[논문 리뷰] TwoPhaseFlow: An OpenFOAM based framework for development of two phase flow solvers

Henning Scheufler, Johan Roenby|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 01.

Fluid Dynamics and Heat Transfer인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 표면 장력 및 상변화 모델링을 위한 고급 이상류 해석기법의 개발과 검증을 간소화하는 오픈소스의 OpenFOAM 기반 프레임워크인 TwoPhaseFlow을 제시한다. 런타임 선택 메커니즘을 통합함으로써 곡률 계산 방법(높이 함수, 포물선 피팅, 재구성 거리 함수)과 상변화 모델(계면 열저항, 직접 열역학 흐름)의 빠른 구현 및 비교를 가능하게 하여, 정규격 및 비정규격 메쉬에서 모두 잡음 전류를 10배 이상 감소시키고 정확도를 향상시킨다.

ABSTRACT

One of the prevailing challenges in Computational Fluid Dynamics is accurate simulation of two-phase flows involving heat and mass transfer across the fluid interface. This is currently an active field of research, which is to some extend impaired by a lack of a common programming framework for implementing and testing new models. Here we present a new OpenFOAM based open-source framework allowing fast implementation and test of new phase change and surface tension force models. Capitalizing on the runtime-selection mechanism in OpenFOAM, the new models can easily be selected and compared to analytical solutions and existing models. As a start, the framework includes the following curvature calculation methods for surface tension: height function, parabolic fit, and reconstructed distance function method. As for phase change, interface heat resistance and direct heat flux models are available. These can be combined with three solvers covering the range from isothermal, incompressible flow to non-isothermal, compressible flow with conjugated heat transfer. By design, addition of new models and solvers is straightforward and users are invited to contribute their specific models, solvers, and validation cases to the library.

연구 동기 및 목표

• 열 및 질량 이동을 포함하는 이상류 모델 개발 및 테스트를 위한 표준화되고 확장 가능한 프로그래밍 프레임워크의 부족을 해결한다.
• 표면 장력 시뮬레이션에서 발생하는 부산물 전류를 감소시켜, 이는 VoF 방법에서 정확도를 저해하는 주요 과제이다.
• 유체 계면에서 질량 이동 및 온도 점프 조건을 포함한 상변화 현상의 정확하고 안정적인 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• OpenFOAM의 런타임 선택 메커니즘을 통해 신규 표면 장력 및 상변화 모델의 빠른 프로토타이핑 및 검증을 가능하게 한다.
• 기하학적 VoF(istoAdvector)와 색함수 기반 VoF(MULES)를 모두 지원하여 다양한 메쉬 유형 간의 호환성을 확보한다.

제안 방법

• OpenFOAM v1812의 런타임 선택 메커니즘을 활용하여 재컴파일 없이도 표면 장력 및 상변화 모델을 동적으로 로드하고 비교할 수 있도록 한다.
• 세 가지 곡률 계산 방법을 구현: 높이 함수 방법(HFM), 포물선 피팅(fitParaboloid), 재구성 거리 함수(RDF) — 이는 정확한 표면 장력력 계산을 위해 필수적이다.
• 세 가지 상변화 모델을 통합: 명시적 및 암시적 기반의 기울기 모델, Schrage 모델 — 모두 수치적 진동과 계면 흐림 현상을 최소화하도록 설계되었다.
• 세 가지 솔버를 지원: 비압축성 등온에서부터 비압축성 비이sovothermal 흐름까지의 공역 열전달을 포함한 유동을 가능하게 하여 다양한 물리적 영역에서의 시뮬레이션을 지원한다.
• 기하학적 VoF(istoAdvector)와 색함수 기반 VoF(MULES)를 사용하여 계면 이동을 처리하며, 후자는 표면 장력 및 곡률 계산에서 더 높은 정확도를 제공한다.
• 상변화 모델에서 온도와 질량 유량을 암시적 방식으로 결합하여 시간 단계 제약을 피하고 안정성을 향상시켰으며, 이는 Batzdorf와 Sato, Niceno의 접근 방식을 따르고 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OpenFOAM에서 이중상류 모델의 개발 및 검증을 가속화하기 위한 모듈식이고 오픈소스의 프레임워크를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 정규격 및 비정규격 메쉬에서 고급 곡률 모델(RDF, fitParaboloid)이 표준 gradAlpha 모델 대비 부산물 전류를 얼마나 줄이는가?
• RQ3 다양한 계면 재구성 방법과 결합했을 때, 서로 다른 상변화 모델(Schrage, 명시적/암시적 기울기)의 정확도 및 안정성은 어떻게 평가되는가?
• RQ4 이 프레임워크는 공역 열전달이 있는 비압축성 및 비이sovothermal 흐름을 포함한 다양한 유동 영역에서도 정확성과 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 기하학적 VoF와 색함수 기반 VoF 간의 계면 이동 방법의 선택이 표면 장력 및 상변화 시뮬레이션 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• RDF 및 fitParaboloid 곡률 모델은 정규격 및 비정규격 메쉬에서 모두 표준 OpenFOAM gradAlpha 모델 대비 잡음 전류를 10배 이상 감소시켰다.
• 정규격 육각형 메쉬에서 RDF 및 fitParaboloid는 사인파 기준 해석적 해와 거의 완벽한 일치를 보였고, gradAlpha는 상당한 편차를 보였다.
• 비정규격 삼각형 메쉬에서는 RDF가 높은 정확도를 유지했지만, fitParaboloid는 gradAlpha가 파형 진폭을 정확히 포착하지 못하는 것과 달리 정성적으로 타당한 행동을 보였다.
• 모든 테스트 케이스에서 기하학적 VoF 방법(istoAdvector)이 색함수 기반 VoF(MULES)보다 표면 장력 및 곡률 계산 정확도에서 뚜렷한 우월성을 보였다.
• RDF 곡률 모델과 직접 열역학 흐름(DHF) 상변화 모델의 조합은 수치적 진동을 최소화하면서도 안정적이고 정확한 상변화 현상 시뮬레이션을 가능하게 했다.
• 프레임워크는 rhoReactionThermo를 통해 다성분 상 모델링을 지원하여 향후 농도 기반 상변화를 포함한 반응성 이중상 유동으로의 확장이 가능하다.