Immersed Boundary Method

이 기사에서 개발자인 Zongxian Liane박사는 곧 출시될 FLOW-3D v11.3에서 사용할 수 있는 새로운 Immersed Boundary Method에 대해 설명합니다.

힘과 에너지 손실에 대한 정확한 예측은 오리피스 판에서의 배출, 장애물을 지나가는 흐름 및 갑작스런 수축 관에서의 흐름과 같은 많은 엔지니어링 문제를 분석하는데 중요합니다. 셀 면적 및 부피 Method인 FAVORTM은 30년 전에 도입된 이래로 FLOW-3D의 표준 솔버로 적용되었으며 벽 근처의 운동량 fluxes를 근사화하는 간단한 방법을 사용했습니다 (Hirt and Sicilian 1985). 벽이나 자유 표면 근처에서 운동 이류항을 계산할 때 솔리드 또는 보이드 영역 내에 위치한 속도 값은  경계층의 모양을 제거하기 위해 0으로 설정됩니다. 물리적 관점에서 이 방법은 벽의 돌출부에 자유 미끄러짐(비침투)경계 조건을 적용하여 인공 경계층(Hirt1993)을 억제한다.

운동량 방정식에서 플럭스의 손실은 압력에 의해 보상됩니다. 특정 상황에서는 플럭스손실을 보상하는 압력의 비율이 시간에 따라 증가하며, 단일 유전물질로 표현되는 “세속적 불안정성”이라고 하는 수치적 불안정성을 야기할 수 있습니다. 속도의 증가 이러한 불안정성의 전개를 방지하기 위해, 경험적 기법을 사용하여 불안정성이 발생할 수 있는 위치에서 플럭스를 “보정” 했습니다. 그러나 이 방법은 선원으로부터의 플럭스 손실을 해결하지 못하며, 때때로 압력 변동과 같은 용액의 비정치적인 동작을 초래할 수 있습니다.

ghost – 내접 경계법 (Mittal et al., 2008)에 기초한 이류 항을 근사화하는 기법은 FLOW-3D v11.3을 위해 개발되었다. 이 내접 경계 방법 기술은 근본적으로이 문제를 해결하고보다 정확한 압력과 힘 예측을 제공합니다. ghost – 내접 경계법은 복잡한 형상을 포함하는 문제에서 전통적인 데카르트 그리드 근사법에서 강화 된 경계 처리로서 최근에 출현했다. 이 방법은 경계를 처리하는 수단 일 뿐이므로 기존의 해석기 구조가 비교적 적게 변경되어 기존의 FLOW-3D 해석기에 모델로 쉽게 추가 될 수 있으며 FLOW-3D의 다른 물리적 모델과 호환됩니다. 다양한 보간 방법과 함께 가중치 평균 프로브 기술을 사용하여 다른 지오메트리 구성을 처리합니다. 새 모델은 3D 메쉬 블록 또는 하이브리드 3D / 얕은 워터 메쉬 블록이있는 플로우에는 작동하지만 얕은 워터 메쉬에는 적합하지 않습니다.

Immersed Boundary Method Results

새로 도입된 경계 방법 모델의 간단한 예는 직경 1m의 원형 오리피스에서 물이 방출되는 것입니다. 물 용기의 길이는 10m, 폭은 10m, 오리피스 중앙부까지의 수위는 6m이다. 애니메이션에 표시된 것처럼 오리피스 Q에서 표고, h및 볼륨 유량의 강하는 각각 2차 곡선과 선형 곡선을 따릅니다. 

시뮬레이션에서 배출 Cd의 평균 계수는 0.660으로, 비대칭 값 0.611보다 약 8% 큽니다(SwameeandSwamee, 2010). immersed boundary solver 을 사용한 시뮬레이션은 이중 인터페이스(Xeon E5-2623 v3)에서 약 19시간이 소요된다. 반면에 the standard solver의 방전 계수와 벽-블록은 각각 0.800과 39시간이 소요된다.

또 다른 예는 NAVY 선박 모델 선체에 대한 총 저항력의 계산입니다. 이 경우, 선체 길이는 5.72m이고, 드래프트는 0.248m이다. 평균유속은 2.10m/s이고, 레이놀즈 수는 약 12 × 106입니다. 이 해석은 대칭이므로 선체의 절반만 모델링됩니다. 계산 영역은 길이 30m, 너비 8m, 깊이 5.5m입니다. 선체 절반에 대해 실험적으로 얻어진 총 저항력의 평균은 22.62N이다 (Larsson et al., 2003). the standard solver의 총 저항력의 평균은 24.41N이었으며 실험 결과보다 7.9 % 차이가 있으며 immersed boundary solver 경우 총 저항력의 평균은 22.43N이었고 0.8 % 더 낮았습니다 (오류가 8 개 줄었습니다. 또한 immersed 경계 솔버는 약 40 시간 만에 완성되었으며 표준 솔버보다 8 시간 빠릅니다).

 

References

Hirt, C., & Sicilian, J. (1985). A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes. International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, 4th. Washington, D.C.

Hirt, C. (1993). Volume-fraction techniques: powerful tools for wind engineering. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 46 & 47, 327-338.

Mittal, R., Dong, H., Bozkurttas, M., Najjar, F., Vargas, A., & von Loebbecke, A. (2008). A versatile sharp interface immersed boundary method for incompressible flows with complex boundaries. Journal of computational physics, 227(10), 4825-4852.

Swamee, P., & Swamee , N., (2010). Discharge equation of a circular sharp-crested orifice. Journal of Hydraulic Research, 48(1), 106-107.