터보기기 해석을 위한 Fluent Turbo Workflow

이번 호에서는 Ansys Fluent®의 Turbo Workflow를 이용하여 터보기기를 해석하는 방법에 대해 다루고자 한다.

 

 

Introduction 

지금까지 터보기기 해석은 Ansys CFX® 가 대세였다. Ansys Fluent®를 이용하여 터보기기를 해석할 수 없는 것은 아니었지만, 굳이 애써서 할 필요성은 없었다. 하지만 Fluent에서 GPU 솔버가 적극적으로 도입된 이 시점에서 GPU를 이용하여 터보기기를 해석할 수 있다면 해석 속도에 있어서 상당한 이점을 가져올 수 있다. Fluent의 Turbo Workflow는 사용자 편의성을 갖추어 손쉽게 터보기기 해석을 할 수 있도록 지원하고 있다. Fluent의 Turbo Workflow를 이용하여 터보기기를 해석하는 방법을 예제를 통하여 알아보자.

 

■ 해석모델

TFD Hannover의 축류압축기에서 맨 앞쪽 3 Rows(1.5 단)이 해석 대상이며 IGV – Rotor -Stator 로 구성되어 있다.
격자 파일은 Fluent 튜토리얼 중 turbo_workflow.zip 을 다운로드 하여 압축해제 하면 얻을 수 있다. Ansys TurboGrid™로 제작된 3 개의 파일(IGV.gtm, R1.gtm, S1.gtm)이다. IGV는 26개의 블레이드로 구성되어 있으며, Rotor는 23개, Stator는 30개이며, 주기 경계조건을 사용하여 각각 1 개의 섹터만 해석한다.

 
그림 1. Schematic Rows
 

그림 2. Case Geometry

 

 

■ Turbo Workflow 

1.    Turbo Workflow는 아래의 경로에서 Turbo Workflow를 활성화하여야 시작할 수 있다. 

• Domain → Turbomachinery → Turbo Workflow → Enable Workflow
   

그림 3. Turbo Workflow 활성화

 

 

활성화가 되면 아래 그림과 같이 Workflow 작업 메뉴들이 생성된다.
 

그림 4. Turbo Workflow Task

 

2.    Turbo와 관련된 환경설정

Cell과 Face zone 및 Turbo Topology에 적절한 영역 할당을 위해 연관성 설정 세팅을 해준다. 그로 인하여 Fluent가 특정 문자열 구성을 특정 순서로 찾도록 지시함으로써 더 쉽게 매핑할 수 있다. 
File – Preference Turbo - Workflow에서 아래와 같이 세팅한다.

 
그림 5. Preference turbo workflow

 

 

3.    Describe Component

• Component Type: Axial Compressor
• Component Name: hannover
• Number of Rows: 3
  -Row1: name – igv, Type – stationary, #sectors – 26, End Wall Gap – no
  -Row2: name – r1, Type – rotating, #sectors – 23, End Wall Gap – yes
  -Row3: name – s1, Type – stationary, #sectors – 30, End Wall Gap – no
   

 

그림 6. Describe component

 

 

 

4.    Define Blade Row Scope

다단 압축기의 해석 범위 설정 단계에서 특정 단계를 압축기 해석에 포함할지 여부를 선택할 수 있다. 특정 단계를 제외하려면 해당 Row에서 Include Row? 를 No로 선택한다. 이때 해석에 포함된 Row들은 연속적이어야 한다.
 

그림 7. Define Blade Row Scope

 

 

본 예제에서는 전제를 모델링 할 것이므로 기본 설정을 유지한다.

 

 

 

5.    Import Mesh

Import Mesh – Mesh File Path를 클릭하여 격자 파일들 선택한다.
 

그림 8. Import Mesh

 

 

 

6.    Associate Mesh

Cell zone 과 Rows 사이의 연관성을 검토한다.
 

그림 9. Associate Mesh

 

 

 

7.    Map regions

앞서 수행된 연관성 검토를 기반으로 face zone을 터보기기 해석에 적합하도록 할당한다. 이때 환경설정에서 세팅한 값들이 적용된다.

 
그림 10. Map Regions

 

 

 

8.    Create the CFD model

여기서는 해석에 적용될 유로의 개수를 지정하여 형상적으로 해석 모델을 정의한다. 본 예제에서는 각 Row에 하나의 유로만 적용하므로 각각 1로 설정한다.
 

그림 11. Create CFD Model

 

 

 

9.    Define Turbo Physics

회전 속도 및 Operating Pressure, 작동 유체를 정의한다.
 

그림 12. Define Turbo Physics

 

 

 

10.    Define Turbo Regions and Zones

입출구 경계조건을 정의한다.
 

그림 13. Define Turbo Regions and Zones

 

그림 14. Inlet and Outlet Boundary Conditions

 

 

 

11.    Define the turbo-related topology.

허브, 슈라우드, 블레이드 및 입출구 등의 영역이 잘 지정되었는지 확인한다. Use Wireframe for Highlighting을 체크하면 영역 확인을 좀 더 수월하게 할 수 있다.
 

 

 

 

12.    Define turbo-specific iso-surfaces.

후처리를 용이하게 하기 위해 터보 전용 iso-surface를 생성한다. 기본값으로 3개의 iso-surface가 span-wise를 따라 생성되며, 추가하거나 줄일 수 있다. 

 
그림 16. Define Turbo Surfaces

 

 

 

13.    Create Report Definitions & Monitors

Iso-surface contour와 같은 후처리 객체를 자동으로 생성한다. 이때 Workflow는 터보 전용 결과값을 Named Expressions으로 정의하고 모니터링한다.
이 단계가 끝나면 Hybrid initialization으로 초기화된다.
 

그림 17. Create Report Definitions & Monitors

 

그림 18. 자동으로 생성된 Named Expressions

 

 

 

14.    Report Definitions

Workflow는 자동으로 아래와 같이 터보기기 전용 report definitions을 생성한다.
 

그림 19. 자동으로 생성된 Report Definitions

• isentropic-eff-compressor: the isentropic efficiency of the compressor
• p-ratio: the ratio of the outlet pressure to the inlet pressure
• tot-mflow-outlet: the total mass flow at the outlet
• To-inlet: the total temperature at the inlet
• To-outlet: the total temperature at the outlet
• Po-inlet: the total pressure at the inlet
• Po-outlet: the total pressure at the outlet
• mflow-outlet: the mass flow at the outlet
  
  
  

■ Solution

• Time Scale Factor: 10
• No. of Iteration: 200
• Calculate 클릭
   

그림 20. Run Calculation

 
그림 21. Residuals Plot

 
그림 22. Isentropic Efficiency Plot

 
그림 23. Mass flow rate of Outlet

 

 

■ Post-Processing

Turbo Workflow는 다양한 span-wise 위치에서 contour plot을 자동으로 생성하므로, 쉽게 유동장을 확인할 수 있다.
이렇게 생성된 Velocity magnitude, total pressure에 대한 contour plot은 아래와 같다.
 

그림 24. Velocity Magnitude Contours

 
그림 25. Total Pressure Contours

Outline View에서 Named Expression으로 생성한 값들을 확인할 수 있다.
 

그림 26. Report Named Expression Values

Report definitions 값들을 확인할 수 있다.
 

그림 27. Report Definitions Values

 

마지막으로 Case & Data 파일을 저장한다.

 

 

맺음말 

지금까지 Ansys Fluent Turbo Workflow를 사용하여 TurboGrid로 생성한 격자 파일을 손쉽게 세팅하고 성능을 평가하는 방법을 진행하여 보았다. 상당히 많은 부분이 자동화로 진행되어 사용자가 직접 세팅하는 부분은 매우 간소화되었다. 향후 Journal을 이용한 자동화와 GPU를 접목한다면, 터보기기 해석의 한 부분을 차지할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어 해석 속도와 효율성을 크게 향상시켜, 더 빠르고 정확한 분석을 가능하게 할 것이다.