Mixing Pipe

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1. 개요

격자 및 속도분포

본 예제는 정상상태 비압축성 유동해석 예제이다. 2개의 입구와 1개의 출구로 이루어진 원형 파이프 내부 유동의 혼합을 예측한다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • solver : buoyantSimpleNFoam (넥스트폼이 개발한 정상상태 비압축성 해석 솔버)
  • 난류 모델 : Standard $k-\epsilon$ model
  • 밀도 : 1.225 $kg/m^3$
  • 점성 계수 : 1.79e-5 $kg/ms$
  • 유동 조건 : 면적이 넓은 입구(in-1)의 속도는 5m/s, 면적이 좁은 입구(in-2)의 속도는 10m/s, outlet은 대기압 조건

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


※ 주의 사항 : OpenFOAM 격자를 읽을 때는 “polyMesh” 혹은 “constant” 폴더를 선택한다. OpenFOAM의 격자는 region이 하나인 경우 constant 폴더 아래의 polyMesh라는 폴더이며, region이 여러 개인 multi-region일 때는 여러 개의 polyMesh 폴더가 constant 폴더 아래의 region명 폴더에 있다.

4. General

General에서는 Time, Gravity, Operating Pressure등을 설정할 수 있다. 본 예제에서는 Default로 설정한다.


5. Models

Models에서는 turbulence, Energy, Species, User-defined Scalar를 설정할 수 있다. Multiphase, Solver type 등은 launcher에서 설정한다.

본 예제에서는 Standard $k-\epsilon$ 모델을 사용한다.


6. Materials

Materials에서는 작동 유체의 물성치를 설정할 수 있다. 지금 예제에서는 공기의 물성치를 그대로 사용한다.


7. Cell Zone Conditions

Cell Zone Conditions에서는 Source, MRF, Sliding Mesh등을 설정할 수 있다. 본 예제에서는 Default로 설정한다.


8. Boundary Conditions

여러 경계면의 경계값을 설정할 수 있다. 각 경계면을 선택하면 해당 경계면이 붉은색으로 변한다.

경계면을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하면 경계면 타입을 변경할 수 있고, 더블 클릭하거나 아래의 ‘Edit’ 버튼을 누르면 값을 설정할 수 있는 창이 열린다.

각 경계조건은 다음과 같이 설정한다.

  • in-1 : Velocity Inlet
    • Velocity Magnitude : 5 (m/s)
    • Turbulent Intensity : 1 (%)
    • Turbulent Viscosity Ratio : 10
  • in-2 : Velocity Inlet
    • Velocity Magnitude : 10 (m/s)
    • Turbulent Intensity : 1 (%)
    • Turbulent Viscosity Ratio : 10
  • out : Pressure Outlet
    • Total Pressure : 0 (Pa)
  • wall
    • Velocity Condition : No Slip

9. Numerical Conditions

Discretization, Relaxation factors, Convergence criteria, Pressure-Velocity coupling등 항목을 설정할 수 있다.

본 예제에서는 아래와 같이 설정을 변경한다.

  • Pressure-Velocity Coupling Scheme : SIMPLEC

  • Discretization Scheme
    • Pressure : Momentum Weighted Reconstruct
    • Momentum : Second Order Upwind
    • Turbulence : Second Order Upwind
  • Under-Relaxation Factors
    • Pressure, Momentum, Turbulence : 0.9
  • Convergence Criteria
    • Pressure : 0.0001
    • Momentum : 0.001
    • Turbulence : 0.001


10. Monitoring

본 예제에서는 (0, 0, 1) 위치에서 압력을 모니터링 한다.

Solution - Monitors를 선택하고 창 하단의 Add - Points를 클릭해서 아래 그림과 같이 설정한다.

  • Point Monitor
    • Write Interval : 1
    • Field : Pressure
    • Coordinate : (0, 0, 1) (m)


11. Initialization

Initial Condition은 초기값으로 x, y, z의 속도와 압력을 입력할 수 있다.

난류 모델을 사용할 경우 Velocity Scale, Turbulent Intensity, Viscosity Ratio 값을 입력하면 $k$와 $\epsilon$ 값이 계산되어 사용된다.

  • Velocity
    • X-Velocity : 0 (m/s)
    • Y-Velocity : 0 (m/s)
    • Z-Velocity : 0 (m/s)
  • Pressure
    • 0 (Pa)
  • Turbulence
    • Scale of Velocity : 5 (m/s)
    • Turbulent Intensity : 1 (%)
    • Turbulent Viscosity Ratio : 10


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

12. Run

Run Conditions에서는 Number of Iterations, Save Interval, Parallel 등을 설정한다.

본 예제에서는 모든 값을 Default로 설정한다.

이후, Run - Start Calculation 버튼을 클릭한다.

|residual & monitoring 그래프|

residual & monitoring 그래프

13 후처리

BARAM에서는 ParaView를 이용하여 후처리를 진행한다. 후처리 진행 시, External tools의 ParaView 버튼을 클릭하면 된다.


ParaView를 초기 실행 시, 필요한 기능에 대한 설명은 다음과 같다.

  • Skip Zero Time : 초기값을 제외한 결과를 보여준다.

  • Case Type : cpu 개수에 따른 설정이다.
    • Reconstructed Case : 1core 계산 혹은 Parallel로 계산을 진행했지만 reconstructPar를 진행한 OpenFOAM case
    • Decomposed Case : Parallel 계산을 진행한 case

  • Mesh Regions : 보고 싶은 Internal mesh, 경계면 등을 설정할 수 있다.

  • Cell Arrays : 보고 싶은 물리량을 설정할 수 있다.


경계면 스칼라 분포

벽면에 걸리는 압력 분포를 그려본다. 초기 설정을 아래와 같이 해준다.

  • Skip Zero Time : 비활성화
  • Mesh Regions : internalMesh - 활성화
  • 나머지 : Default

p_rgh는 압력에서 중력에 의한 항($\rho gh$)을 뺀 값으로 이 문제와 같이 중력을 고려하지 않은 경우는 압력과 같은 값이다. p_rgh는 operating pressure 기준의 상대압이고 p는 절대압력이다.



축단면 스칼라 분포

Pipe 내부의 압력 분포를 확인해본다.

slice 버튼을 클릭하고 방향을 Y-normal로 바꿔서 pipe 내부 압력을 확인한다.