlet
  • Flow Direction : 1 0 0
  • Ground-Normal Direction : 0 0 1
  • Reference Flow Speed : 7 (m/s)
  • Reference Height : 9 (m)
  • Surface Roughness Length : 0.0002 (m)
  • Minimum z-coordinate : 0.0 (m)

• Sea : Wall
  • Velocity Condition : Atmospheric Wall

• outlet : Pressure Outlet
  • Total Pressure : 0 (Pa)

• minY, maxY, sky : Symmetry

9. Numerical Conditions

Numerical Conditions은 다음과 같이 설정한다.

• Pressure-Velocity Coupling Scheme : SIMPLE

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

• Convergence Criteria : 1e-6 (모든 값)

• Advanced
  • Maximum Viscosity Ratio를 1e7으로 설정한다 - 계산 영역이 매우 크기 때문에 이 값을 디폴트 값으로 사용하면 turbulent kinetic energy의 분포가 유지되지 않는다.

나머지는 Default 조건을 사용한다.

10. Initialization

• X-Velocity : 7 (m/s)
• Pressure : 0 (Pa)
• Turbulence
  • Scale of Velocity : 7 (m/s)
  • Turbulent Intensity : 1 (%)
  • Turbulent Viscosity Ratio : 10

위 과정을 따라 초기화 후, File - save를 눌러 저장한다.

11. Run

Run Conditions에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

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

residual plot

12. 후처리

대기경계층 속도 분포와 Profile을 확인한다. External tools의 paraview 버튼을 눌러 Paraview를 실행한다.

Case Type을 Reconstructed Case로 변경한다.

상단 툴바의 Solid Color를 U로 변경한다.

상단 툴바에서 Slice 아이콘을 클릭하고 아래와 같이 설정한다.

상단 툴바의 Plot Over Line 아이콘을 클릭하고 아래와 같이 입구와 출구에 각각 Line을 1개 생성한다.

입구, 출구의 라인을 이용하여 속도 프로파일이 그대로 유지되는지 정량적으로 확인한다.

1번 라인 (입구)

• Point1 : 0 25 0
• Point2 : 0 25 600
• X Array Name : U_X
• Series Parameters : Points_Z

2번 라인 (출구)

• Point1 : 600 25 0
• Point2 : 600 25 600
• X Array Name : U_X
• Series Parameters : Points_Z

Series Parameters에서 해당 Parameter의 색을 변경할 수 있다.

아래 그림과 같이 높이에 따른 속도 크기 분포를 확인할 수 있다.

위 그림에서 빨간선이 입구영역, 초록선이 출구영역에서 속도 프로파일이다.