Simcenter STAR-CCM+ 회전 MRF-VOF 사용시 VOF 계면의 이동이 비물리적으로 보이는 현상에 대한 설명(Non physical VOF Iso surface using MRF and VOF)
2024-01-01T23:49:32.000-0500
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요약
모터 냉각등과 같이 오일을 VOF로 모델링하고, 회전 모션에 대해서 MRF(회전)를 사용하는 경우 실제 현상과 다른 양상을 보일 수 있다. 이런 문제를 이해 하고 해결 방법에 대해 알아 보고자 한다. 결론적으로는 Rigid Body Motion이나 Tangential Velocity조건을 사용하면 된다.
세부 정보
VOF와 MRF를 같이 사용할 때 발생하는 문제에 대해 알아 보자.
문제가 발생할 수 있는 조건은 다음과 같다.
회전 속도가 (Grid Flux) VOF의 이동 속도보다 빠른 경우, 회전 영역에 유동을 유발하는 형상이 없는 경우
조건에 따라 다르기는 하겠지만, 예를 들어 모터의 경우 5000RPM이상인 경우 문제가 발생할 수 있다. Grid Flux 계산은 ω×r 값이 들어 가게 되는데 이때 ω가 회전 속도로서 회전속도가 낮으면 Grid Flux가 낮아서 VOF값이 MRF내에서 직진 할 수 있는 것이고, 만약 ω가 높으면 MRF 영역에 들어가자 마자 회전 하게 된다.
문제가 발생할 수 있는 형상은 아래 그림과 같다.
좌측 그림은 옆에서 본 단면 인데 노란색 부분이 MRF영역이고, 파란색 부분이 Stationary 영역이다. 해석 도메인에 회전에 의해 유동을 일으키는 영역은 좌측에 보이는 분홍색 표면 밖에는 없다. 그리고 두 그림에서 Inlet으로 표시된 부분은 VOF(오일)가 나오는 입구이다.
아래 그림과 같이 VOF ISO 표면을 보면 VOF의 유동방향이 MRF인터페이스 바로 안쪽에서 MRF에 의해 급격하게 변경 된 것을 볼 수 있다. 위에서 언급했듯이 MRF영역 안에는 Grid Flux를 계산해서 모멘텀이 추가 되게 되는데 회전 속도가 워낙 빠르다 보니 실제로는 유동이 벽면에 부딪혀야 하지만, MRF영역 안으로 들어오자 마자 비물리적으로 변경되는 것을 확인 할 수 있다.
위에서 언급한 문제가 발생될 때는 아래와 같이 Rigid Body Motion / Tangential Velocity를 적용하는 것을 추천 한다.
문제가 발생할 수 있는 조건은 다음과 같다.
회전 속도가 (Grid Flux) VOF의 이동 속도보다 빠른 경우, 회전 영역에 유동을 유발하는 형상이 없는 경우
조건에 따라 다르기는 하겠지만, 예를 들어 모터의 경우 5000RPM이상인 경우 문제가 발생할 수 있다. Grid Flux 계산은 ω×r 값이 들어 가게 되는데 이때 ω가 회전 속도로서 회전속도가 낮으면 Grid Flux가 낮아서 VOF값이 MRF내에서 직진 할 수 있는 것이고, 만약 ω가 높으면 MRF 영역에 들어가자 마자 회전 하게 된다.
문제가 발생할 수 있는 형상은 아래 그림과 같다.
좌측 그림은 옆에서 본 단면 인데 노란색 부분이 MRF영역이고, 파란색 부분이 Stationary 영역이다. 해석 도메인에 회전에 의해 유동을 일으키는 영역은 좌측에 보이는 분홍색 표면 밖에는 없다. 그리고 두 그림에서 Inlet으로 표시된 부분은 VOF(오일)가 나오는 입구이다.
아래 그림과 같이 VOF ISO 표면을 보면 VOF의 유동방향이 MRF인터페이스 바로 안쪽에서 MRF에 의해 급격하게 변경 된 것을 볼 수 있다. 위에서 언급했듯이 MRF영역 안에는 Grid Flux를 계산해서 모멘텀이 추가 되게 되는데 회전 속도가 워낙 빠르다 보니 실제로는 유동이 벽면에 부딪혀야 하지만, MRF영역 안으로 들어오자 마자 비물리적으로 변경되는 것을 확인 할 수 있다.
위에서 언급한 문제가 발생될 때는 아래와 같이 Rigid Body Motion / Tangential Velocity를 적용하는 것을 추천 한다.