Structured FAVOR™ grid in cylindrical coordinates

CFD Modeling Techniques | CFD 모델링 기술

Modeling Techniques

CFD를 폭넓게 사용한 적이 있는 사람이라면 누구나 사용할 최적의 수치 기법이 뭔가에 관한 개인적인 취향이나 선입견을 가지고 있습니다.  이 절에서는 저자가 사용한 모델링 기법의 일부와 그들이 다른 기법보다 나은 선택이라고 생각하는 이유에 대해 설명합니다.

Anyone who has used CFD extensively will have his own preferences and prejudices for what are the best numerical methods to use.  The articles in this section explain some of the modeling techniques the author has used and why he believes they are good choices with respect to other methods.

Structured FAVOR™ grid in cylindrical coordinates
Structured FAVOR™ grid in cylindrical coordinates

이 절에서는 FAVOR (Fractional-Area-Volume-Obstacle-Representation ) 법과 VOF (Volume-of-Fluid) 법에 중점을두고 있습니다.  복잡한 장애물 주위의 유체 흐름을 모델링하는 경우 많은 숙련자는 장애물의 형상으로 변형된 계산 격자를 사용하는 것을 선호합니다.  이러한 계산 격자는 일반적으로 물체 적합 격자(body-fitted grids)라고합니다.  대조적으로, FAVOR 법은 요소에 면적 점유율 및 체적 점유율이 할당된 생성이 용이한 사각형 격자가 사용됩니다.  이러한 방식의 관련성에 대해서는 FAVOR와 물체 적합 좌표계 및 No Loss with FAVOR의 절에서 논의되고 있습니다.

These articles center on the FAVOR (Fractional-Area-Volume-Obstacle-Representation) method and the VOF (Volume-of-Fluid) method.  When modeling fluid flow around complex obstacles many practitioners prefer to use computational grids that are deformed to the shape of the obstacles, these are generally referred to as body-fitted grids.  The FAVOR method, in contrast, employees easy to generate rectangular grids whose elements are assigned fractional areas and volumes.  The connection between these approaches is discussed in the articles FAVOR vs. Body-Fitted Coordinates and No Loss with FAVOR.

Structured FAVOR™ Grids

VOF와 FAVOR ™은 모두 표면 기반의 계산 방법과 달리 볼륨 기반입니다. 경계 조건이 규정되는 유체 및 장애물 표면을 직접 설명하는 것이 논리적으로 보이지만 더 나은 방법은 유체 및 고체 영역의 볼륨을 사용하는 것입니다. 볼륨에는 많은 장점이 있습니다. 시간 종속적인 계산 시뮬레이션에서 움직이고 변화하는 유체 표면을 고려하십시오. 이를 자유 표면이라고하며 그 결정은 유체 역학 솔루션의 필수적인 부분이됩니다. 유체 표면은 시간이 지남에 따라 생성 및 파괴 될 수있을뿐만 아니라 유체 볼륨을 완전히 둘러 쌀 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다.

Both VOF and FAVOR™ are volume-based, as opposed to surface based, computational methods. Even though it seems logical to directly describe fluid and obstacle surfaces on which boundary conditions are to be prescribed, a better method is to use the volumes of fluid and solid regions. Volumes have many advantages. Consider fluid surfaces that move and evolve in time-dependent computational simulations. These are referred to as free surfaces and their determination becomes an integral part of a fluid dynamic solution. Fluid surfaces can not only be created and destroyed over time, but may or may not completely enclose fluid masses.

간단한 예로는 호스를 빠져나가는 물이 있다고 가정하면 물의 표면적은 바깥쪽으로 흐르면서 커지고 있습니다. 만약 그것이 방울로 분해된다면, 서로 연결되지 않은 여러 표면이 있게 됩니다. 두 개 이상의 낙하물이 충돌하고 이들의 개별 표면이 더 이상 존재하지 않는 경우, 결합 낙하물을 둘러싼 단일 표면으로 대체됩니다. 또는 단순한 유체 강하가 임의로 변형되어 표면적이 변경될 수 있지만 유체가 압축할 수 없을 때는 부피에 변동이 없습니다. 이러한 종류의 행동은 개별 표면의 규격을 문제가 되게합니다.

A simple example is water exiting a hose. The surface area of the water is growing as it flows outward. If it breaks up into drops there are then multiple surfaces that are not connected to one another. Should two or more drops collide and coalesce their individual surfaces no longer exist being replaced by a single surface surrounding the combined drops. Or a simple fluid drop can arbitrarily deform resulting in a changing surface area, but its volume is unchanged when the fluid is incompressible. This sort of behavior makes the specification of individual surfaces problematic.

 한편, 유체나 고형물의 부피를 정의하는 것은 질량의 보존(그리고 불변의 부피 형태의 비압축성)이 유지하기가 더 쉽기 때문에 이치에 맞습니다. 유체 용적은 그들이 원하는 대로 결합하고 분리될 수 있으며, 결과 표면을 쉽게 평가할 수 있습니다. Volume methods에서 표면의 위치는 부피 영역이 끝나는 위치에 있습니다.

On the other hand, defining volumes of fluids or solids makes sense because conservation of mass (and incompressibility in the form of unchanging volumes) is easier to maintain. Fluid volumes may coalesce and breakup as they will, allowing easy evaluation of their resulting surfaces. In volume methods the location of a surface is wherever the volume region ends. 

Volume methods은 강력한 numerical 도구입니다. VOF 및 FAVOR™ 기법에 이러한 기법을 구현하는 방법은 첨부된 기사에 자세히 설명되어 있다.

Volume methods are powerful numerical tools. How they are implemented in the VOF and FAVOR™ techniques is described in detail in the accompanying articles.

본 자료는 국내 사용자들의 편의를 위해 원문 번역을 해서 제공하기 때문에 일부 오역이 있을 수 있어서 원문과 함께 수록합니다. 자료를 이용하실 때 참고하시기 바랍니다.

FLOW-3D Spillway Visualization

Volume of Fluid (VOF) History

Volume of Fluid (VOF)

FLOW-3D Spillway Visualization

VOF(Volume of Fluid) 방법은 이전의 MAC(Marker-and-Cell) 방법을 기반으로 한다[1]. MAC 방법은 표식기 입자를 사용하여 유체가 고정된 오일러 그리드 내에 존재하는 위치를 찾아냈다. MAC는 자유로운 표면으로 압축할 수 없는 유체의 역학을 시뮬레이션한 최초의 연산 방법이었다. 유체를 추적하기 위한 마커 입자의 사용은 특히 3차원에서 계산적으로 비용이 많이 들고, 입자가 한 그리드 소자에서 다른 그리드 소자로 이동할 때 그리드 요소 특성(질량 등)의 변화가 이산적인 변화를 겪기 때문에 연산 노이즈를 도입한다. 마커 입자를 인터페이스 추적 체계로 대체하려는 다양한 시도가 있었지만, 유체 질량이 종종 분리되거나 결합되어 인터페이스 표면의 생성과 파괴로 이어지기 때문에 대부분 실패했다.

유체 표면 대신 유체 부피를 추적하는 유체 부피(Volume of fluid method)의 발상은 유체 변수의 부피를 사용하는 것이 관례인 2상(물과 증기) 문제에 대한 연구로부터 비롯되었다. 증기의 부피 분율은 물과 증기가 혼합된 상태에서 증기의 양을 기록하는 연속 변수다. 이 체적 개념을 불압성 유체의 자유 표면을 찾기 위해 불연속 변수에까지 확장(예: 액체와 0의 단위 값)한 것은 1975년 간행물 “다차원, 과도 자유 표면 흐름 계산을 위한 방법”[2]에서 니콜스와 허트의 “다차원, 과도 자유 표면 흐름”에서 처음 입증되었다.

계산적 의미 만들기

VOF 개념은 플로우 모델이 일반적으로 압력, 밀도, 온도 등과 같은 종속 변수를 저장하기 위해 각 그리드 요소에서 하나의 숫자 값만 사용하기 때문에 계산이 타당하다. 그렇다면 왜 요소 내의 유체 분포를 정의하기 위해 둘 이상의 변수가 필요할까? 예를 들어, 원소의 유체가 둘 이상의 blob으로 분포된 경우, 각 blob에 대해 더 많은 종속 변수가 필요할 것이다. 이런 관점에서 보면 원소의 유체량만 기록하는 것이 타당하다. 그러나 문제는 체적분율 변수의 추정 불연속적 특성이다. 오일러 그리드를 통한 불연속 유체 인터페이스의 이동을 추적하려면 더 많은 정보가 필요하다.

Making Computational Sense

이 문제는 많은 출판사에서 많은 사람들이 다루어 왔다. 제안된 거의 모든 방법은 인접한 그리드 요소의 볼륨 분율 검사에 기초한 근사치의 어떤 유형에 의존한다. 예를 들어, 1차원 흐름에서는 정확한 방법을 도출하기 쉽다. 액체와 기체를 분리하는 예리한 인터페이스를 가진 1차원 도관을 따라 액체가 흐르고 있다고 가정해 보자. 인터페이스 업스트림 그리드 요소에서, 볼륨 분율은 1과 같고, 인터페이스 다운스트림에서는 볼륨 분율은 0과 같다. 0과 1 사이의 볼륨 비율 값을 갖는 인터페이스를 포함하는 그리드 요소에서 액체는 1의 볼륨 비율을 포함하는 인접 셀에 연결된 셀의 측면에 위치해야 하기 때문에 해당 셀 내에서 인터페이스를 쉽게 찾을 수 있다. 그런 다음 인터페이스는 체적 분율의 곱에 셀의 크기를 곱한 곱에 의해 액체 이웃에 연결된 셀 가장자리로부터 다운스트림 거리에 위치한다. 이 위치는 인터페이스가 날카로운 불연속성을 유지하도록 유체를 삽입할 때 사용할 수 있다. 불행하게도, 2, 3차원에서는 그리드 요소 내에서 인터페이스를 위치시키는 간단한 방법이 존재하지 않는다.

One method proposed for advecting discontinuous fluid interfaces was presented in the 1980 Los Alamos Scientific Laboratory report, “SOLA-VOF: A Solution Algorithm for Transient Fluid Flow with Multiple Free Boundaries,” [3] by Nichols, Hirt and Hotchkiss, and in a 1981 publication, “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries,쓴 [히트와 니콜스가 쓴 [4]. 주로 경수-원자로 안전 연구를 위한 이 프로그램의 초기 적용은 [5]와 [6]에서 확인할 수 있다.

VOF Variations | VOF 변형 모델

VOF 방법의 많은 변형이 문헌에 보고되었지만, 대부분은 원본에서 사용된 방법을 따르지 않는다[4]. 특히 원래의 VOF 방식은 주변 가스가 아닌 압축 불가능한 액체에서만 유체 역학을 위한 Navier-Stokes 방정식을 해결했다. 대신에 유체가 없는 표면은 경계 조건에 의해 처리되었고 유체가 포함된 그리드 요소의 목록은 지속적으로 업데이트되었다. 원래 모델의 가스 영역은 모멘텀을 무시할 수 있는 낮은 밀도를 가지며, 공간적으로 균일한 가스 압력을 가지는 것으로 가정했다. 다른 대부분의 VOF 모델에서 사용하는 대안은 인터페이스에 경계 조건을 설정하지 않기 위해 2-유체 시뮬레이션을 사용하는 것이다. 이 옵션은 가스 역학을 위해 해결해야 하기 때문에 원래 방법보다 상당히 많은 계산 자원을 필요로 한다. 또한 대부분의 2-유체 모델은 인터페이스에서 가스와 액체 사이에 존재하는 속도 “슬립”의 가능성을 무시한다. 슬립의 존재를 무시하고 가스/액체 혼합물의 평균 속도로 인터페이스를 이동하면 심각한 오류가 발생할 수 있다.

Modeling Fluid Advection | 모델링 유체 부착

대체 VOF 방법 개발자들이 항상 높이 평가하지 않는 또 다른 점은 VOF 유체 분율 수량 F의 첨부를 위해 모델링된 방정식이다. 원래의 방법 [4]은 F에 대한 보수적인 운송 방정식을 사용했다.

∂F∂t+∇∙(Fu→)=0

부착을 위해 레벨 설정 방법을 사용하는 것과 같은 많은 대안 VOF 공식은 비보수적 전송 방정식을 사용한다.

∂F∂t+u→∙∇F=0

보수적인 방법의 장점은 변경되어서는 안 되는 유체량을 쉽게 계산하고 표시하기 때문에 시뮬레이션에서 한 번의 간단한 불압력 정밀도 검사를 제공한다는 것이다.

TruVOF 솔루션

이용 가능한 인기 있는 상용 코드 중 FLOW-3D만이 [4]에서 참조한 원래의 1유체 모델을 기반으로 한다. 물론, 열 전달, 표면 장력, 위상 변화, 이동 장애물 및 유체 구조 상호작용과 같은 다양한 물리적 프로세스에 대한 많은 모델을 포함하여 이 소프트웨어에 대한 많은 개선이 평생에 걸쳐 이루어졌다.

다른 기사 읽기 : VOF (Volume of Fluid) 란 무엇인가? | FLOW-3D

참고문헌

References

  1. H. Harlow and J. E. Welch, “Numerical Calculation of Time-Dependent Viscous Incompressible Flow,” Phys. Fluids 8, 2182 (1965); J. E. Welch, F. H. Harlow, J. P. Shannon, and B. J. Daly, “THE MAC METHOD: A Computing Technique for Solving Viscous, Incompressible, Transient Fluid-Flow Problems Involving Free Surfaces,” Los Alamos Scientific Laboratory report LA-3425 (March 1966).
  2. D. Nichols and C. W. Hirt, “Methods for Calculating Multi-Dimensional, Transient Free Surface Flows Past Bodies,” Proc. Of the First International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Gaithersburg, Maryland, October 20-23, 1975.
  3. D. Nichols, C. W. Hirt and R. S. Hotchkiss, “SOLA-VOF: A Solution Algorithm for Transient Fluid Flow with Multiple Free Boundaries,” Los Alamos Scientific Laboratory report LA-8355 (August 1980).
  4. W. Hirt and B. D. Nichols, “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries,” Jour. Computational Physics, 39, 201 (1981).
  5. D. Nichols and C. W. Hirt, Numerical Simulation of BWR Vent Clearing Hydrodynamics,” Proc. 1978 Annual Meeting ANS, San Diego, CA; Nuc. Sci. Eng. 73, 196 (1980).
  6. W. Hirt and B. D. Nichols, “A Computational Method for Free Surface Hydrodynamics,” ASME 1980 Pressure Vessels and Piping Conf. San Francisco, CA (August 1980) Jour, Pressure Vessel Technology, 103, 136 (1981)