[논문 리뷰] Possibilities of Simulation of Fluid Flows Using the Modern CFD Software Tools

Alexey N. Kochevsky|ArXiv.org|2004. 09. 20.

Cyclone Separators and Fluid Dynamics참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 CFX, 플루언트, STAR-CD와 같은 현대 CFD 소프트웨어 도구가 다상류, 압축성 및 열전달 유동, 그리고 캐비테이션을 포함한 복잡한 유체 흐름 현상을 시뮬레이션하는 데에 어떻게 기능하는지 평가한다. 이는 물리적 실험을 실시하기 어렵거나 너무 비용이 많이 드는 경우조차도 이러한 도구들이 정밀한 물리적 효과를 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The article reviews fluid flow models implemented in the leading CFD software tools and designed for simulation of multi-component and multi-phase flows, compressible flows, flows with heat transfer, cavitation and other phenomena. The article shows that these software tools (CFX, Fluent, STAR-CD, etc.) allow for adequate simulation of complex physical effects of different nature, even for problems where performing of physical experiment is extremely difficult.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 유체역학 문제에 대해 주요 상용 CFD 소프트웨어 도구의 시뮬레이션 능력을 평가하는 것.
• 다성분 및 다상류를 모델링하는 데 있어 이러한 도구의 정확성과 신뢰성 평가.
• 압축성 유동, 열전달 및 캐비테이션을 시뮬레이션하는 데 있어 그 효과성 검토.
• 실험적 측정이 실현 불가능하거나 너무 비용이 많이 드는 상황에서 CFD 도구가 물리적 실험의 타당한 대안이 될 수 있는지 판단하는 것.
• 최신 CFD 플랫폼에 구현된 유동 모델에 대한 종합적인 개요 제공.

제안 방법

• CFX, 플루언트, STAR-CD를 포함한 주요 CFD 소프트웨어 패키지에 구현된 유동 모델을 검토한다.
• 다상류 및 다성분 유동을 시뮬레이션하기 위해 사용되는 수치적 방법과 물리 모델을 분석한다.
• 적절한 상태 방정식과 리만 해법을 사용하여 압축성 유동 영역을 처리하는 방법을 검토한다.
• 도함수, 대류 및 열에너지 방정식을 포함한 열전달 모델의 통합을 평가한다.
• 상용 해석기에서 동종 모델 및 혼합 모델과 같은 캐비테이션 모델의 구현을 고려한다.
• 이러한 모델의 이론적 기초를 복잡한 흐름 시나리오에서의 실질적 시뮬레이션 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현대 CFD 소프트웨어는 다상류 및 다성분 유체 흐름을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 CFD 도구는 충격파 및 패널 확장파를 포함한 압축성 유동을 얼마나 잘 모델링하는가?
• RQ3 CFD 도구는 복잡한 기하학적 구조와 흐름 영역에서 열전달 현상을 얼마나 신뢰성 있게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 이 도구들은 캐비테이션 및 상변화 과정을 모델링하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 어떤 상황에서 CFD 시뮬레이션은 물리적 실험의 타당한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• CFX, 플루언트, STAR-CD와 같은 상용 CFD 소프트웨어 도구는 높은 정밀도로 복잡한 유체역학 현상을 시뮬레이션할 수 있다.
• 이 도구들은 고급 수치적 스킴과 물리 모델을 사용하여 다상류 및 다성분 유동을 효과적으로 모델링하는 데 뛰어난 성능을 보인다.
• 이 플랫폼들을 통해 충격 및 패널 확장파 전파를 포함한 압축성 유동의 정확한 시뮬레이션을 구현할 수 있다.
• 내장된 에너지 방정식과 난류-열 연성 모델을 사용하여 도함수 및 대류와 같은 열전달 효과가 효과적으로 모델링된다.
• 동종 균형 모델 및 증기 체적 분율에 대한 운반 방정식을 포함한 기존 모델을 사용하여 캐비테이션 현상을 시뮬레이션할 수 있다.
• 이 연구는 실험 측정이 실현 불가능하거나 너무 비용이 많이 드는 경우 CFD 시뮬레이션이 물리적 실험의 신뢰할 수 있는 대안이 될 수 있음을 확인한다.