Vortex shedding of 2d cylinder

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1. 개요

격자 및 속도분포

본 예제는 2차원 비정상상태 층류 유동해석 예제로, 레이놀즈 수 100인 2차원 실린더 주변의 와류 진동(vortex shedding) 문제이다.

OpenFOAM에서 2차원 문제의 격자는 높이 방향으로 하나의 격자를 갖는 3차원 격자를 사용한다. 이 때 높이 방향의 최대 최소면의 경계조건은 empty로 처리한다.

격자는 Ansys Fluent .msh 형식의 파일을 사용한다. OpenFOAM의 격자 변환 유틸리티로 Fluent의 msh 파일을 변환하면 z축으로 한 증의 격자를 갖는 3차원 격자가 만들어진다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • solver : buoyantPimpleNFoam (넥스트폼이 개발한 비압축성 유동 해석 솔버)
  • 난류 모델 : laminar
  • Reynolds No. : 100

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 Ansys의 .msh 파일을 활용한다. 상단 탭에서 File - Load Mesh - Fluent (ASCII)를 클릭하고 cylinder.msh 파일을 선택한다.

4. General

Time을 Transient로 변경한다. 나머지는 Default로 설정한다.


5. Models

난류 모델은 Laminar 모델을 사용하고 나머지는 Default를 사용한다.


6. Materials

본 예제에서는 $U$ = 1 $m/s$ 조건을 사용한다. 이 때 레이놀즈 수가 100이 되는 조건으로 물성치를 설정한다.

  • 밀도 : 1 $kg/m^3$
  • 점성 계수 : 0.01 $kg/ms$


7. Cell Zone Conditions

Cell Zone Conditions은 Default 조건을 사용한다.

8. Boundary Conditions

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

  • cylinder : Wall
    • Velocity Condition : No Slip


  • sym : Symmetry

  • out : Pressure Outlet

    • Total Pressure : 0 (Pa)


  • in : Velocity Inlet
    • Velocity Specification Method : Magnitudde, Normal to Boundary
    • Profile Type : Constant
    • Velocity Magnitude : 1 (m/s)


  • frontAndBackPlanes : Empty

9. Reference Values

본 예제에서는 cylinder의 Drag Coefficient와 Lift Coefficient를 확인한다. 이를 위해 Reference Values를 아래와 같이 설정한다.

  • Area : 1
  • Density : 1
  • Length : 1
  • Pressure : 0
  • Velocity : 1


10. Numerical Conditions

Numerical Conditions은 다음과 같이 설정한다.

  • Use Momentum Predictor : 활성화

  • Discretization Schemes
    • Time : Second Order Implicit
    • Pressure : Momentum Weighted Reconstruct
    • Momentum : Second Order Upwind
  • Max iterations per Time Step : 10
  • Number of Correctors : 2

나머지는 Default 조건을 사용한다.


11. Monitoring

본 예제에서는 cylinder에 작용하는 Drag/Lift Coefficient와 cylinder중심에서 1m 떨어진 지점의 속도/압력을 모니터링 한다.

cylinder에 작용하는 Drag/Lift Coefficient

  • Add - Forces 버튼을 선택한다.
  • Force Monitoring은 아래와 같이 설정한다.
    • Write Interval : 1
    • Lift Direction : 0 1 0
    • Drag Direction : 1 0 0
    • Center of Rotation : 0 0 0
    • Boundaries : cylinder


cylinder중심에서 1m 떨어진 지점의 속도, 압력

  • Add - Points 버튼을 선택한다.
  • Point Monitoring은 아래와 같이 설정한다.
    • Write Interval : 1
    • Field : Pressure
    • Coordinate : 1 0 0


같은 방식으로 동일한 지점의 Velocity Magnitude 모니터링도 설정한다.


12. Initialization

X-Velocity에 1을 입력하고 나머지 값들은 Default값을 사용한다.

하단에 Initialize 버튼을 클릭한다.


13. Run

Run Conditions에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

  • Time Stepping Method : Adaptive
  • Max Courant Number : 1
  • End Time : 150
  • Save Interval : 0.5
  • Data Write Format : Binary
  • Number of Cores : 4





계산이 완료된 Residuals


모니터링되는 항력계수, 양력계수, 속도, 압력 그래프

14. 후처리

Cylinder 주변의 속도, 압력 분포를 확인한다.
External tools의 parview 버튼을 클릭하여 paraview를 실행한다.

Case Type을 Decomposed Case로 변경한다.


상단 툴바의 Solid Color를 U 혹은 p_rgh로 변경하고 play 버튼을 클릭한다.