공기 흡입구 어셈블리의 3차원 난류 유체 흐름을 시뮬레이션 하고자 합니다. 공기 흡입구 어셈블리 내부에는 들어오는 공기를 깨끗하게 해주는 공기 필터가 포함되어 있습니다. 3DEXPERIENCE platform의 유동해석 시뮬레이션 사용자 역할인 Fluid Dynamics Engineer를 사용하여 다공성 매체 모델링과 함께 정상 상태의 비압축성 유체 흐름 분석을 수행해 보도록 하겠습니다. Fluid Dynamics Engineer로, SIMULIA 플랫폼에 기반을 둔 CFD 프로그램입니다. Fluid Dynamics Engineer는 일반적인 CFD(Computational Fluid Dynamics) tool에서 사용하는 기본 이론인 RNAS 방정식(Reynolds Avergaged Navier-Stokes 방정식)을 활용하여 정확도와 효율성을 동시에 가지는 유동 해석 애플리케이션으로, 일반적인 정상 상태, 비정상 상태 유동 해석부터 음속 유동 해석, 혈액과 같은 비뉴턴 액체에 대한 해석이 가능하고, 또한 팬이나 필터, 배플등을 표현하기 위한 모델링 기법도 활용 가능합니다. 그림. 1 Possible simulation in Fluid Dynamics Engineer I. 해석조건 설정하기전반적인 해석의 흐름과 과정을 해석 시나리오 구성의 흐름에 따라 설명하고자 합니다. Fluid Dynamics Engineer는 주어진 CAD 어셈블리에서 사용자가 해석에 포함시킬 영역을 선택할 수 있습니다. 따라서 전체 또는 일부분에 대한 해석을 진행할 수 있습니다. 우선 해석에 포함될 영역을 결정하기 위하여 Contributing shape manager를 통해 주어진 어셈블리에서 Air intake filter를 제외한 모든 파트들을 해석에 포함시킵니다. 그림. 2 Contributing Shapes Manager 설정 조건 Air intake Filter A.1 (Air Intake Filter1) 부품을 제외한 모든 부품을 체크합니다. 그림. 3 Fluid Domain 설정 조건 (Parts 부분) 한편 본 해석은 공기가 어셈블리 내부로 흐르는 내부 유동의 형태이므로 주어진 지오메트리를 기준으로 유체 영역(Fluid domain)을 정의해주어야 합니다. 이를 위해 그림 4~6에서처럼 흡입구와 배기구 영역을 선택하여 어셈블리 내부가 유체로 채워져 있음을 정의합니다. 이후 실제 해석에 필요한 mesh를 생성할 때 이러한 영역을 프로그램이 자동적으로 감지하여 유체 영역에 대한 mesh를 자동 생성합니다. 2. Parts 부분 – 화면에서 어셈블리를 드래그해 모든 부품을 선택합니다. 그림. 4 Fluid Domain 설정 조건 (Regions 부분) 3. Regions 부분 – 흡입구와 배기구 내부 면을 선택해 각각 영역을 정의합니다. 그림. 5 Fluid Domain 설정 조건 (Openings 부분) 4. Openings 부분 – 흡입구와 배기구 모서리 선을 선택해 각각 영역을 정의합니다. 그림. 6 Fluid Section 설정 조건 이후 platform에 저장되어 있는 공기 재질을 앞서 정의한 Fluid domain에 부여합니다. 그림 7에 표시된 필터 영역에 대해서는 Porous section을 정의한 후 관련 재질을 부여합니다. 5. 작성한 2개의 Fluid Domain을 선택해 Air 재질을 적용합니다. 그림. 7 Porous Section 설정 조건 6. 필터를 선택해 Porous Substrate 재질을 적용합니다. 그림. 8 Mass Flow Inlet 설정 조건 7. Mass flow rate : 0.08kg_s흡입구 영역에 조건으로서 질량 유량을 단위시간단 0.08kg으로 정의하여 유동 흐름에 대한 조건을 고려한다. 한편 반대쪽 배기구 영역에는 대기압인 static gauge pressure를 고려하였다. 이후 다공성 매체인 필터 영역에 대한 조건을 몇 가지 정의한 후 mesh를 생성합니다. 그림. 9 Pressure Outlet 설정 조건 8. Static gauge pressure : 0N_m2 그림. 10 Porous Zone설정 조건 그림. 11 Hex-Dominant Mesh설정 조건 9. Maximum size : 20mm, Minimum size : 6mm / First layer thickness : 1mm, Number of layers : 5해석에 고려된 요소 모델의 경우 기본적으로 platform이 제공하는 강력한 mesh 도구인 Hex-Dominant Mesh 기능을 활용하여 생성하였다. 기본적인 요소의 최대 크기는 20mm, 최소 크기는 6mm로 설정하였고 boundary layer는 5개로 설정하였고 그 두께는 1mm로 설정하였다. 이러한 몇 가지 조건을 부여하고 나면 요소 모델은 자동으로 생성된다. 2. 해석 결과Fluid Dynamics Engineer를 사용하여 다공성 매체 모델링과 함께 정상 상태의 비압축성 유체 흐름 분석을 수행한 결과들을 그림 12에 나타내었습니다. Assistant panel을 이용해 내부 유동 시뮬레이션을 위한 유체 영역 및 다공성 영역을 생성하고, 유체 영역과 다공성 영역을 메시 진행하게 되면 손쉽게 해석에 필요한 모델을 구성할 수 있으며 CFD 시뮬레이션에 필요한 초기 및 흐름 조건을 적용하고 결과 후처리에 대해 확인하였습니다. 그림. 12 해석 결과 확인 Fluid Dynamics Engineer 애플리케이션을 활용하여 기체 유동을 클라우드 환경을 사용해 계산을 진행함으로써 빠른 결과를 얻을 수 있었습니다. 기체의 흐름부터 포화도, 밀집 요소까지 클라우드 기반의 Fluid Dynamics Engineer를 고사양의 하드웨어 없이도 높은 수준의 해석을 언제 어디서나 진행해 보시길 바라겠습니다. 공기와 기체가 혼합한다면??▶
