THINC법을 이용한 비혼합 혼상류의 경계면 추적

이광호(Lee, Kwang-Ho),김규한(Kim, Kyu-Han),김도삼(Kim, Do-Sam) 한국해안해양공학회 2012 한국해안해양공학회 논문집 Vol.24 No.4

기체와 액체의 유동 및 고체의 변형을 동시에 고려할 수 있는 혼상류모델을 이용하여 파동장을 해석하는 경우, 서로 다른 비혼합의 유체 경계면의 시간변형을 고정도로 추적하는 것이 대단히 중요하다. 본 연구에서는 경계면의 추적에 있어서 VOF(Volume of Fluid)법으로 대표되는 경계면 형상의 재구축이 필요한 Geometrical-type의 경계추적법의 대신에 Algebraic-type의 경계추적법인 THINC(Tangent of Hyperbola for INterface-Capturing)법을 적용하였다. THINC법은 경계면에 대한 형상의 구축이 필요하지 않으므로 VOF법에 비해 비교적 간단한 알고리즘을 가지며, 기존의 Navier-Stokes solver에로 적용성이 용이한 장점을 갖는다. 본 연구에서는 THINC법의 기본적인 이류특성을 고찰하고, 혼상류수치모델인 TWOPM(one-field Model for immiscible TWO-Phase flows)과 결합한 수치모델을 파동장에 적용하여 비혼합 혼상류에서 경계면의 추적능을 검토하였다. 그 결과, 혼상류의 경계면 추적에 있어서 상대적으로 간단한 알고리즘의 THINC법이 기존의 VOF법과 유사한 정도를 갖는 해석법이라는 것을 확인할 수 있었고, 따라서 향후 기포의 연행을 동반하는 쇄파 및 쇄파력의 해석 등에 그의 적용성이 기대된다. In the numerical simulation of wave fields using a multi-phase flow model that considers simultaneous flows of materials with different states such as gas, liquid and solid, there is need of an accurate representation of the interface separating the fluids. We adopted an algebraic interface capturing method called tangent of hyperbola for interface-capturing(THINC) method for the capture of the free-surface in computations of multi-phase flow simulations instead of geometrical-type methods such a volume of fluid(VOF) method. The THINC method uses a hyperbolic tangent functions to represent the surface, and compute the numerical flux for the fluid fraction functions. One of the remarkable advantages of THINC method is its easy applicability to incorporate various numerical codes based on Navier-Stokes solver because it does not require the extra geometric reconstruction needed in most of VOF-type methods. Several tests were carried out in order to investigate the advection of interfaces and to verify the applicability of the THINC method to wave fields based on the one-field model for immiscible two-phase flows (TWOPM). The numerical results revealed that the THINC method is able to track the interface between air and water separating the fluids although its algorithm is fairly simple.

해석 기법 별 유체 슬로싱 현상에 대한 비교 분석

장유진(Y.J. Jang) 한국전산유체공학회 2020 한국전산유체공학회지 Vol.25 No.4

In a swaying tank partially filled with liquid, inertia of the liquid exerts body force on itself, causing a periodic motion of the free surface of the liquid. This might cause the tank sway, which leads to structural damages of it. This phenomenon is called “Liquid Sloshing.” Many researches on liquid sloshing including experiments were conducted through numerical methods like Finite Volume Method(FVM), Finite Element Method(FEM), and Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH) Method and so on. Except for particle-based numerical methods, other numerical methods are required to simulate free surface shape of liquid. These grid-based methods use Volume of Fluid method(VOF) or Level-set method to imitate the free surface shape. In this Paper, It aims to simulate sloshing phenomena of 3-dimensional rectangular tank. FVM and VOF method, FEM and Level-set method, and a particle-based solver with SPH method are used for analyzing sloshing motions. The CFD results are compared with experimental data and other published computational data. The details of time history pressure data on the tank wall and the free surface shape are discussed to find characteristics of the numerical methods.

VOF와 2-Fluid 복합방법을 이용한 다상유동의 다중스케일 해석

박재성,손기헌 한국전산유체공학회 2023 한국전산유체공학회지 Vol.28 No.4

The volume-of-fluid (VOF) method is coupled with the 2-fluid Eulerian model for multiscale simulations of multiphase flows. The algebraic VOF is applied to track large-scale interfaces, whose length scale is comparable to the computational grid size, while the 2-fluid model is applied to subgrid-scale interfaces combining with interfacial force models. The coupled method is further combined with the level-set method to accurately calculate the interface curvatures, and with the mixture model to a seamless connection between the VOF and 2-fluid methods. The method is applied to the Rayleigh-Taylor instability problem where the interface is characterized by large and small length scales. The numerical results demonstrate that the present method is applicable to multiscale simulations of multiphase flows.

FLUENT-VOF법을 이용한 자유수면 부근을 정속으로 움직이는 물체주위 유동해석

김태윤,현범수 한국항해항만학회 2008 한국항해항만학회지 Vol.32 No.2

VOF method is known as one of the most effective numerical techniques handling two-fluid domains of different density simultaneously. Present study deals with the numerical analysis of flow field around bodies steadily moving near free-surface using FLUENT-VOF method. Validations were made by applying to three typical examples ; 2-D submerged hydrofoil, 3-D surface piercing body and container ship. It was found that the commercial software, FLUENT, is useful in practical use, and VOF method is capable of handling free-surface around moving bodies although discussions are limited to the analysis in qualitative sense. VOF법은 유체 체적 비율을 통해 밀도가 다른 두 유체를 한꺼번에 계산할 수 있는 수치해석 기법이다. 상용 CFD프로그램의 VOF옵션을 이용하여 자유수면 부근에서 정속으로 움직이는 물체 주위의 수치해석을 시도하였다. 검증 대상으로는 물 속에 잠겨있는 2차원 날개, 자유수면을 수직으로 관통하는 3원 날개, 그리고 컨테이너 선형이 사용되었다. 검증 결과 정도의 차이는 있지만 상용 코오드의 범용성을 어느 정도 확인할 수 있었고 자유수면 유동장을 모사하는데 VOF법이 무난히 활용될 수 있음을 알 수 있었다.

3차원 VOF법에 의한 연직 주상구조물에 작용하는 파력과 구조물에 의한 파랑변형 해석

이광호,이상기,신동훈,김창훈,김도삼 한국해양공학회 2007 韓國海洋工學會誌 Vol.21 No.2

As the economy grows and the population increases, we need to develop our coastal area and make use of it for various purposes. Specifically, investigation of the wave interactions on and around the vertical cylinders is very important in the design of the offshore or coastal structures. The nonlinear potential analysis developed so far, although very useful, has been found to be limited in application, as strong nonlinear waves generated by the interference between multilayered cylinders and wave impact forces by breaking waves can hardly be estimated. In this study, using a 3-Dimensional volume tracking method VOF(Volume of Fluid), based on Navier-Stokes equations, was developed to simulate highly nonlinear effects, such as breaking waves at the interface or complicated interference waves among structures. A numerical method for nonlinear interaction wave and vertical cylinders is newly proposed. The wave forces and wave transformations computed by the newly proposed numerical simulation method were compared to the other researcher's experimental results, and the results agree well. Based on the validation of this study, this numerical method is applied to the two vertical cylinders to discuss their nonlinear wave forces and wave transformations, according to the variations of separate distance of vertical cylinders.1. 서 론 해안공간의 이용ㆍ개발을 목적으로 방파제와 안벽을 위시한 이안제, 돌제 등과 같은 여러 형태의 해안 및 항만구조물이 연안역에 건설되어 왔고, 특히 최근에는 연안역의 다목적 이용과 개발에 따라 해상교량의 주탑, 원유저장탱크, 원자력발전소의 취수탑 및 해중전망대 등과 같은 대형주상구조물이 많이 설치되고 있는 추세이다. 이러한 대형주상구조물의 설계에 있어서 구조물에 작용하는 파력과 구조물에 의한 파랑변형의 정확한 예측은 구조물의 안정성확보와 해역환경변화의 예측에 중요한 문제이다. 구조물의 직경()과 입사파장()의 비가 의 영역에 속하는 구조물은 대형구조물로, 의 영역에 속하는 구조물은 소형구조물로 각각 구분되며, 소형구조물의 경우

슬로싱 유동에 대한 2유체 방법과 VOF 방법의 비교 연구

박수현(Soo-Hyeon Park),김병재(Byoung Jae Kim) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.12

슬로싱은 탱크 내부에 채워져 있는 유체가 회부의 가진에 의해 발생하는 유동현상이다. 슬로싱은 다양한 산업분야에서 발생하므로 많은 실험과 수치해석 연구가 수행되어 왔다. 기체-액체 2상유동은 1유체 방법 또는 2유체 방법으로 해석할 수 있다. 두 방법은 각각의 장단점이 있고 해석하고자 하는 유동의 특징에 따라 사용될 수 있다. 본 연구에서는 슬로싱에 대하여 두 방법의 성능을 비교한다. 1유체 방법으로는 VOF 방법을 채택하였다. 가진의 종류는 수평 선형요동과 수평축 회전요동을 선택하였다. 2유체 방법은 격자 크기와 시간 간격에 결과가 민감하게 반응하였다. 그러나 2유체 방법의 수렴된 결과는 VOF 방법의 수렴된 결과보다 좀 더 실험에 일치하는 결과를 보여주었다. Sloshing refers to the movement of liquid inside a tank that is in motion. A gas-liquid free surface in the sloshing flow can be predicted using either the one-fluid or two-fluid method. Both methods have their advantages and disadvantages. The present study presents comparisons of the accuracies of the two methods for prediction of sloshing flows. The VOF approach is used for the one-fluid method. Numerical simulations are performed for two types of oscillations: horizontal rectilinear and rotational oscillations. The two-fluid method shows apparent dependencies of time and grid size on the result. However, the converged result of the two-fluid method is slightly better than that of the VOF method.

2차 정확도 VOF기법을 활용한 수중구조물에 의한 파랑변화 예측

하태민,조용식 한국방재학회 2010 한국방재학회논문집 Vol.10 No.1

A three-dimensional numerical model is employed to investigate wave deformation due to a submerged structure. The three-dimensional numerical model solves the spatially averaged Navier–Stokes equations for two-phase flows. The LES(large-eddy-simulation) approach is adopted to model the turbulence effect by using the Smagorinsky SGS(sub-grid scale) closure model. The two-step projection method is employed in the numerical solutions, aided by the Bi-CGSTAB technique to solve the pressure Poisson equation for the filtered pressure field. The second-order accurate VOF(volume-of-fluid) method is used to track the distorted and broken free surface. A simple linear wave is generated on a constant depth and compared with analytical solutions. The model is then applied to study wave deformation due to a submerged structure and the predicted results are compared with available laboratory measurements. 수중구조물에 의한 파랑의 변형을 예측하기 위해 3차원 수치모형을 도입하여 수치모형 실험을 수행하였다. 본 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 유한차분법을 이용하여 계산하는 동수압 모형으로서, 난류의 해석을 위해서 상대적으로 큰 에디(eddy)만을 고려하는 SANS(Spatially Averaged Navier-Stokes) 방정식의 해를 구하는 LES(large-eddy-simulation) 기반의 수치모형이다. 엇갈림 격자체계에서 유한차분법을 사용하여 지배방정식을 해석하는 모형으로서 수치기법으로 Two-step projection 기법을 사용하여 SANS 방정식을 계산하였으며, Bi-CGSTAB 기법을 이용하여 Poisson 방정식의 해를 구하고 압력장을 계산하였다. 또한, 자유수면의 추적을 위하여 2차 정확도의 VOF(volume-of-fluid) 기법을 사용하였다. 먼저 선형파를 일정 수심상에서 조파시켜 해석해와 비교한 후 수중구조물이 설치된 지형에 적용하여 파랑의 변형을 수치모의하여 수리모형 실험결과와 비교 및 분석하였다.

표면장력 효과를 고려한 이상유동 해석법 개선에 관한 연구

박일룡(Il-Ryong Park) 한국해양공학회 2013 韓國海洋工學會誌 Vol.27 No.5

The present paper proposes a coupled volume-of-fluid (VOF) and level-set (LS) method for simulating incompressible two-phase flows that include surface tension effects. The interface of two fluids and its motion are represented by a VOF method designed using high resolution differencing schemes. This hybrid method couples the VOF method with an LS distancing algorithm in an explicit way to improve the calculation of the normal and curvature of the interface. It is developed based on a rather simple algorithm to be efficient for various practical applications. The accuracy and convergence properties of the method are verified in an simulation of a single gas bubble rising in a three-dimensional flow with a large density ratio.

수정된 밀도함수법을 이용한 SPILLING BREAKER의 수치시뮬레이션

정광열(K.-L. Jeong),이영길(Y.-G. Lee) 한국전산유체공학회 2012 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

The differences of physical properties of water and air are the source of instabilities of the numerical solutions considering the free surface flow. The most typical methods for the free surface such as Volume Of Fluid(VOF) and Level-Set(LS) methods impose transient zones where the physical prosperities vary gradually for the stabilities of solutions. The thickness of the transient zone is the source of the error of a solution. The marker-density method does not use such a transient zone. In the traditional marker-density method, however, the air velocities of free surface cells are extrapolated from the water velocity and the pressures on the free surface are extrapolated form the air pressures for the stability of a solution. Those extrapolations are also the source of the error of the solution. In this study, the marker-density method is modified to calculate the air velocities of free surface cells by determining the pressure and velocity on the free surface to get continuous pressure gradient and viscous stress. Two-dimensional steady spilling breakers behind of a submersed hydrofoil is simulated using INHAWAVE-II including the modified marker-density(MMD) method. The results are compared with the results of Fluent V6.3 including VOF method and published research results. Moreover, three-dimensional spilling breaker near a wedge shaped ship model is simulated using INHAWAVE-II. And the results are compared with the results of Fluent V6.3 and exist experimental data.

수중투과성구조물에 의한 쇄파를 수반한 파랑변형 및 유속장 해석

김도삼,이광호,김정수 한국해안해양공학회 2002 한국해안해양공학회 논문집 Vol.14 No.2

최근, 구조물에 의한 쇄파를 수반한 다양한 파랑변형 해석법중에 자유수면의 추적기법인 VOF법을 이용한 수치해석기법이 각광을 받고 있다. 본 연구는 수중투과성구조물(잠제)에 의한 파랑변형 및 유속장의 해석을 위해 조파를 위한 line-source와 파의 재반사를 방지하기 위한 부가감쇠영역이 설치된 2차원수치파동수조에 잠제를 설치하고 구조물에 의한 파랑변형의 자유수면 추적을 위해 VOF법을 적용하였다. 2차원수치파동수조를 이용한 본 연구의 수치해석수법의 타당성 검증을 위해 수리실험을 실시하였으며 그 결과 본 수치해석결과와 잘 일치하였다. 일열잠제와 이열잠제에 대한 수치해석을 통해 잠제 주변 유속장 해석으로부터 일열잠제의 경우 배후에서 와가 발생하고 이열잠제의 경우 잠제사이와 잠제배후에서 와가 발생함을 확인하였으며 잠제의 천단상에서는 강한 비선형성분파가 발생하고 투과층내의 유속방향은 자유수면의 형상에 의해 좌우됨을 확인하였다 Among various numerical methods of wave transformations including wave breaking by structure, models using VOF(Volume Of Fluid) method to trace free surface are getting into the spotlight recently. In order to analyze wave transformations and velocity of the wave fields due to the permeable submerged breakwater(PSB), This study applied VOF method to the two-dimensional wave channel installed line-source to generate waves and added dissipation zone to offer a non-reflective boundary. Hydraulic experiments was performed to obtain the application of two-dimensional numerical wave channel. The results of numerical experiments using the two-dimensional wave channel agree well with the experimental data. It was shown that vortices are formed behind the PSB, and in case of the 2-rowed PSB they also are occurred in between PSBs, strongly non-linear waves are developed on the crown of the PSB, and the direction of velocities in porous media is determined by the shape of free surface.