FLUENT
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■ FLUENT는 세계에서 가장 많이 사용하고 있는 상용 전산유체역학(CFD) 해석 프로그램입니다. 전산유체역학 해석에 필요한 전처리(Pre-processing), 계산(Solving), 후처리(Post-processing)의 모든 작업을 할 수 있는 패키지 프로그램의 이름인 동시에 계산 프로그램(Solver)의 이름이기도 합니다. FLUENT 소프트웨어 패키지는 전처리기인 GAMBIT, TGRID와 계산 및 후처리 프로그램인 FLUENT로 구성되어 집니다. FLUENT는 여러 가지 다양한 물리적 모델을 갖고 있어 항공우주, 자동차, 조선, 건설, 화공, 금속, 전기전자 등의 산업분야 뿐 아니라 스포츠, 레저, 의학 분야에까지 광범위하게 사용되고 있습니다. 최근 FLUENT의 다양한 3차원 CAD 연동 기능과 강력한 병렬연산기능 및 사용의 편리성은 시뮬레이션에 필요한 시간을 대폭 단축시킬 수 있어, 전산유체역학의 적용을 첨단 기술개발 단계 뿐 아니라 영업, 설계, A/S 등의 과정에까지 확장시키고 있습니다.
■ 수치해석기법 및 병렬계산 기능
♦ FLUENT는 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)을 사용하는 비정렬격자 계산 프로그램입니다. 사면체, 육면체, 프리즘, 피라미드, 다면체(Polyhedral) 격자를 지원하기 때문에 아무리 복잡한 형상이라도 문제 없이 모델링 할 수 있습니다. 또한 모든 분야에 적용이 가능하도록 다양한 수치해석기법을 보유하고 있습니다. Pressure-Based Coupled Solver, Pressure-Based Segregated Solver, Density-Based Implicit Solver, Density-Based Explicit Solver를 내장하고 있어, 아음속에서 극초음속유동까지 각자의 문제에 가장 적합한 솔버를 선택하여 정확하고 효율적인 계산을 수행할 수 있습니다. 많은 계산시간이 소요되는 비정상상태 계산의 경우에도 NITA(Non-Iterative Time Advance) 기법을 선택할 수 있어 빠른 시간내에 결과를 얻을 수 있습니다. 최근 컴퓨터 클러스터링 기술의 발달로 계산 격자의 수가 매우 빠른 속도로 늘어나고 있습니다. 최근 FLUENT의 강력한 병렬계산 기능을 사용하여 약 10억개의 격자를 사용한 해석이 수행된 바 있습니다. FLUENT는 리눅스, 유닉스, 윈도우, 혼합 클러스터를 모두 지원하며, 자동 격자분할 기능 및 계산 중 최적의 격자분할을 유지할 수 있는 기능이 있습니다.
■ 난류, 유동 소음
♦ FLUENT는 비점성유동, 층류유동, 천이유동, 난류유동을 해석할 수 있습니다. 난류유동의 해석을 위한 모델은 현재까지 개발된 거의 모든 난류모델을 보유하고 있으며 사용자가 기존의 모델을 일부 수정할 수도 있도록 되어 있습니다. 또한 벽면 근처에서 일정한 y+ 값을 유지할 수 있도록 계산값을 통한 적응격자기법을(Dynamic Mesh Adaption) 사용할 수 있습니다.
♦ 난류모델 : Mixing length model, k-e model series (standard, RNG, realizable, Row Reynolds), k-w model series (standard, SST, SST Transition), k-kl-w model, v2f model, Reynolds stress model, DES (Detached Eddy Simulation), LES (Large Eddy Simulation)
♦ FLUENT는 유동소음 해석을 위해 네 가지 방법을 사용할 수 있습니다. 첫째로 소음원과 측정위치가 모두 계산영역 안에 있어 음파의 생성과 전파를 모두 계산해 내는 방법이 있습니다.(전산공력음향학, CAA : Computational AeroAcoustics) 이 방법은 가장 정확하지만 많은 계산 용량이 필요합니다. 둘째 방법은 소음원에 대한 해석만 수행하고 발생한 소음의 전파에 관한 문제는 소음 전용 BEM 프로그램을 이용하여 계산하는 방법입니다. Sysnoise나 Actran 같은 소음 전용 프로그램과의 데이터 호환이 지원됩니다. 셋째 방법은 음향상사법(Acoustic Analogy Method)으로 이 방법도 소음원에 대한 해석을 한 다음 소음의 전파는 Ffowcs-Williams and Hawkings 등의 상사식을 이용하여 계산합니다. 네번째로 가장 간단한 방법은 정상상태 RANS 난류해석을 통해 얻은 결과와 경험적 상사식을 이용해 소음을 예측하는 방법입니다.(Broadband Noise Model)
■ 열전달
♦ FLUENT는 전도, 대류열전달 및 전도와 대류의 혼합열전달을 해석할 수 있습니다. 열교환기 모델(Heat Exchanger Model)을 사용하면, 계산 영역 내부에 있는 열교환기를 세부적 모델링 없이 NTU 방법 등을 사용하여 고려할 수 있습니다. 복사열전달을 해석하기 위한 모델은 DTRM (Discrete Transfer Radiation Model), Rosseland 모델, P1 모델, DOM (Discrete Ordinates Model), S2S (Surface to Surface) 모델이 있습니다. P1과 DOM을 사용하면 가스 복사를 고려할 수 있으며, DOM은 복사의 비 등방성, 파장, 투과 등을 모두 고려할 수 있습니다. 태양복사를 계산에 포함시키기 위한 solar radiation model이 있으며 위도와 경도, 계절 및 시간에 따른 태양복사를 계산해 주는 Solar Calculator 도 내장되어 있습니다.
■ 다상유동
♦ FLUENT는 VOF (Volume of Fluid) 모델, Eulerian 다상유동모델, Mixture 모델, Discrete Phase 모델 등의 다양한 다상유동 모델을 제공하고 있습니다. 이 모델들을 사용하면 상변화, 캐비테이션, 자유수면, 유동층, 반응기, 분리기 등 다양한 다상유동을 계산할 수 있습니다. 다상유동 모델은 화학반응 모델, Dynamic Mesh 등 FLUENT의 다른 기능들과 함께 사용할 수 있어 부유체의 운동성, 슬로싱, 슬래밍등의 충격문제 등을 해석할 수 있습니다. 증기터빈에서 증기의 응축을 예측할 수 있는 Wet Steam model로 장착되어 있습니다.
♦ 입자유동을 계산하는 Discrete Phase 모델은 고체 및 액체의 입자상과 연속체인 유체의 운동량, 열, 질량의 상호 전달을 계산할 수 있습니다. 연소기기의 연료분사를 모델링하기 위한 분무기(Atomizer) 모델들이 있으며 스프레이 입자의 충돌(Collision) 및 분열(Breakup)을 고려할 수 있습니다. 입자의 크기 분포 및 조밀도 등에 따라 필요한 다양한 추가 모델들도(Fine Particle Model, Macroscopic Particle Model, Population Balance Model 등) 사용할 수 있습니다.
■ 화학종 보존 및 화학반응
♦ FLUENT는 화학종 보존 방정식을 계산할 수 있어 여러 유체의 혼합현상을 예측할 수 있습니다. 이 기능은 혼합기 성능 예측, 공기조화 계산시 습도계산, 대기 환경 문제와 관련된 오염물 확산 등에 많이 적용되고 있습니다.
♦ 화학종 보존 방정식과 함께 화학반응을 계산할 수 있습니다. 화학반응 계산은 가스나 액체상 간의 반응(Volumetric Reaction), 고체 표면 반응(Surface Reaction), 입자표면반응(Particle Surface Reaction)이 가능합니다. 난류에 의한 혼합과 화학반응과의 관계에 따라 Finite rate, Eddy dissipation, EDC 등의 해석 방법을 제공합니다. 연소형태에 따라서는 예혼합화염(Premixed combustion), 비예혼합화염(Non-premixed combustion), 부분예혼합화염(Partially-premixed combustion) 모델이 있습니다. 많은 화학반응식을 계산하는 경우 계산시간을 줄이기 위해 ISAT(In Situ Adaptive Tabulation) 방법을 사용하며, 화학반응 해석 전용 프로그램인 CHEMKIN과 연동 해석이 가능합니다. 오염물 생성 예측을 위한 NOx, SOx, Soot 모델이 있으며 내연기관 해석을 위한 Spark Ignition 모델과 Ignition Delay 모델이 지원됩니다.
■ 회전체 해석
♦ 압축기, 터빈, 팬 등의 회전체 해석을 위한 방법으로는 정상상태 해석이 가능한 Moving Reference Frame 모델이 있으며, 실제로 회전체를 돌릴 때는 Sliding Mesh 기법이나 Dynamic Mesh 기법을 사용할 수 있습니다. 회전체를 모델링하지 않고 압력-유량 곡선을 이용하는 Fan 모델도 제공됩니다. VBM(Virtual Blade Model)은 에어포일의 공력데이터와 블레이드요소이론(Blade Element Theory)를 이용하여 회전체를 원판으로 모델링하여 계산할 수 있는 모델입니다. 이 모델은 에어포일의 형상 변화나 비틀림, 피치각 변화 등을 고려할 수 있기 때문에 헬리콥터나 풍력터빈, 팬 등에 적용할 수 있습니다. 고속으로 회전하는 터빈과 같은 유체기계의 후방경계에서 압력파의 반사를 막아주는 Non-reflecting Boundary Condition 을 사용할 수 있어 정확하고 효율적인 계산이 가능하며, 유체기계 해석 후처리를 위한 Turbo-Post 기능을 제공합니다.
■ Dynamic Mesh
♦ FLUENT 는 계산중 물체나 물체의 경계면의 움직임을 구현할 수 있습니다. 운동이 정해져 있는 경우뿐 아니라 유동에 의해 운동이 결정되는 6자유도 운동의 구현이 가능합니다. 6자유도 중 필요에 따라 어떤 것이든 자유도를 구속하는 것도 가능합니다. 격자의 움직임은 Smoothing, Layering, Remeshing 기능을 적절히 혼합하여 사용할 수 있어 아무리 복잡한 운동이라도 격자의 질을 유지하면서 구현할 수 있습니다. Remeshing 기능은 적응격자기법(Dynamic Mesh Adaption) 기능과 함께 사용이 가능하여 필요한 부분의 격자 조밀도를 유지할 수 있습니다. 내연기관 엔진의 피스톤 및 밸브의 운동, 항공기의 Store separation 문제, 운송체의 조종 및 안정성 문제, 자유낙하 문제 등의 대표적 문제들 뿐만 아니라 유체-고체 연성해석(FSI : Fluid-Structure Interaction) 문제를 구현함에 있어서도 이와 같은 운동의 자유로운 구현은 매우 큰 장점이 되고 있습니다.
■ 유체-구조 연성해석 (FSI :Fluid Structure Interaction)
♦ 1 way FSI
FLUENT의 온도, 압력, 힘 계산 결과를 다른 구조해석 프로그램에 넘겨 구조해석을 수행할 수 있습니다. 아래 그림과 같은 그래픽 창에서 ANSYS, ABAQUS, I-deas, NASTRAN, PATRAN 파일 형식으로 결과를 넘길 수 있으며 FLUENT 계산격자와 구조해석 프로그램의 계산격자가 같을 필요는 없습니다.
♦ 2 way FSI
FLUENT와 구조해석 프로그램 간의 양방향 FSI 계산을 위해서는 MpCCI 라는 다른 프로그램이 필요합니다. MpCCI 는 독일의 Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI 라는 곳에서 개발된 프로그램입니다. (www.scai.fraunhofer.de)
MpCCI 는 FSI 문제 뿐 아니라 복사열전달, 전자기장, 1차원 파이프라인 시스템, 유체-유체 연성 등 다양한 Multi-physics 에 적용할 수 있습니다.
MpCCI가 지원하는 상용 프로그램들은 FLUENT, ICEPAK, ANSYS, StarCD, ABAQUS, Flowmaster, FLUX, MSC.Marc, PERMAS, RadTherm 등이 있습니다.
* 관련 자료 :
MpCCI 2008 Users Forum
■ 후처리
♦ FLUENT 솔버는 FLUENT Post 를 내장하고 있어 계산 중 언제든 필요한 후처리 작업을 할 수 있습니다. 속도 벡터 및 각종 스칼라 값은 분포(Contour), 유선 가시화, 입자 이동 추적, 2차원 그래프, 동영상 생성 등의 기능이 지원됩니다. 스칼라 값들의 평균값, 적분값을 계산할수 있으며 힘과 모멘트 계산 및 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행할 수 있습니다. 과거 CFX-Post 였던 Ansys CFD-Post 에서도 FLUENT 결과를 사용해 후처리 작업을 할 수 있으며 전용 후처리 프로그램인 Fieldview와 Tecplot에서도 FLUENT의 결과 파일을 직접 읽을 수 있습니다.
■ 사용자정의 함수
♦ FLUENT는 300가지 이상의 물리적 모델들을 제공하고 있지만 이것만으로는 충분하지 못한 경우가 있습니다. 이런 경우에는 C 언어와 FLUENT 매크로를 기반으로 하는 사용자정의함수를 사용할 수 있어 사용자가 필요한 기능들을 추가할 수 있습니다. 또한 journal 이라는 스크립트가 있어 반복작업들을 자동화할 수 있으며, Scheme 언어를 사용하여 프로그래의 그래픽환경(GUI)을 사용자가 원하는 대로 수정할 수 있습니다.
■ 추가 모듈
♦ FLUENT는 기본 사양에서 대부분의 기능을 사용할 수 있으나 다음과 같은 몇 가지 예외적인 추가 항목이 있습니다.
♦ Immersed Boundary module, V2F Turbulence module : 미국의 CASCADE Technology 사와 ANSYS사가 공동으로 개발한 격자생성 및 난류 계산 프로그램입니다.
* 관련자료 : Immersed Boundry Module
♦ MHD (Magneto-Hydro Dynamics) module, Fiber module, PEM Fuel cell module, SOFC Fuel cell module, Population Balance module : ANSYS사에서 개발한 추가 모듈입니다.
♦ SHIPGE FLUENT Interface Module : 울산과학대의 이승호교수님이 개발한 선박 외부 자동정렬격자 생성프로그램인 SHIPGE_GRD와 FLUENT를 연동할 수 있는 프로그램으로 ATES와 울산과학대가 공동으로 개발하였습니다. GAMBIT에서 선박의 형상 및 표면격자를 자동생성하고 SHIPGE_GRD에서 체적격자를 생성한 다음 FLUENT에서 계산하는 전과정을 자동화한 프로그램입니다.
♦ AT WIND : 지형을 고려한 대기 유동해석을 위해 ATES에서 개발한 프로그램입니다. 지형을 나타내는 DEM 파일을 이용하여 형상 및 격자생성 및 FLUENT 계산까지의 전과정을 자동화하였습니다.
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