Models

난류모델, 온도 해석 여부, 다상유동, 화학종 혼합, 사용자 정의 스칼라 등을 설정한다.

격자를 읽었을 때 multi-region 격자이면 온도는 자동으로 해석하는 것으로 설정되고 바꿀 수 없다. Solver Type이 Density-based일 때도 온도는 자동으로 해석하는 것으로 설정되고 바꿀 수 없다.

Solver Type(Pressure-based/Density-based)와 Multiphase(Off/VOF/Cavitation)는 프로그램 시작할 때 launcher에서 설정되며 바꿀 수 없다.


Models 설정

Turbulence

Turbulence를 더블 클릭하면 아래 그림의 설정창이 나타난다.


Turbulence Models 설정

Model을 선택하면 그에 따라 필요한 추가 설정 부분이 표시된다.

  • Inviscid : 압축성 유동에서 Euler라고 많이 표현되는, 점성을 고려하지 않는 모델로 별도의 설정은 없다. 이 옵션을 선택하면 내부적으로 laminar가 선택되고 점성계수는 0이 된다. 물성값에서 점성계수를 직접 0으로 설정할 필요는 없다.

  • Laminar : 층류유동이며 별도의 설정은 없다.

  • Spalart-Allmaras : 1 equation 난류모델이며 turbulent Prandtl Number를 설정할 수 있다.

  • k-epsilon : standard, RNG, Realizable 3가지 k-epsilon 모델을 선택할 수 있으며 turbulent Prandtl Number를 설정할 수 있다. Realizable 모델을 선택하면 Near-Wall Treatment 옵션으로 Standard Wall Function과 Enhanced Wall Treatment(two layer)를 선택할 수 있다.

  • k-omega : k-omega 모델은 현재 Menter의 SST(Shear Stress Transport) 모델만 지원한다. turbulent Prandtl Number를 설정할 수 있다.

  • DES, Detached Eddy Simulation : General의 Time이 Transient로 설정되었을 때만 활성화 된다. 벽면의 RANS Model과 DES Options, Length-Scale Model을 선택할 수 있다. RANS Model은 Spalart-Allmaras와 k-omega SST를 선택할 수 있다. Spalart-Allmaras 옵션으로 Low Reynolds Damping을 선택할 수 있다. DES 옵션으로 Delayed DES를 선택할 수 있으며 옵션이 활성화되면 DDES와 IDDES를 선택할 수 있다.

  • LES, Large Eddy Simulation : General의 Time이 Transient로 설정되었을 때만 활성화 된다. Subgrid-Scale Model과 Length-Scale Model을 선택할 수 있다.

Enhanced Wall Treatment(two layer)

Enhanced Wall Treatment(two layer)는 넥스트폼이 개발한 것으로 blending 함수를 사용한다. Standard wall function은 y+가 buffer layer에 있는 경우 결과의 정확도가 문제될 수 있는데, 이 모델은 y+에 상관없이 사용할 수 있는 벽함수이다. blending 함수는 다음의 식이 사용된다.

$\lambda = {\frac 1 2} \left[1 + tanh \left( \frac{Re_y - {Re_y}^* } {A} \right) \right ]$

$A = \frac {\Delta Re_y } {tanh(0.98)}$

Ref) Shih, T. H., Liou, W. W., Shabbir, A., Yang, Z., & Zhu, J. (1995). A New k-epsilon eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows. Computers and Fluids, 24(3), 227-238.

turbulent Prandtl Number

turbulent Prandtl Number는 난류 흐름에서 운동량 확산과 열 확산 간의 비율을 나타내는 무차원이다. Internal Field와 Wall Function 두 가지를 설정할 수 있다. Internal Field의 값은 난류모델에 사용되고, Wall Function의 값은 alphat(turbulent thermal diffusivity)의 벽함수에 사용된다. DES/LES 모델에서는 사용되지 않는다.

$Pr_t = \frac {\nu_t } {\alpha_t}$

  • $\nu_t$ : eddy viscosity
  • $\alpha_t$ : eddy thermal diffusivity

Turbulent Schmidt Number

Turbulent Schmidt Number는 난류 흐름에서 물질 확산과 운동량 확산 간의 비율을 나타내는 무차원수이다. 화학종의 난류 확산에 사용되며, 화학종을 계산하지 않을 때는 사용되지 않는다.

$Sc_t = \frac {\nu_t } {D_t}$

  • $\nu_t$ : eddy viscosity
  • $D_t$ : eddy diffusivity

Energy

Energy를 더블 클릭하면 아래 그림의 설정창이 나타난다. 포함할 것인지 아닌지를 선택한다.


Energy 설정

Species

Species를 더블 클릭하면 아래 그림의 설정창이 나타난다. 포함할 것인지 아닌지를 선택한다.


Species 설정

User-defined Scalars

User-defined Scalar는 사용자가 임의로 정의할 수 있는 변수로 유동장에 의해 분포가 결정되지만 이것이 유동에 영향을 미치지는 않기 때문에 pass scalar라고도 불린다.

이것을 선태하고 Edit 버튼을 누르면 아래 그림과 같은 창이 나타난다. ‘User-defined Scalar’ 오른쪽의 (+)를 누르면 새로운 스칼라를 추가할 수 있다.


User-defined Scalar 설정

각 스칼라는 Field Name과 Diffusivity를 설정할 수 있다. Diffusivity 설정 방법은 Constant, Laminar and Turbulent Viscosity의 두 가지가 제공된다.


User-defined Scalar 설정

Constant 방법은 상수를 입력하고, Laminar and Turbulent Viscosity 방법은 Laminar와 Turbulent 두 계수를 입력 받아 다음의 식으로 diffusivity를 사용한다.

$D = D_{laminar} \cdot \nu + D_{turbulent} \cdot \nu_t $

User-defined Scalar는 OpenFOAM의 function object 기능을 사용하여 계산한다. 여기서 스칼라를 정의하면 다른 유동변수와 마찬가지로 경계조건 설정 부분에 값을 입력할 수 있고 residual 그래프와 모니터링 등에서 사용할 수 있다.