[논문 리뷰] Industry-Relevant Implicit Large-Eddy Simulation of a High-Performance Road Car via Spectral/hp Element Methods

Gianmarco Mengaldo, David Moxey외 6명|Research Portal (King's College London)|2020. 09. 18.

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics참고 문헌 70인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼/$hp$ 요소 방법을 사용하여 실차의 전체 고성능 도로 차량에 대한 최초의 고차 정확도 음성 레이놀즈 평균화된 유동 해석(LES)을 제시한다. 고차 메쉬 생성 기술과 고급 수치 해법—특히 에너지 안정 분석 기반의 CG-SVV 연산자—를 개발함으로써 저자들은 복잡한 고레인올즈수 유동에 대해 안정적이고 고정밀도의 시뮬레이션을 달성하였으며, 이는 고차 수치유체역학(CFD)의 산업적 적용을 위한 중대한 도약이다.

ABSTRACT

We present a successful deployment of high-fidelity Large-Eddy Simulation (LES) technologies based on spectral/hp element methods to industrial flow problems, which are characterized by high Reynolds numbers and complex geometries. In particular, we describe the numerical methods, software development and steps that were required to perform the implicit LES of a real automotive car, namely the Elemental Rp1 model. To the best of the authors' knowledge, this simulation represents the first fifth-order accurate transient LES of an entire real car geometry. Moreover, this constitutes a key milestone towards considerably expanding the computational design envelope currently allowed in industry, where steady-state modelling remains the standard. To this end, a number of novel developments had to be made in order to overcome obstacles in mesh generation and solver technology to achieve this simulation, which we detail in this paper. The main objective is to present to the industrial and applied mathematics community, a viable pathway to translate academic developments into industrial tools, that can substantially advance the analysis and design capabilities of high-end engineering stakeholders. The novel developments and results were achieved using the academic-driven open-source framework Nektar++.

연구 동기 및 목표

• 학술적 고차 CFD 연구와 자동차 공학 분야의 산업적 응용 간 격차를 메우기 위해.
• 실차에서 흔히 볼 수 있는 복잡한 곡면 기하 형상에 대한 고차 메쉬 생성 기술의 핵심 과제를 해결하기 위해.
• 스펙트럼/$hp$ 방법을 사용하여 고레인올즈수에서 전체 고성능 차량에 대한 안정적이고 고정밀도의 음성 LES를 실현하기 위해.
• 고차 수치 방법이 전통적인 RANS나 DES보다 더 정확하게 비정상적인 유동 물리 현상을 포착할 수 있음을 입증하기 위해.
• 오픈소스 학술 프레임워크인 Nektar++를 산업 규모의 CFD 워크플로우에 통합할 수 있는 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 기하 곡률을 통합하여 선형 메쉬를 변형하는 새로운 후처리 고차 메쉬 생성 워크플로우를 도입하여, 메쉬 유효성은 유지하면서 표면 정확도를 보존하였다.
• 공간 이산화에 다항식 차수 최대 4까지 사용한 스펙트럼/$hp$ 요소 방법을 적용하여 기하 형상과 해의 양면에서 고차 정확도를 확보하였다.
• 비선형 및 난류 유동에서의 앨리어싱 유도 불안정성을 완화하기 위해 에너지 안정 분석(ESA) 기반의 일관된 안정화 전략을 구현하였다.
• ESA 추정치에서 유도된 새로운 CG-SVV(연속 갈레르킨-비대칭 변분) 형식을 적용하여, 명시적 모델링 없이도 부족한 해상도의 척도를 자연스럽게 정규화하였다.
• CADfix의 CFI 인터페이스를 통해 CAD 데이터를 통합하여 정확한 기하 재구성과 고차 메쉬 생성을 가능하게 하였다.
• 메쉬 생성, 해법기, 후처리를 포함한 전체 시뮬레이션 파이프라인을 구현하고 테스트하기 위해 오픈소스 Nektar++ 프레임워크를 활용하였다.

Figure 1: Computational resources required to perform the direct numerical simulation (DNS) as a function of the Reynolds number [ 37 ] . Yellow and red lines represent projections on when DNS capabilities are due to become available as computational power increases following two different Moore law

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스펙트럼/$hp$ 요소 방법을 사용하여 고레인올즈수에서 복잡한 자동차 기하 형상을 대상으로 한 안정적이고 정확한 음성 LES를 고차 정확도로 수행할 수 있는가?
• RQ2 견고한 후처리 고차 메쉬 생성 워크플로우가 산업 수준의 기하 형상에서 메쉬 유효성은 유지하면서도 기하 정확도를 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ3 ESA 추정치 기반 CG-SVV 해법은 명시적 난류 모델링 없이도 고차 시뮬레이션의 안정성을 얼마나 효과적으로 확보할 수 있는가?
• RQ4 고차 메쉬는 선형 메쉬 대비 곡면의 점착 경계에서 인위적 확산을 줄여 유동 물리의 정확도를 향상시키는가?
• RQ5 학술용 고차 CFD 도구를 산업 워크플로우에 통합하면 물리적으로 정확하고 계산적으로 실현 가능한 결과를 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 본 연구는 스펙트럼/$hp$ 요소 방법을 사용하여 실차 기하 형상에 대해 최초로 다항식 차수 4의 고차 음성 LES를 수행하였다.
• 명시적 난류 모델이 없음에도 불구하고 고차 수치 해법의 내재된 수치적 난류 확산 덕분에 안정적이고 고정밀도의 시뮬레이션 결과를 달성하였다.
• 새로운 고차 메쉬 생성 워크플로우로 생성된 메쉬는 직선 측면 요소 비율이 5% 미만이었으며, 이는 인위적 확산을 최소화하면서도 견고성을 확보한 결과였다.
• ESA 추정치 기반 CG-SVV 해법은 앨리어싱 불안정성을 효과적으로 억제하였고, 부족한 해상도의 척도에 대한 충분한 정규화를 제공하여 장시간 통합이 가능했다.
• 다양한 높이 설정(D1, D2, D3) 간에 결과가 양호하게 일치하여 시뮬레이션이 흐름의 주요 비정상적 특성을 일관되게 포착하고 있음을 보여주었다.
• 고차 수치 방법이 RANS나 DES에 의존하지 않고도 비정상적인 소용돌이 구조와 항공역학적 힘을 더 정확하게 해상화함으로써 산업용 CFD의 정확도를 크게 향상시킬 수 있음을 입증하였다.

Figure 2: Valid and invalid high-order elements.