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2015.12.24 (15:38:03)

New multiphase solver of XFlow


XFlow의 유동모델(flow model)은 크게 3가지 분리됩니다.


첫 번째, Single phase flow model은 전체 유체 계산공간에 오직 한가지 유체 상(phase)가 존재합니다. 즉, 전체 계산영역

내 모든 지점은 동일한 유체 재질(EX, 공기,물, 등)입니다.


두 번째,  Free Surface flow model은  자유 표면 인터페이스와 하나의 유체 상을 포함합니다. 액체 존재는  0과 1 사이의

유체 체적필드에 의해 정의되며, 유체 체적이 0이 되는 영역은 빈 공간입니다.


마지막으로 Multiphase flow model은 two phases을 포함합니다.  Phase는 기체 또는 유체 모두 가능합니다.


아래는 XFlow의 유동해석 모델을 보여주고 있습니다.


201511_img17.jpg


피스톤 윤활 해석은 아래의 그림과 같이 2가지 Flow model(Free surface & Multiphase)로 접근이 가능하고, Free surface는

1개의 phase(Oil/Void), Multiphase는 2개의 phase(Oil/air)로 윤활 해석 수행이 가능합니다.


201511_img18.jpg


Multiphase flow model은 phase field와 Particle-base tracking으로 해석이 가능하였습니다. 현재까지 Release version에의

particle-based tracking 방법을 Old Approach(기존 접근방식)이며, 새롭게 업데이트 될 버젼에는 New Multiphase Particle-

based Approach로  변경됩니다.


피스톤 윤활 해석을 앞에서 소개한 4개의 Mode(Free Surface, Phase-Field, Old Multiphase Particle-based & New Multiple

particle-base)을 이용하여 해석하여 결과를 비교하여 보았습니다.


201511_img19.jpg


Fig.1은 Free Surface(자유 수면, Oil+Void) 해석 결과로 좋은 오일의 유동 패턴을 확인할 수 있었습니다. 그러나 공기에 대한

영향이 고려되지 않기 때문에 해석 결과가 실제와 다소 차이가 있을 수 있습니다.


Fig.2는 Multiphase model(Oil+Air) 중 새롭게 적용된 Particle-based tracking 해석한 결과로 Free Surface 결과와 같이 좋은

오일의 유동 패턴을 보여줍니다. 더욱이, Multiphase는 액체(Oil)/기체(Air) 서로 다른 상이 동일한 해석 영역 내에서 각 상에

대한 지배 방정식을 계산하게 되며, 상의 경계에서 발생하는 상호 작용에 의한 유체의 물리적인 현상을 정확하게 구현할 수

있습니다.


Fig.3은 Multiphase 모델 중 Phase-Field 해석 결과로 오일 분사되는 확산되는 유동 패턴이 비현실적으로 나타났습니다.


마지막으로 Fig.4는 기존의 Multiphase Particle-based tacking 방법으로 오일 패턴 자체에 문제가 있음을 확인할 수 있었으

며, 또한 계산 시간이 너무 오래  걸렸습니다.



201511_img20.jpg



Fig.5-8은 유동 모델에 따른 피스톤 윤활 해석의 속도 분포 결과를 보여줍니다.  Fig.5는Free Surface(자유 수면, Air해석 X)해

석 결과로 오일의 영역을 제외한 영역의 속도는 0입니다.


Fig.6은 Multiphase 모델 중 새롭게 적용된 Particle-based tracking속도 분포로 오일과 공기의 상호작용에 의한 속도 분포를

확인할 수 있습니다.


Fig.7은 Multiphase 모델 중 Phase-Field로 해석한 속도 분포로 매우 거친 속도분포 패턴을 보임을 확인할 수 있습니다.


마지막으로 Fig.8은 기존 버전에 사용되었던 Multiphase Particle-based tracking의 속도 분포로 결과가 자체에 문제가 있으

며, 계산 시간도 매우 느리기 때문에 Solver 검토 및 수정 보완이 필요합니다.


201511_img21.jpg


Fig.9는 피스톤 윤활 해석을 위해 사용한 모델들의 계산시간을 그래프로 보여주고 있습니다. 계산 시간이 가장 빠른 것은

Free Surface 해석이며 오직 한가지 상(Phase)만 해석 가능하다는 것이 단점입니다.


가장 계산 시간이 느린 것은  Multiphase  Particle - based  tacking으로  해석 결과도  문제가  있음을  확인하고  새로운

Multiphase Particle-based tacking이 새 버전부터 적용됩니다.


이 유동 모델은 계산 결과 뿐만 아니라 계산 시간도 Fig.9에서 확인할 수 있듯이 크게 단축될 수 있기 때문에 다상 유동해

석에 매우 적합한 모델이라 할 수 있습니다.


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