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.

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.

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.

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.

다중 와류 유동을 이용한 자기유체역학 (MHD) 마이크로 믹서

양원석(Wonseok Yang),김동성(Dong Sung Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.1

본 논문에서는, 자기유체역학(MHD)을 기반으로 마이크로 채널 내부에 다중 와류 유동을 발생시키는 새로운 형태의 카오스 마이크로 믹서를 제안한다. 제안된 마이크로 믹서의 마이크로 채널 내부에는 양 측면과 바닥면에 전극들이 배치되어 있다. 배치된 전극들에 인가되는 전압 조건에 따라 다양한 형태로 로렌츠 힘이 유도되며, 이렇게 유도된 로렌츠 힘은 마이크로 채널 내부 유체의 추진 및 혼합을 야기할 수 있다. 제안된 MHD 마이크로 믹서의 혼합 양상을 평가하기 위해 3 차원 전산유체역학 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 다양한 유동 조건에 대해 MHD 마이크로 믹서의 혼합 성능을 평가하였다. In this paper, we propose a novel chaotic micromixer of which mixing mechanism is based upon magnetohydrodynamic (MHD) multi-vortical flow generation in a simple straight microchannel. In the microchannel of the micromixer has electrodes patterned on two side walls and bottom wall. Lorentz forces are variously induced by changing applied voltages at the patterned electrodes in order to pump and mix conductive fluids in the microchannel. Three-dimensional computational fluid dynamics simulations were conduced to characterize mixing behaviors inside the MHD micromixer. The mixing efficiencies were also evaluated for the various flow conditions.

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.

상용 및 오픈소스 CFD 코드를 이용한 EFD-CFD 워크샵 Case 3 해석

김종록(Jong Rok Kim) 한국항공우주학회 2017 한국항공우주학회지 Vol.45 No.3

EFD-CFD 워크샵 중 Case3인 RAE Wing A 형상에 대해 전산유체역학 해석을 수행하였다. 해석자로 3개의 상용 CFD 해석 코드(Star-CCM+, Fluent, CFX)와 오픈 소스 CFD 코드(SU2)를 사용하였다. 격자는 상용 격자 생성 코드인 Pointwise를 이용하여 격자의 수에 따라 4가지를 생성하였다. 마하수 0.4, 0.8에서 는 받음각 2도, 마하수 0.9에서 받음각 1도에서 해석하였다. coarse격자부터 fine 격자까지는 압력계수 곡선과 수직력 계수는 비슷한 결과를 보였으나 항력 계수에서는 차이가 있었다. Star-CCM+과 Fluent의 해석에서 차분법의 차수가 높을수록 충격파의 위치를 앞으로 예측하였다. 수렴에 다다르는 계산시간은 Fluent, Star-CCM+, CFX의 순으로 나타났고 SU2는 이에 비해 수렴하는데 많은 시간이 들었다. Computational fluid dynamics analysis was performed for the case 3 of the EFD-CFD workshop. Solvers were used for three commercial CFD codes(Star-CCM+, Fluent and CFX) and an open source CFD code(SU2). The grid were generated four types depending on the total cells using commercial grid generation code(Pointwise). Mach number of 0.4 and 0.8, 2 degree angle of attack and Mach number of 0.9, 1 degree angle of attack were calculated. Similar pressure coefficient curve and normal force coefficient were showed from the coarse grid to fine grid of four codes. But there is a difference in the drag coefficient. The position of the shock wave was predicted forward as the discretization order increased in calculations using Star-CCM+ and Fluent. The computation time to converge, Fluent, Star-CCM +, CFX are in order, and SU2 takes much time to converge.

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 케이지가 고려된 볼 베어링의 토크 예측

박정수,김정식,이승표 한국트라이볼로지학회 2024 한국트라이볼로지학회지 (Tribol. Lubr.) Vol.40 No.1

Ball bearings are a major component of mechanical parts for transmitting rotation. Compared to tapered roller bearings, ball bearings offer less rolling resistance, which leads to reduced heat generation during operation. Because of these characteristics, ball bearings are widely used in electric vehicles and machine tools. The design of ball bearing cages has recently emerged as a major issue in ball bearing design. Cage design requires pre-verification of performance using theoretical or experimental formula or computational fluid dynamics (CFD). However, CFD analysis is time-consuming, making it difficult to apply in case studies for design decisions and is mainly used in performance prediction following design confirmation. To use CFD in the early stages of design, maintaining analytical accuracy while reducing the time required for analysis are necessary. Accordingly, this study proposes a laminar steady-state segment CFD technique to solve the problem of long CFD analytical times and to enable the use of CFD analysis in the early stages of design. To verify the reliability of the CFD analysis, a bearing drag torque test is performed, and the results are compared with the analytical results. The proposed laminar steady-state segment CFD technique is expected to be useful for case studies in bearing design, including cage design.