대용량 전산유체역학 데이터의 효과적 분석을 위한 2차 변수 분석 시스템의 설계 및 구현

이중연,허영주,이세훈,김민아 한국정보과학회 2019 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.25 No.11

Computational Fluid Dynamics (CFD) is a branch of fluid mechanics that solves partial differential equations depicting fluid flows using a set of algebraic equations with computers. Although a substantial number of variables is calculated in CFD, only a few can be stored in the file system due to its limited storage capacity. This has necessitated the use of a functionality that calculates secondary variables at the time of analysis, which generally occurs at the post-processing stage. In this paper, we suggest an effective analysis system for the secondary variable of a massive CFD dataset. We prove the usefulness of the proposed system by evaluating its performance and usability using real-world vessel CFD data. Through this process, we verified the performance and the usability of the system, which are 5.96 times higher and 1.43 times better than those of existing CFD analysis tools, respectively. 전산유체역학은 컴퓨터를 이용해서 유체현상을 모사하는 미분방정식의 해를 풀고 해석하는 학문이다. 복잡한 유체현상을 해석하기 위해서는 여러 종류의 CFD 변수를 계산해야 하는데, 데이터의 크기가 대규모가 될 경우, 한정적인 스토리지의 용량으로 인해 필수적인 변수만을 스토리지에 저장하고, 나머지 CFD 변수들은 후처리 시점에 계산하는 경우가 많다. 본 논문에서는 전산유체역학 응용에서 많이 사용하는 CFD 변수들에 대해 각 변수를 후처리 시간에 효과적으로 계산하고 분석할 수 있도록 하는 2차 변수 분석 시스템을 제안하고자 한다. 또한, 제안하는 시스템의 성능 및 사용성 평가를 통해 해당 시스템의 유용성을 검증한다. 이러한 검증 과정에는 실세계에서 사용되는 선박유동해석 데이터가 사용되었다. 이를 통해 기존 시스템 대비 최대 5.96배의 좋은 성능과 1.43배의 높은 사용성을 보임을 검증하였다.

분자동역학과 전산유체역학을 이용한 채널 내에서의 혼합유동에 관한 연구

이현섭(Hyunsub Lee),손기헌(Gihun Son) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11

In this study, we investigate mixing phenomena of two fluids in a solid channel using Computational Fluid Dynamics(CFD) software, FLUENT. The channel diameter is varied from 1m to 0.01㎛ and its effect in the mixing phenomena is quantified. As the channel diameter decreases, the viscous force is dominant and the volume fraction of air decrease in the channel after merged. Also, we simulate the fluid mixing cases with 0.01㎛ channel size using Molecular Dynamics(MD) software, Large-scale Atomic/molecular Massively Parallel Simulator (LAMMS). The MD results are compared with the CFD results.

전산유체역학 소프트웨어 적용성에 관한 규제 지침 개발을 위한 연료집합체 내부유동 분포 수치해석

이공희(Gong Hee Lee),정애주(Ae Ju Cheong) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.6

가압경수로에서 연료봉 다발 표면의 적절한 열제거는 노심 열적여유도 및 안전성 확보를 위해 중요하다. 많은 전산유체역학 소프트웨어들이 혼합날개가 장착된 연료집합체 내부의 복잡한 유동을 예측하기 위해 사용되어 왔으나, 전산유체역학 소프트웨어의 종합적인 평가를 위한 국내 규제지침이 마련되어 있지 않다. 따라서, 규제 관점에서 국내 원자력 안전 분야에 대한 전산유체역학 소프트웨어의 적용성에 관한 체계적인 평가 및 지침 마련이 필요하다. 본 연구에서는 국내 원자력 안전 분야에 대한 전산유체역학 소프트웨어의 적용성에 관한 체계적인 평가 및 지침 마련을 위해 원자력 안전 문제 계산에서 불확도를 제공하는 주요 인자들인 대류항 차분법 정확도 및 난류 모델이 선회 형태의 혼합날개가 장착된 연료집합체 내부의 난류 유동분포 예측 성능에 미치는 영향에 대한 민감도 분석 결과를 설명하였다. In a pressurized water reactor (PWR), appropriate heat removal from the surface of a fuel rod bundle is crucial to ensure thermal margins and safety. Although many computational fluid dynamics (CFD) software have been used to predict complex flows inside fuel assemblies with mixing vanes, no domestic regulatory guidelines exist for comprehensively evaluating CFD software. Therefore, from a nuclear regulatory perspective, performing a systematic assessment and preparing domestic regulatory guidelines are necessary to determine whether valid CFD software is used for nuclear safety problems. In this study, we provide a systematic evaluation and guidance on the applicability of CFD software to the area of domestic nuclear safety. The results of a sensitivity analysis for the effect of the discretization scheme accuracy for the convection terms and turbulence models (which are main factors that contribute to uncertainty in calculations of nuclear safety problems) on the prediction performance for the turbulent flow distribution inside the fuel assembly with swirl-type mixing vanes were explained.

전산유체해석(CFD) 모의를 이용한 다공형 스크류 노즐 입수관이 적용된 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 대한 유동특성

송준혁(Jun Hyuck Song),권종우(Jong Woo Kwon),최종웅(Jong Woong Choi),왕창근(Chang Keun Wang) 大韓環境工學會 2015 대한환경공학회지 Vol.37 No.1

본 연구는 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 목적을 두고 진행하였으며 입수관의 형태를 개선하여 물탱크 내부에서 발생하는 유동특성을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)모사 기법을 이용하여 분석 하였다. 기존에 물탱크에사용되던 자유낙하 방식의 입수관을 다공형 스크류 노즐 입수관으로 개선하고 유동 특성을 분석한 결과 노즐 안에 스크류날개가 설치된 경우 유동흐름의 폭이 넓게 분사 되었으며 원통형 물탱크 내부에서도 넓은 유동 흐름이 나타났다. 또한 사각형 물탱크에 다공형 스크류 노즐 입수관이 1개 설치되어 있을 경우와 2개 설치되어있을 경우의 유동해석과 추적자모의를 수행하였으며 그 결과 입수관을 2개 설치할 경우 MODAL, MORILL index값이 1에 가깝게 나타나 Plug Flow 특성에 근접하단 결과를 얻을 수 있었다. This study was carried out for the purpose of minimizing the area of rapid flow inside the water tank. And the shape of incurrent canal was improved, and then the characteristics of fluid flow occurring inside the water tank was analyzed by using the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation method. better multiple hoe screw nozzle incurrent canal was used instead of conventional drop current canal used for the water tank. And according to the results of analyzing the characteristics of fluid flow, in case a screw blade was installed inside the nozzle, fluid flow was sprayed wide. And wide fluid flow was shown inside the cylindrical water tank too. Besides, a tracer simulation was carried out, in case of installing 1 and 2 multiple hoe screw nozzle incurrent canals at the cubic water tank. As a result, MODAL, MODAL index value was close to 1, in case of installing 2 canals. Therefore, it was possible to obtain the results of being close to the characteristics of plug flow.

원자로 내부유동 예측을 위한 상용 전산유체역학 소프트웨어 성능 비교 연구

이공희(Gong Hee Lee),방영석(Young Seok Bang),우승웅(Sweng Woong Woo),김도형(Do Hyeong Kim),강민구(Min Ku Kang) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.12

전산유체역학 소프트웨어의 일부 개발자 및 사용자는 최신 전산유체역학 소프트웨어가 최소한 단상 원자로 안전문제는 타당하게 해석할 수 있을 것으로 생각하지만 계산 결과에는 여전히 제한성 및 불확실도가 존재한다. 현재 한국원자력안전기술원에서는 규제관점에서 원자로 안전문제에 대한 상용 전산유체역학 소프트웨어의 성능평가를 수행하고 있다. 본 연구에서는 축소 APR+ 원자로 내부유동 해석시 다공성 모델을 적용한 상용 전산유체역학 소프트웨어의 예측 성능을 평가하기 위해 ANSYS CFX R.14 및 FLUENT R.14 에 탑재된 수치모델을 이용하여 계산을 수행하였다. 결론적으로 전산유체역학 소프트웨어에 따라 축소 APR+ 원자로 내부유동 분포는 국부적으로 차이가 발생하였다. 비록 제한된 수의 측정치로 인해 상용 전산유체역학 소프트웨어간 예측성능을 평가하기에는 다소 한계가 있으나 CFX R.14 가 FLUENT R.14 에 비해 상대적으로 타당한 예측결과를 제시하였다. 한편 적용된 차분법의 차이로 인해 동일한 격자에 대해 FLUENT R.14 가 CFX R.14 에 비해 상대적으로 많은 계산 메모리를 필요로 하였다. 따라서 대용량 병렬 계산시 가용한 계산 자원에 적합한 전산유체역학 소프트웨어가 선정되어야 한다. Even if some CFD software developers and its users think that a state-of-the-art CFD software can be used to reasonably solve at least single-phase nuclear reactor safety problems, there remain limitations and uncertainties in the calculation result. From a regulatory perspective, the Korea Institute of Nuclear Safety (KINS) is presently conducting the performance assessment of commercial CFD software for nuclear reactor safety problems. In this study, to examine the prediction performance of commercial CFD software with the porous model in the analysis of the scale-down APR (Advanced Power Reactor Plus) internal flow, a simulation was conducted with the on-board numerical models in ANSYS CFX R.14 and FLUENT R.14. It was concluded that depending on the CFD software, the internal flow distribution of the scale-down APR was locally somewhat different. Although there was a limitation in estimating the prediction performance of the commercial CFD software owing to the limited amount of measured data, CFX R.14 showed more reasonable prediction results in comparison with FLUENT R.14. Meanwhile, owing to the difference in discretization methodology, FLUENT R.14 required more computational memory than CFX R.14 for the same grid system. Therefore, the CFD software suitable to the available computational resource should be selected for massively parallel computations.

CFD-DEM 연계기법을 이용한 모노파일 주위 입자 거동과 세굴현상에 대한 수치해석

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho) 한국해양환경·에너지학회 2018 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.11

본 연구에서는 해류에 노출되어 있는 모노파일 주위에서의 흐름과 입자 거동을 해석하여 세굴현상을 연구하였다. 유체와 해저지반을 구성하는 입자의 상호작용을 고려하기 위해 Eulerian 기반의 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 Lagrangian 기반의 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 연성하여 해석을 진행하였다. 해석코드는 소스코드가 공개된 전산유체역학과 이산요소법 라이브러리를 각각 활용한 연계기법을 사용하였다. 경계층 영역에서 모래 입자의 수송을 검증하고, 해석 결과는 Eulerian 기반의 전산유체역학 해석결과 및 실험 결과와 비교하였다. 해석 결과, Eulerian 기반의 전산유체역학 해석에서 예측이 어려웠던 세굴 심도를 보다 정도 높게 예측할 수 있었다. In this study, the scour and the behavior of sediment particles around a monopile exposed to a current were investigated. In order to consider the interaction between the particles on the seabed and the current, the coupling between a computational fluid dynamics (CFD) based on the Eulerian approach and a discrete element method (DEM) based on the Lagrangian approach was carried out. The solver was developed using the open source libraries for the CFD and the DEM. The results were compared with experimental data for the validation of the transport of sand particles in the boundary layer region. From the results, the scouring depth obtained by the developed method was more accurate than that by the Eulerian-based CFD.

CFD-DEM 연계기법을 이용한 원형 파일 주위 입자의 거동과 침식현상에 대한 수치해석 연구

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho Park) 한국해양환경·에너지학회 2018 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

해상풍력터빈 하부 구조물의 주위의 표사유동에 의한 세굴을 정확하게 예측하는 것은 구조물의 안정성에 있어서 매우 중요한 이슈이다. 이에 본 연구에서는 해류에 노출되어 있는 원형파일 주위에서의 흐름과 퇴적물 입자의 거동을 해석하여 세굴현상을 연구하였다. 해저면의 유체의 흐름과 해저지반을 구성하는 입자의 상호작용을 해석하기 위해 Eulerian기반의 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 Lagrangian기반의 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 연성을 하여 해석을 진행하였다. 전산유체역학과 이산요소법은 각각 소스코드가 공개된 라이브러리를 활용하여 개발하였다. 해석 결과는 Eulerian기반의 전산유체역학 해석결과 및 실험결과와 비교하였다. 해석 결과 Eulerian기반의 전산유체역학 해석에서는 세굴의 영역은 예측이 가능했던 반면 심도의 예측은 어려웠던 반면에 개발한 방법은 심도도 보다 정도 높게 예측할 수 있었다. An accurate prediction of a scour phenomenon due to the sediment transportation has been a important issue for offshore sub-structures. In this study, the scour phenomenon and flow field around the offshore sub-structure were studied. the coupling between a computational fluid dynamics (CFD) based on the Eulerian approach and a discrete element method (DEM) based on the Lagrangian approach was carried out. The solver was developed using the open source libraries for the CFD and the DEM. The results were comparied with the CFD results and experimental data. From the results, The developed method could predict the scour width and depth, while the CFD could predict the scour width.

전산유체역학을 활용한 연료전지실 내 수소 환기 특성 분석을 통한 안전설계 계획 최적화

장희라,황인주 국제차세대융합기술학회 2024 차세대융합기술학회논문지 Vol.8 No.2

최근 전세계적으로 탄소중립 목표달성을 위해 수소경제로의 전환을 시도하고 있다. 우리나라에서는 수소 경제 전환의 일환으로 수소도시개발을 추진하고 있다. 수소도시 중 주거 영역인 주택의 경우 수소를 에너지원으로 활용해 탄소발생을 줄이고 에너지 자립률을 높이고자 한다. 이를 위해 주택내 연료전지 전용실을 계획하나 밀폐공 간에서의 수소 누출시 폭발위험성이 있어 안전에 대한 고려가 필수적이다. 그러나 현재 수소 연료전지 전용실에 적합한 기준 및 안전을 고려한 설계 가이드도 미비한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 전산유체역학을 활용해 연 료전지 전용실에서 수소 누출시 내부 안전 설계 조건 변경을 통해 최적의 수소 환기 조건을 갖는 안전설계 계획 을 검토해보고자 한다. Recently, there have been efforts worldwide to transition to a hydrogen economy to achieve carbon neutrality. In South Korea, as part of the transition to a hydrogen economy, efforts are being made to develop hydrogen cities. In the residential areas of these hydrogen cities, particularly in houses, there is a desire to utilize hydrogen as an energy source to reduce carbon emissions and increase energy self-sufficiency. For this purpose, plans are being made for dedicated fuel cell rooms within homes. However, due to the potential explosion risks associated with hydrogen leakage in enclosed spaces, safety considerations are essential. Currently, there is a lack of adequate standards and design guidelines that prioritize safety for fuel cell rooms. Therefore, this study aims to utilize computational fluid dynamics(CFD) to review the safety design plans by altering the internal safety conditions when hydrogen leaks in fuel cell rooms, with the objective of establishing optimal hydrogen ventilation conditions for a safe design.

전산유체역학을 이용한 연구로에서의 사이폰 차단 계산

박홍범(Hong Beom Park),서경우(Kyeongwoo Seo),김성훈(Seong Hoon Kim) 대한기계학회 2016 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2016 No.12

In an open pool type research reactor, the pool water has a role of the ultimate heat sink and behaves as a shielding barrier for the reactor core and the spent fuel. So guaranteeing the pool water inventory to be more than a minimum level is important tasks in research reactor. If the components of primary cooling system are below the core level, siphon break valves are needed to guarantee the poo water inventory. The performance of siphon break is dependent on the size of siphon break valve. To decide the size of siphon break valve, computational fluid dyanamics is carried out by commercial code. In this study, the comparison of Fluent and CFX is studied in siphon break.

전산유체역학을 이용한 수중운동체 저항해석 및 예인수조에서의 저항시험 방법에 대한 고찰

박정훈(Jeonghoon Park),김성훈(Sunghoon Kim),정배균(Baegyun Jeong),김종순(Jongsoon Kim) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

Flow Resistance is very important element in flight performance of underwater vehicle. Generally, We used the method of towing model in constant velocity and measuring force to obtain the resistance. However, resistance in real flight velocity of vehicle is calculated by applying theoretical prediction of surface vehicle resistance test, because of performance limit of towing tank(for example, towing velocity Etc.). In this paper, we calculated resistance of underwater vehicle by using CFD(Computational Fluid Dynamics), and checked the reliability of simulation model, comparing to experiment results. In addition, resistance simulation results by applying towing tank method were compared to those by applying real flight velocity, and we verified feasibility of prediction in towing tank test.