What You Should Know About CFD Modeling when Selecting a CFD Package

유체 흐름 및 열 전달 해석용 소프트웨어 패키지에는 여러 형태가 있습니다. 물리적 근사와 수치 해법의 기법이 패키지마다 크게 다르기 때문에 적절한 패키지를 선택하는 것은 매우 어렵습니다. 다음 설명에서는 열유동 시뮬레이션 소프트웨어를 선택할 때 고려해야 할 중요한 몇 가지를 소개합니다.

Software packages for fluid flow and heat transfer analysis come in many forms. These packages differ greatly in their physical approximations and numerical solution techniques, which makes the selection of a suitable package a challenging proposition. The following discussion covers some important items to consider when choosing flow simulation software.

Meshing and Geometry

유한 요소 또는 “body-fitted coordinates”를 채용하고 있는 수치해석 방법은 유체 영역의 기하학적 형상에 적합한 격자를 생성해야 합니다. 정확한 수치 근사치를 얻기 위해 허용 할 수 있는 요소 크기 및 형상에서 이러한 격자를 생성하는 것은 매우 중요한 작업입니다.

복잡한 경우에는 이와 같은 방법으로 격자를 생성하면 며칠 또는 몇 주가 걸릴 수 있습니다.  어떤 프로그램은 사각형의 격자 요소만을 사용함으로써 문제를 해결하려고 하지만, 그럴 경우에는 경계부분에 계단이 생기고 흐름과 열전달 특성이 달라지는 문제에 직면하게 됩니다.

FLOW-3D는 FAVOR™(면적율 / 부피 비율)법 을 사용하여 지오메트리의 특성을 원활하게 포함하므로써, 간단한 사각형 격자만으로도 두 문제를 해결할 수 있습니다.  또한, 간단하고 강력한 솔리드 모델러가 FLOW-3D 패키지에 기본 포함되어 있으며, CAD 프로그램에서 생성한 기하형상 데이터를 가져올 수 있습니다.

Solution methods that employ finite-element or “body-fitted coordinates” require the generation of a solution grid that conforms to the geometry of the flow region. It is a non-trivial task to generate these grids with acceptable element sizes and shapes for accurate numerical approximations. In complicated cases this type of grid generation may consume days or even weeks of effort. Some programs attemptto eliminate this generation problem by using only rectangular grid elements, but then they must contend with “stair-step” boundaries that alter flow and heat-transfer properties. FLOW-3D solves both problems by using easy-to-generate rectangular grids in which geometric features are smoothly embedded using the FAVOR™ (fractional area/volume) method. A simple and powerful solids modeler is packaged with FLOW-3D or users may import geometric data from a CAD program.

Momentum Equation vs. Approximate Flow Models

유체 운동량의 정확한 처리가 중요한 몇 가지 이유가 있습니다.  첫째, 이것은 복잡한 기하학적 형상에서 유체가 어떻게 흐르는지를 예측하는 유일한 방법입니다.  둘째, 액체에 의하여 걸린 동적인 힘(압력)은 운동량에서만 계산할 수 있습니다.  마지막으로, 열 에너지의 대류 수송을 계산하려면 다른 유체 입자 및 경계에 대한 개별 유체 입자의 상대적인 움직임을 정확하게 파악하는 것이 필요합니다. 이것은 운동량의 정확한 처리를 의미합니다.  운동량 보존을 대충 근사하기만 한 CFD 모델은 FLOW-3D에서는 사용되지 않습니다.  이러한 모델은 현실적인 유체 구성 및 온도 분포 예측에 사용할 수 없기 때문입니다.

An accurate treatment of fluid momentum is important for several reasons. First, it is the only way to predict how fluid will flow through complicated geometry. Second, the dynamic forces (i.e., pressures) exerted by the fluid can only be computed from momentum considerations. Finally, to compute the convective transport of thermal energy, it is necessary to have an accurate picture of how individual fluid particles move in relation to other fluid particles and confining boundaries. This implies an accurate treatment of momentum. Simplified flow models that only crudely approximate the conservation of momentum are not used in FLOW-3D because they cannot be used to predict realistic fluid configurations and temperature distributions.

Liquid-Solid Heat Transfer Area

액체와 고체 사이 (금속 주형 등)의 열전달은 경계면 면적의 정확한 추정이 필요합니다.  경계가 계단 모양으로 되어 있는 경우, 보통 이 면적이 크게 추정됩니다.  예를 들어, 실린더의 표면적은 약 27 %정도 크게 추정됩니다.  FLOW-3D의 경우 정확한 경계면 면적은 FAVOR™법에 따라 FLOW-3D 전처리기에서 컨트롤 볼륨마다 자동으로 계산됩니다.

Heat transfer between a liquid and a solid (e.g., metal-to-mold) requires an accurate estimate of the interfacial area. Stair-step boundaries over-estimate this area; for example, the surface area of a cylinder would be over-estimated by a factor of 27%. Accurate interfacial areas are automatically computed by the FAVOR™ method for each control volume in the FLOW-3D pre-processor.

Control Volume Effects on Liquid-Solid Heat Transfer

컨트롤 볼륨의 크기가 액체와 고체 사이에서 교환되는 열 비율과 양에 영향을 줄 수 있습니다.  이것은 열이 액체와 고체의 경계면을 포함하는 컨트롤 볼륨을 흐를 필요가 있기 때문입니다.  FLOW-3D는 액체와 고체의 경계면에 걸쳐 열 전달률을 계산할 때 컨트롤 볼륨의 크기와 전도율이 고려됩니다.

The size of control volumes can influence the rate and amount of heat exchanged between a liquid and solid because heat must also flow in the control volumes containing the liquid/solid interface. In FLOW-3D control volume sizes and their conductivities are accounted for when computing heat transfer rates across liquid-solid interfaces.

Implicitness and Accuracy

비선형 방정식과 결합 방정식의 Implicit 방법은 반복 될 때마다 under-relaxation 특성을 갖는 반복적 해법이 필요합니다.  이 동작은 상황에 따라 심각한 오류 (또는 수렴 속도의 급격한 하락)가 발생할 수 있습니다.  예를 들어, 비율이 큰 컨트롤 볼륨을 사용하는 경우나, 실제로는 중요하지 않은 효과를 예상하고 암시적인 해법을 사용하는 경우 등입니다.  FLOW-3D는 가능한 명시적인 수치해법이 사용되고 있습니다.  이것은 필요한 계산량이 적고, 수치 안정성의 요구 사항이 요구된 정밀도에 상응하기 때문입니다.  자세한 내용은 “암시적인 수치해법과 명시적인 수치해법“을 참조하십시오.

Implicit methods for nonlinear and coupled equations require iterative solution methods that have the character of an under-relaxation in each iteration. This behavior can cause significant errors (or very slow convergence) in some situations, for example, when using control volumes with large aspect ratios or when the implicitness is used in anticipation of an effect that is not actually significant. In FLOW-3D explicit numerical methods are used whenever possible because they require less computational effort, and their numerical stability requirements are equivalent to accuracy requirements. Read more in the Implicit vs. Explicit Numerical Methods article.

Implicit Numerical Methods For Convective Transport

모든 크기의 타임 스텝 크기를 계산에 사용할 수 있는 암시적인 수치 기법은 CPU 시간을 줄이기 위해 많이 사용되는 방법입니다.  불행하게도, 이 방법은 대류 현상 해석에 대해 정확하지 않습니다.  암시적인 해법은 근사 방정식에 확산 효과를 도입함으로써 시간 단계의 독립성을 획득합니다.  수치 확산을 물리적 확산 (열전도 등)에 추가해도 확산율이 변경될 뿐이므로 심각한 문제가 되지 않을 수 있습니다.  그러나 수치 확산(발산)을 대류 과정에 추가하면 모델링 대상의 물리 현상의 특성은 완전히 다르게 됩니다.  FLOW-3D는 시간의 정확한 근사치를 보장하기 위해 프로그램에 의해 time step이 자동으로 제어됩니다.

Implicit numerical techniques that allow arbitrarily large time-step sizes to be used in calculations are a popular way to reduce CPU time requirements. Unfortunately, these methods are not accurate for convective processes. Implicit methods gain their time-step independence by introducing diffusive effects into the approximating equations. The addition of numerical diffusion to physical diffusion, e.g., to heat conduction, may not cause a serious problem as it only modifies the diffusion rate. However, adding numerical diffusion to convective processes completely changes the character of the physical phenomena being modeled. In FLOW-3D time steps are automatically controlled by the program to ensure time-accurate approximations.

Relaxation and Convergence Parameters

암시적으로 근사치를 사용하는 수치법은 하나 이상의 수렴 및 완화(이완)의 매개 변수를 선택해야 합니다.  이러한 매개 변수를 신중하게 선택하지 않으면 발산하거나 수렴에 시간이 걸리는 경우가 있습니다.  FLOW-3D를 융합하는 매개 변수와 완화(이완) 매개 변수를 하나씩만 사용하여 두 매개 변수는 프로그램에 의해 동적으로 선택됩니다.  수치 해법을 제어하는 매개 변수를 사용자가 설정할 필요는 없습니다.

Numerical methods that use implicit approximations also require the selection of one or more convergence and relaxation parameters. Making poor choices for these parameters can lead to either divergences or slow convergence rates. Only one convergence and one relaxation parameter are used in FLOW-3D, and both parameters are dynamically selected by the program. Users are not required to set any parameters controlling the numerical solver.

Free-Surface Tracking

액체와 기체의 경계면 (자유 표면 등)의 모델링에 사용되는 방법은 두 가지가 있습니다.  하나는 액체, 기체 두 영역의 흐름을 계산하고 경계면을 유체 밀도의 급격한 변화로 처리하는 방법입니다.

일반적으로 밀도의 불연속은 고차 수치 근사를 사용하여 모델링됩니다.  불행하게도 이 프로세스는 소수의 격자 셀에서 경계면이 평탄화되고, 이러한 경계면에 보통 존재하는 유체흐름의 접선 속도의 급격한 변화는 고려되지 않습니다.

기체가 계산 영역에 들어가는 액체로 대체되는 경우에는 이 방법에는 기체의 출구 포트 또는 출구 싱크도 보충 할 필요가 있습니다.  또한 이러한 방법은 일반적으로 유체의 비압축성를 충족하기 위해 더 많은 노력이 필요합니다.  이것이 발생하는 기체 영역에 거의 균일 한 압력 조정이 필요하며, 이를 통해 계산 수렴 시간이 소요되기 때문입니다.

FLOW-3D는 VOF (Volume-of-Fluid) 법 이라는 독창적인 방법이 사용되고 있습니다.  이것은 진정한 3 차원 경계면 추적 방식으로, 경계면을  3 차원 인터페이스로 추적하는 체계입니다.  또한 옵션의 표면 장력을 포함한 일반적인 접선 응력 경계 조건은 경계면에 적용됩니다.  기체 영역은 모델에 포함하도록 사용자가 요청하지 않는 한 계산되지 않습니다.

There are two methods used to model liquid-gas interfaces (i.e., free surfaces). One of these is to compute flow in both the liquid and gas regions and to treat the interface as a sharp change in fluid density. Typically, the density discontinuity is modeled using higher-order numerical approximations. Unfortunately, this treatment allows the interface to smooth out over a few grid cells and does not account for a corresponding sharp change in tangential flow velocity that generally exists at such interfaces. This technique must also be supplemented with escape ports or sinks for the gas if it is to be replaced by liquid entering a computational region. Further, such methods must typically work harder to satisfy the incompressibility of the fluids. This happens because gas regions must have nearly uniform pressure adjustments which tend to slow down the solution convergence rate. A different technique, the Volume-of-Fluid (VOF) method, is used in FLOW-3D. This is a true three-dimensional interface tracking scheme in which the interface is closely maintained as a step discontinuity. Moreover, normal and tangential stress boundary conditions, including optional surface tension forces, are applied at the interface. Gas regions are not computed unless the user requests these regions to be included in the model.

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