블레이드-와류 간섭 현상에 대한 로터 전산구조동역학/전산유체역학 결합 해석의 상호 비교 연구

박재상,유영현,사정환,정성남,박수형 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

본 연구는 회전익 항공기의 저속 하강 비행 시에 발생하는 블레이드-와류 간섭 (BVI: Blade-Vortex Interaction) 현상에 대하여 두 종류의 로터 전산구조동역학/전산유체역학 연성 결합 해석의 결과를 상호 비교한다. 로터 전산 구조동역학 해석을 위하여 회전익 통합해석 코드인 CAMRAD Ⅱ 와 비선형 유연 다물체 동역학 코드인 DYMORE Ⅱ 를 각각 사용하며, 로터 전산유체역학 해석을 위하여서는 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) CFD 코드인 KFLOW 를 이용한다. CAMRAD Ⅱ/KFLOW 및 DYMORE Ⅱ/KFLOW 연성 결합해석을 HART (Higher harmonic control Aeroacoustic Rotor Test) Ⅱ 에 대하여 수행하여 각각의 공력하중, 로터 트림, 블레이드 끝단 변형, 구조하중 및 후류 위치 등의 해석 결과를 풍동 시험 결과와 비교할 뿐만 아니라 두 종류의 연성 결합 해석 결과를 상호 비교하여 유사점과 차이점을 연구한다. This paper conducts the code-to-code comparison study of rotor CSD (computational structural dynamics)/CFD (computational fluid dynamics) coupled analyses for BVI (blade-vortex interaction) phenomenon in low speed descending flight. The two different rotorcraft CSD codes, a rotorcraft comprehensive analysis code, CAMRAD Ⅱ and a nonlinear flexible multibody dynamics code, DYMORE Ⅱ, are used. RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) code, KFLOW, as a rotor CFD code is loosely coupled with CAMRAD Ⅱ and DYMORE Ⅱ, respectively. The two sets of the coupled analyses, CAMRAD Ⅱ/KFLOW and DYMORE Ⅱ/KFLOW, are compared with the measured airloads, trimmed pitch control angles, blade tip deformations, blade structural loads, and vortex positions of the HART (Higher harmonic control Aeroacoustic Rotor Test) Ⅱ. Through the comparison between CAMRAD Ⅱ/KFLOW and DYMORE Ⅱ/KFLOW analyses, the similarity and the difference of the prediction results are investigated.

고체 입자형 MPS법을 이용한 토사물 퇴적 시뮬레이션

김경성,유선진,안일혁 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회지 Vol.24 No.1

The particle based computational fluid dynamics (CFD) method, which follow Lagrangian approach for fluid dynamics, fluid particle behavior by tracking all particle calculation physical quantities of each particle. According to basic concept of particle based CFD method, it is difficult to satisfy continuum theory and measure influences from neighboring particle. Article number density and weight function were used to solve aforementioned issue. Difficulties continuum mean simulate non-continuum particles such as solid including granular and sand. In this regard, the particle based CFD method modified solid particle problems by replacing viscous and surface tension forces friction and drag forces. In this paper, particle interaction model for solid particle friction model implemented to simulate solid particle problems. The broken dam problem, which is common to verify particle based CFD method, used fluid or solid particles. The angle of repose was observed in the simulation results the solid particle not fluid particle. 입자기반 전산유체역학 기법은 유체역학에서의 라그란지안 접근법에 기반을 두고 있다. 입자기반 방식은 입자 각각이 물리량을 가지고 움직이며 이러한 입자의 움직임을 추적하는 방식으로 유체의 거동을 구현할 수 있다. 이러한 방식은 격렬한 움직임에 의한 자유표면 혹은 경계면의 운동 재현에 우수성이 있으나 연속체역학을 위반할 수 있다는 문제점 역시 포함하고 있다. 이를 반대로 말하자면 특별한 조치를 취하지 않는 경우에는 연속체가 아닌 물질에 대한 구현이 매우 쉽게 가능하다는 것이기도 하다. 이에 따라, 기존의 유체에서 사용되는 입자기반 전산해석방식을 지배방정식 단계에서부터 고체입자형으로 변형이 가능하다는 것을 알 수있다. 본 연구에서는 입자기반 전산해석방식을 고체입자에 알맞은 형태로 변환하였다. 변환을 위해 유체에서 사용되는 점성항을 제거하고 대신 마찰항을 추가하였다. 본 연구에서 개발된 고체입자형 전산해석 프로그램을 이용하여 고체입자의 붕괴를 구현하였으며 이를 유체입자 붕괴와의 비교를 통해 입증하였다. 또한 유체입자가 가질 수 없는 고체입자만의 특성인 안식각을 구현하여 고체입자를 위한 입자기반 전산해석 프로그램을 완성하였다.

전산 유체 역학 모델을 이용한 도시지역 흐름 및 열 환경 수치모의 검증

김도형,김근회,변재영,김백조,김재진 한국지구과학회 2017 한국지구과학회지 Vol.38 No.7

The purpose of this study is to verify urban flow and thermal environment by using the simulated Computational Fluid Dynamics (CFD) model in the area of Gangnam Seonjeongneung, and then to compare the CFD model simulation results with that of Seonjeongneung-monitoring networks observation data. The CFD model is developed through the collaborative research project between National Institute of Meteorological Sciences and Seoul National University (CFD_NIMR_SNU). The CFD_NIMR_SNU model is simulated using Korea Meteorological Administration (KMA) Local Data Assimilation Prediction System (LDAPS) wind and potential temperature as initial and boundary conditions from August 4-6, 2015, and that is improved to consider vegetation effect and surface temperature. It is noticed that the Root Mean Square Error (RMSE) of wind speed decreases from 1.06 to 0.62 m s−1 by vegetation effect over the Seonjeongneung area. Although the wind speed is overestimated, RMSE of wind speed decreased in the CFD_NIMR_SNU than LDAPS. The temperature forecast tends to underestimate in the LDAPS, while it is improved by CFD_NIMR_SNU. This study shows that the CFD model can provide detailed and accurate thermal and urban area flow information over the complex urban region. It will contribute to analyze urban environment and planning. 이 연구의 목적은 강남 선정릉지역에서 전산유체역학모델(CFD)을 사용하여 도시지역의 흐름 및 열 환경 모의를검증하는 것이고, CFD 모델의 모의결과와 선정릉 지역의 관측 자료와 비교하는 것이다. CFD 모델은 국립기상과학원과서울대가 공동으로 연구 개발된 모델이다. CFD_NIMR_SNU 모델은 기상청 현업 모델인 국지예보모델(LDAPS)의 바람성분과 온도성분을 초기 및 경계조건으로 적용되었고 수목효과와 지표 온도를 고려하여 2015년 8월 4일에서 6일까지강남 선정릉 지역을 대상으로 수치실험을 진행하였다. 선정릉지역에서 수목효과 적용 전후의 풍속을 비교하였을 때 평균 제곱근 오차(RMSE)는 각각 1.06, 0.62 m s−1로 나타났고 수목효과 적용으로 풍속 모의정확도가 향상되었다. 기온은 LDAPS 과소 모의하는 경향을 나타내고 CFD_NIMR_SNU 모델에 의해 향상된 것을 확인하였다. CFD_NIMR_SNU 모델을 이용하여 복잡한 도시지역의 흐름과 열 환경을 자세하고 정밀한 분석이 가능하며, 도시 환경 및 계획에 대한 정보를 제공 할 수 있을 것이다.

전산유체역학을 이용한 여과지 분배수로의 유량 균등분배에 관한 연구

류영석(Ryu, Young-Suk),정남정(Jung, Nahm-Chung),조명환(Cho, Myung-Hwan) 한국방재학회 2020 한국방재학회논문집 Vol.20 No.5

정수처리공정에서의 여과지는 미세입자를 제거하는 핵심공정으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 여과지 분배수로의 유입 유량 균등분배를 예측하기 위해 BIM 모델을 기초로 한 유동해석을 수행하였다. BIM 모델은 H정수장의 기본 및 실시설계 도면을 바탕으로 작성하였고, BIM 모델로부터 유동해석 모델을 형성하여 현재 운영 중인 H정수장의 여과지 분배수로 균등분배를 검토하였다. 여과지 분배수로의 최적의 유량 균등분배 방안을 도출하기 위해 전산유체해석 프로그램인 Autodesk CFD를 사용하였고, 버터플라이 밸브의 개도율과 STS 플레이트의 높이 조정에 따른 전산유체역학을 수행하였다. 유동해석 결과, STS 플레이트 높이 조정에 의한 방식이 버터플라이 밸브의 개도율 조정 방식과 비교하였을 때 유량 균등분배에 더 효율적인 방식인 것으로 나타났다. A filtration-basin is the most essential component to remove fine particles in water purification process. This study conducted a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis based on Building Information Modeling (BIM), to estimate flow distribution in the inflow distribution channel of the filtration-basin. The BIM model was prepared based on the preliminary construction design draft drawings, and a CFD analysis model was created from the BIM model. The distribution rate of the distribution channel currently operating within the filtration-basin was reviewed. To find the optimal operation method that ensures equal distribution of each filtration-basin, CFD analysis was carried out to compare the adjustment methods of opening the ratio of the butterfly valve and adjusting the height of the stainless steel (STS) plate, using Autodesk CFD software. The CFD analysis revealed that the STS plate method was more efficient at inducing equal distribution rates than the method of opening the ratio of the butterfly valve.

3 차원 유체역학 집속에 대한 채널 형상 및 유동 조건의 매개변수 연구

한경섭(Kyungsup Han),김동성(Dong Sung Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.1

최근 본 연구그룹은 국소적인 종횡비 증가를 기반으로 수평 분리벽 없이 검체의 3 차원 집속을 구현하는 3 차원 유체역학 집속 미세유체 장치(3D-HFMD)를 제안한 바 있다. 본 논문에서는, 다양한 형상 및 유동 조건에 따른 3D-HFMD 의 3 차원 유체역학 집속 거동 영향에 대한 연구를 수행하였다. 이에 3 차원 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해, 형상 및 유동 조건 변화에 대한 기존의 미세유체 장치와 본 연구 그룹이 제안한 3DHFMD의 3 차원 유체역학 집속의 매개변수 연구를 수행하였다. 수행된 CFD 시뮬레이션 결과를 바탕으로 3 차원 집속을 위한 채널 형상 디자인 및 유동 조건을 제안하였다. In our previous work, 3-dimensional hydrodynamic focusing microfluidic device (3D-HFMD) has been developed with the help of locally increased aspect ratio of thickness to width without any horizontal separation wall. In this study, we have investigated 3-dimensional hydrodynamic focusing behaviors inside the 3D-HFMD according to the various geometric and flow conditions. The parametric study has been extensively carried out for the effects of geometric and flow conditions on 3-dimensional hydrodynamic focusing with both 3D-HFMD and previous microfluidic device design based on three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulations. The CFD simulations suggested the proper design window of channel geometry and flow conditions.

전산유체역학을 통한 연동형 온실의 구조 설계 안정성 평가

김락우 ( Rackwoo Kim ),이인복 ( Inbok Lee ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

온실의 구조적 안정성 평가는 오랜 기간 동안 현장실험 및 풍동실험을 통해 이루어져 왔다. 그러나, 현장실험 및 풍동실험은 폐쇄율, 모델 제작비 등으로 인하여 연동 및 대형 온실에 대한 실험이 용이하지 않다. 이로 인하여, 최근에는 전산유체역학 시뮬레이션 (CFD)을 이용하여 온실에 작용하는 풍하중을 산정하고자 하는 연구들이 다양하게 수행되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 CFD를 이용하여 다양한 환경 조건에 따라 연동형 온실의 구조 설계 안정성을 평가하고자 한다. 먼저, 풍동 실험을 통해 다양한 환경 조건에 따라 간척지 풍환경을 적용하여 단동형 온실의 풍압 분포를 측정하였다. 풍동 실험의 결과와 비교 분석을 통해 풍압 분포를 도출하는 CFD 모델을 개발하였으며 y⁺, 해석 영역, 격자 독립성, 난류 모델의 비교를 통하여 해석 결과의 정확도를 향상하였다. 검증된 모델을 바탕으로 지붕 경사, 곡률반경, 풍향, 연동수에 따라 국내 대표적인 연동 온실인 와이드스판형, 벤로형, 1-2W형 온실의 풍압분포를 모의하였다. 또한, 모의한 결과로부터 풍압 계수를 추출하여 온실의 환경조건에 따라 구조 설계용 풍압계수와 외장재 설계용 풍압계수를 분석하였다. 풍동 실험의 결과를 토대로 도출된 CFD 모델의 최적 설계 조건은 첫 셀 격자 크기를 1.5 × 10^-4m, 격자 한 변의 길이 1.0 × 10^-2m, 후류의 길이가 15H, 난류 모델이 SST k-ω 모델일 때 d (Index of agreement) 및 R²(coefficient of determination)가 각각 약 0.98, 0.97로 가장 적합하였다. 검증된 모델로부터 연동형 온실의 풍압 계수를 분석한 결과, 풍상측 측벽 및 출구면은 바람이 들이치기 때문에 약 0.6의 정압을 갖는다. 지붕면의 풍상측 영역은 박리로 인하여 높은 부압이 형성되며 풍하측으로 갈수록 일정한 풍압 계수가 나타난다. 특히, 1-2W형 온실에서는 풍상측 첫 번째 지붕면에서 풍압 계수의 변동이 크고 모든 지붕면 용마루 부근에서 높은 부압을 갖는다. 전풍향을 고려하여 국부적인 풍압 계수를 분석한 결과, 온실 첫 번째 지붕면의 풍상측 중앙 부근과 모든 지붕면의 가장자리에서 높은 부압이 나타난다. 이러한 결과로부터 구조 설계용 풍압계수는 풍향이 0°, 90°일 때의 풍압계수를 온실 각 면에 대하여 평균하여 제시하였다. 또한, 외장재 설계용 풍압계수는 모든 풍향을 고려하여 최대 풍압계수를 도출하여 제시하였다.

EDISON_CFD : 웹 기반의 유체공학 교육 및 연구 환경

최요한(Y. Choe),이성욱(S. Lee),김종암(C. Kim) 한국전산유체공학회 2014 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

EDISON_CFD, an abbreviation of EDucation-research Integration through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics, is a web-based environment designed to support education and research for the fluid engineering. Its goal is the construction of a virtuous cycle between education and research by utilization of computational techniques. EDISON_CFD provides various simulation programs and contents for almost fluid engineering problems. Since 2011, EDISON_CFD have been used in various undergraduate courses at several universities. In this paper, we introduce the EDISON_CFD, the simulation programs and contents, and the utilization in education.

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.

전산유체역학을 이용한 풍력 터빈 블레이드의 풍력평가

이경수,한상을,하크 지아올,김효진 한국풍공학회 2014 한국풍공학회지 Vol.18 No.2

본 연구에서는 풍력터빈 블레이드에 대한 전산유체해석(CFD)을 수행하였다. 이를 위해서 National RenewableEnergy Laboratory(NREL)에서 수행하였으며, 다양한 실험 및 해석결과가 공개된 실물크기 풍력터빈 블레이드인 NRELPhase VI를 해석대상으로 하였다. 상업용 범용 전산유체해석코드인 ANSYS-CFX와 파라매트릭 3D CAD 모델을 이용하여 해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교하여 연구결과의 타당성을 검토하였다. 다양한 난류모델에 대한 비교연구를통하여 Shear Stress Transport(SST) k − ω 난류모델의 정확성을 검증하였으며, 유동의 비정상상태를 최소화하기 위해서0-각도 요(yaw)각을 고려하였다. NREL Phse VI 풍력터빈 블레이드는 2개의 날개를 가졌으며, 비선형 비틀림각과 선형테이퍼가 고려되었다. 풍력터빈 블레이드가 주축에 대해서 회전하기 때문에 상대속도는 스팬에 대해서 비선형의 관계를가진다. 따라서 받음각(angle of attack)을 최소화하기 위해서 비선형 비틀림각이 고려되었다. 해석결과의 3차원 풍력특성을 분석하기 위해서, 각 단면의 압력계수 및 이를 적분하여 풍력계수(수직, 접선, 추력, 회전력)를 계산하였다. 풍력터빈 블레이드의 회전속도는 72 RPM으로 고정한 상태에서 다양한 풍속(5m/s, 7m/s, 10m/s, 13m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s) 상태를 해석하였다. 해석결과와 풍동실험결과는 모든 풍속에 대해서 근사한 수치를 나타냈으며, 높은 풍속에서의 풍하면 박리현상에 대한 정확한 유동특성을 해석할 수 있었다. This paper presents the aerodynamic force evaluation of wind turbine blade. The National Renewable EnergyLaboratory (NREL) Phase VI wind blade profile is used for the analysis. It has comprehensive available wind tunnel testdata that performed by NREL at NASA Ames Research Center. The aerodynamic forces around flow field are evaluatedusing 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. The commercial Ansys-CFX and parameterized 3D CAD modelof NREL Phase VI are used for the analyses. The Shear stress transport (SST) k-ω turbulence model and 0-degree yaw anglecondition are adopted for CFD analysis from the comparative studies for various turbulence models . Nonlinear twist angleswere adopted for the effects of nonlinear resultant wind speed. The linearly tapered shape was made by reducing thechord length linearly to the tip region. To find out the 3D aerodynamic effects, sectional pressure coefficient andintegrated forces about primary axis, which are normal, tangent, thrust and torque, are evaluated. 7 wind speed cases(5m/s, 7m/s, 10m/s, 13m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s) with constant blade rotating speed (72 RPM) are considered. Thenumerical difference on wind blade surface between this study's CFD and wind tunnel test are negligible and shown in goodagreement for the all wind speed cases. The massive separation occurred due to the high angle of attack created by the higherwind speed could be analyzed successfully.

e-Science 기반 EDISON_CFD 포탈의 항공우주분야 교육·연구용 유체역학 소프트웨어 및 콘텐츠 개발

이성욱,이근배,오세종,최성임,박수형,김종암 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

EDISON_CFD는 EDucation-research Integration through Simulation On the Net과 Computational Fluid Dynamics의 약자로 e-Science 인프라 기반의 항공우주분야 유체역학 교육·연구 환경을 지칭한다. 항공우주분야 유체역학 관련 연구는 다양한 국책사업들을 통해 많은 성과가 도출되었으며, 국내 대학을 비롯한 정부출연연구소 및 산업체에 많은 성과들이 축적되고 있다. 그러나 첨단 기술을 학생들에게 전달하기 위한 교육 콘텐츠는 매우 부족하다. 본 연구에서는 항공우주분야의 연구 성과를 활용하고 e-Science 기술의 장점을 극대화하여, 온라인상에서 활용 가능한 유체역학 관련 교육·연구용 SW 및 콘텐츠를 개발하고자 한다. 이를 통해 유체공학 분야 대학(원)생의 전산 해석 및 설계기술 적응력을 제고하고, 향후 국가 과학기술경쟁력을 높이는 우수한 연구 인력을 양성할 수 있을 것으로 기대한다. EDISON_CFD, an abbreviation of 'EDucation-research Integration through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics', is a virtual organization in the e-Science environment to support education & research of fluid dynamics in aerospace engineering and related fields. Through national research projects, many valuable R&D results have been developed and accumulated in universities, industries, and research institutes. However, the educational contents for delivering advanced technologies to students still lack. The present work aims to establish the open platform of simulation software and contents for online education & research using results of the state-of-the-art techniques in aerospace engineering. This will fortify not only the capability of students but also the national strength in the fields of fluid engineering.