Sirocco Fan

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1. 개요

격자 및 압력분포

본 예제는 비정상상태 비압축성 유동해석 예제이다. 시로코팬 내부에서 입펠러가 회전할 때 내부의 유동을 예측하는 문제이다.

MRF 방법을 사용해서 정상상태 해석을 하고, 이 결과를 초기조건으로 sliding mesh 방법으로 비정상상태 계산을 한다.

계산 조건은 다음과 같다.

  • solver : buoyantPimpleNFoam (넥스트폼이 개발한 동적격자 비압축성 유동 해석 솔버)
  • 난류 모델 : $Standard$ $k-\epsilon$ model
  • 밀도 : 1.225 $kg/m^3$
  • 점성 계수 : 1.79e-5 $kg/ms$
  • 임펠러 회전 수 : 2,000 RPM

2. 프로그램의 구동

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


3. 격자

격자는 fluent 격자를 변환하여 사용한다.

메뉴에서 File-Load Mesh-Fluent(ASCII)를 선택하면 파일 선택창이 열린다. 다운로드한 siroccofan.msh 파일을 선택하면 아래와 같은 창이 열린다.


이 격자는 2개의 fluid와 rotating이라는 두 개의 cell zone을 갖고 있다. 이 두개의 cell zone과 region1, region2라는 두 개의 region이 표시되어 있다. region2 오른쪽의 (+) 아이콘을 누르면 region이 추가된다. multi-region 격자로 변환하기 위한 옵션이다. 이 문제는 multi-region 문제가 아니기 때문에 두 cel zone 모두 region1으로 두면 된다. region2 아래의 휴지통 아이콘을 눌러 region2를 삭제해도 된다.

4. 정상상태 계산

General

Time은 Steady, Gravity는 (0 0 ), Operating Conditions는 101325를 사용한다.


Models

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


Materials

본 예제에서 작동 유체는 공기이다. 유체의 물성치는 Default 조건을 사용한다.

Cell Zone Conditions

Cell Zone Conditions에서 rotating을 더블 클릭하면 새로운 창이 열린다. ‘MUltiple Reference Frame, MRF’를 선택하고 아래 값들을 입력한다.

  • Rotating Speed : 2,000(RPM)
  • Rotation-Axis Origin : (0, 0, 0)
  • Rotation-Axis Direction : (0, 0, 1)
  • Static Boundary : interface-rotating, interface-stat
    • MRF를 사용할 cell zone에 있는 경계면들 중 회전하지 않는 면들을 선택해 준다. 두 개의 interface 면들 중 하나는 해당 cell zone에 있고 나머지는 바깥에 있다. 보통은 어느 것이 해당되는지 알기 어렵기 때문에 두 개를 모두 선택하면 된다. 해당 cell zone 밖에 있는 경계면이 포함되어도 문제되지 않는다.


Boundary Conditions

아래와 같이 경계면 타입과 경계값을 설정한다.

  • interface-stat, interface-rotating : Interface - Internal Interface
    • interface-stat : Internal Interface로 변경 후, Coupled Boundary는 interface-rotating 선택


  • axis : Wall
    • Velocity Condition : Rotational Moving Wall
    • Speed : 2000 (RPM)
    • Rotation-Axis Origin : 0 0 0
    • Rotation-Axis Direction : 0 0 1


  • axis-r, blades, externalwalls, walls : Wall
    • Velocity Condition : No Slip


  • inlet : Velocity Inlet
    • Velocity Specification Method : Magnitudde, Normal to Boundary
    • Profile Type : Constant
    • Velocity Magnitude : 1 (m/s)
    • Turbulent Intensity : 1 (%)
    • Turbulent Viscosity Ratio : 10


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


Numerical Conditions

디폴트 조건을 사용한다.

Initialization

모두 디폴트 값을 사용한다.

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


Run

Run Conditions에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

  • Number of Iteration : 1000
  • Save Interval : 100
  • 메뉴의 Parallel - Environment를 선택하고 원하는 코어수를 입력


유동이 비정상상태이기 때문에 residual이 수렴하지는 않지만, 비정상상태 계산을 위한 초기조건으로는 사용하기에 문제는 없다.

3. 비정상상태 계산

General

Time을 Transient로 바꾼다. 다음과 같은 창이 나타난다. 정상상태 계산 결과를 비정상상태 계산의 초기조건으로 사용할 것인지를 묻는다. Yes를 선택하면 마지막으로 저장된 데이터가 초기조건으로 설정되고, 시간 0부터 계산이 시작된다.


Cell Zone Conditions

‘rotating’ cell zone의 조건을 Sliding Mesh로 바꾼다. Static Boundary 설정 부분은 사라진다.

Boundary Conditions

움직이는 벽면에 대한 경계조건을 다음과 같이 바꾸어 준다.

  • axis-r, blades : Wall
    • Velocity Condition : Moving Wall


Numerical Conditions

디폴트 조건을 사용한다.

Run

Run Conditions에서 다음과 같이 설정 후 계산을 진행한다.

  • Time Stepping Method : Fixed
  • Time Step Size : 0.0001
  • End Time : 0.3


아래 그림은 계산중인 Residuals 그래프이다.


4. 후처리

Fan 내부의 압력 분포를 확인해본다. External tools의 paraivew 버튼을 클릭하여 paraview를 실행한다.

Case Type을 Decomposed Case로 변경한다.


Slice 기능을 활용하여 용기 내부의 단면을 자른다.

Z-normal 버튼을 클릭 후, Origin을 다음과 같이 변경한다.

  • Origin : 0.06 -0.017 0.05
  • Normal : 0 0 1


아래 그림과 같이 fan 내부 속도 분포가 나오게 된다.