자유 표면 흐름을 위한 정상 상태 가속기

이 기사에서 Tony Hirt 박사는 곧 출시 될 FLOW-3D v12.0릴리스에서 사용할 수 있는 새로운 Steady-State Accelerator에 대해 설명합니다.

일시적인 흐름의 점근적 상태를 계산하는 것보다 안정적인 자유 표면 흐름을 더 빠르게 생성하는 방법이 필요한 경우가 종종 있습니다. 그러한 상황은 압축 가능한 흐름 솔버를 사용하여 압축할 수 없는 흐름을 해결하는 것과 유사합니다. 후자의 경우에는 압축파가 붕괴되고 압축되지 않은 결과물을 남기는 데 시간이 오래 걸릴 수 있습니다. 이에 따라 자유 표면 흐름에서 유체는 압축되지 않지만 표면파는 안정적인 자유 표면 구성을 생성하기 위해 댐핑하는데 시간이 오래 걸릴 수 있습니다.

비압축 흐름의 경우 압축파를 크게 감쇠시키는 반복 프로세스(즉, 압력 속도 반복)를 사용합니다. 물리적으로, 반복은 가까운 거리에 영향을 미치는 짧게 이동하는 파장과 같은 압력을 허용합니다. 그러나 압력 장에 상당한 소음을 유발할 수 있는 장거리 전파 및 반사는 피할 수 있을 정도로 빠르게 감쇠합니다.

이 노트에서 자유 표면 셀에 적용된 간단한 압력 조정은 표면 방해에 대한 감쇠력으로 작용합니다. 이 감쇠는 안정적인 자유 표면 구성에 대한 접근 방식을 가속화합니다.

 

정상 상태 가속기 아이디어

유체 인터페이스 또는 자유 표면은 VOF (Volume-of-Fluid) 기술을 사용하여 FLOW-3D에서 추적됩니다. 유체 변수 F의 분율은 유체가 차지하는 영역을 찾습니다. 유체에 고정 자유 표면이 있는 경우 유체를 정의하는 F 값도 안정된 값을 유지해야합니다. F가 일정하려면 표면에 수직인 유체 속도가 0이어야 합니다. 물론, 표면에서의 접선 유체 속도는 0 일 필요는 없습니다. 예를 들어, 위어 위의 흐름에는 일정한 흐름이 있지만 계단에서 나오는 흐름의 위치와 모양은 변하지 않습니다.

자유 표면 흐름을 위한 정상 상태 솔버를 가지려면 흐름의 비압축성을 유지하면서 정상 표면 속도를 0으로 만드는 방법을 찾아야 합니다.

이를 달성하는 한 가지 방법은 정상 속도를 0으로 향하게 하는 방식으로 표면 압력을 조정하는 것입니다.  특히 정상 속도에 비례하는 총 표면 압력에 “댐핑” 압력 기여를 추가하여 속도는 표면에서 나오고 그렇지 않으면 음수입니다.

정상 속도가 0에 가까워지면 표면이 고정 위치를 오버 슈트하지 않도록 수정 압력도 0으로 가야합니다. 물론 보정이 너무 크면 오버 슈트가 발생할 수 있습니다. 이러한 이유로 보정을 안정적으로 적용하려면 몇 가지 제한 요소가 있어야 합니다.

Steady-State Accelerator를 나타내는 계수 약어인 ssacc가 이 새로운 옵션을 활성화하기 위해 프로그램 입력에 추가되었습니다. ssacc의 값은 편리한 상한 인 1.0보다 작거나 같아야 합니다. 프로그램 내에 댐핑 압력에 자동으로 적용되는 몇 가지 리미터가 있어서 불안정성이 발생하거나 일시적 현상에 악영향을 미치지 않도록 합니다.

안정성 및 댐핑 리미터에 대한 이전의 문제는 강조 될 만합니다. 정상 상태 가속기를 사용하면 자유 표면 흐름의 모든 과도를 더 이상 완전히 볼 수 없습니다. 댐핑 압력은 물리적 힘이 아니라 파동의 전파 및 반사를 감소시키는 메커니즘입니다. 댐퍼는 큰 과도 현상의 진화를 방해하지 않도록 고안되었으며 흐름이 안정화됨에 따라 보다 빠르게 꾸준한 결과를 얻는데 기여해야 합니다. 그러나 사용자는 리미터가 예상하지 못했던 과도한 댐핑에 주의해야하며 댐핑 계수 ssacc의 입력 값을 줄이면 제거 할 수 있습니다.

정상 상태 가속기의 감쇠 메커니즘이 작동하는 방식을 설명하는 두 가지 예가 있습니다.

 

정상 상태 가속기의 예

상승된 유체의 열 축소

첫 번째 예는 길이 100cm, 깊이 5cm의 2 차원 수영장으로 구성됩니다. 물을 포함하는 탱크의 모든 경계는 대칭 경계입니다. 수영장 중앙에는 10cm 너비와 3cm 높이의 수영장 위에 물 블록이 있습니다. 이 블록은 중력으로 인해 물에 빠지고 충격 지점에서 멀어지고 탱크 끝에서 반사되는 파도를 생성합니다. 100초 이후에도 반복되는 반사로 인해 여전히 상당한 파동이 발생합니다 (그림 1).

새로운 정상 상태 가속기가 계수 ssacc = 1.0과 함께 사용되면 모든 파도가 빠르게 감쇠되어 표면이 거의 평평 해집니다. 일부 잔류 흐름은 표면 아래에 남아 있지만 점성 작용으로 천천히 감쇠됩니다 (그림 2). 이 예에서 추가 된 감쇠는 특히 인상적입니다.

그림 1. 댐핑없이 열 축소. 흐름 도표의 시간은 0.0, 10.0 및 100.0입니다. 아래 그림은 평균 운동 에너지 대 시간입니다.
그림 2. 0.0, 10.0 및 100.0s에서 감쇠 계수 ssacc = 1.0으로 열 축소. 아래 그림은 평균 운동 에너지 대 시간입니다.

사각형 격자에서 45 °의 정사각형 채널에서 모세관 상승

수직 채널에서 유체의 모세관 상승은 간단한 분석할 수 있으며 솔루션이 있는 양호한 정상 상태 문제입니다. 중력에 대해 상승 된 유체의 양은 벽의 접착력, 즉 접촉각의 코사인에 표면 장력 곱하기 접촉 선 길이에 의해 결정됩니다. 이 예에서 유체는 물이며 표면 장력은 70 dynes / cm이고 접촉각은 30 °입니다. 채널은 단면이 정사각형이며 가장자리 길이가 0.707cm이고 직사각형 격자에서 45 ° 회전합니다. 문제가 x 및 y 방향으로 대칭을 이루기 때문에 그리드의 사분면 만 모델링됩니다. 그리드의 바닥에는 제로 게이지 압력의 물이 있으며 그리드의 가장자리 길이는 0.0125cm (41x41x80 셀)입니다. 상승시켜야하는 이론적 유체 량은 0.04373cc입니다. 그림 3a는 정상 상태 결과를 보여줍니다. 이는 감쇠 사용 여부와 비슷합니다. 댐핑없이 계산된 유체의 양은 이론 값보다 1.74 % 높습니다. 그림 3b와 같이 댐핑이 있는 경우에는 2.24 %가 너무 높습니다. 가속기를 사용하면 정상 상태는 약 0.15 초에 도달하는 반면 표준 솔버는 0.8 초 후에 만 ​​정상 상태 솔루션을 생성하므로 5 배 이상 더 오래 걸립니다.

그림 3a. 댐핑 압력이없는 정사각형 채널의 모세관 상승.
그림 3b. 두 시뮬레이션에서 유체 체적 이력 (파란색은 감쇠)입니다.

ssacc가 1.0보다 작으면 댐핑이 적어 수렴에 더 빨리 도달합니다. 1.0을 포함한 모든 ssacc 값은 댐핑되지 않은 ssacc = 0.0 경우와 비교하여 이론과 밀접하게 일치하고 후면 벽에 적은 양의 유체를 나타내는 수렴 된 솔루션을 만듭니다.

후면 벽의 작은 유체는 평형 위치를 초과하는 유체의 오버 슈트 (overshoot)로부터 발생하며, 그 후 다시 점성력으로 인해 정착하는데 오랜 시간이 걸리는 벽에 적은 양의 유체가 남습니다. 이 오버 슈트는 ssacc가 0이 아닌 경우 제거됩니다.