Ansys fluent에서 제공하는 회전체 해석 기법들을 정리하면 상위에 있는 모델일수록 해석이 오래 걸리기 때문에 HPC 라이선스가 많이 필요하게 되고 결과적으로 계산 비용은 높아지게 된다. 하지만 회전체 해석에 대한 가정이 적기 때문에 정확도 측면에서는 더 좋다고 볼 수 있다. 반면 아래로 내려갈수록 계산 비용에 대한 부담은 줄어 들지만 해석 조건에 대한 가정이 늘어나기 때문에 정확도 측면에서는 상대적으로 낮을 수밖에 없다. 

이중 Virtual Blade Model은 기본으로 제공되는 모델이 아니고 2020R2 이전에서는 VBM UDF와 Scheme 파일을 적용한 상태에서만 회전체 해석을 진행할 수 있었다. 또한 2021R1 ~ 2022R2 버전에서는 Beta Feature 실행 후 Blade Cell Zone에 VBM UDF을 적용하여 사용할 수 있었다. 그러나 2023R1 버전부터는 Beta Feature 설정 후 형상에 대한 조건을 입력하면 회전체 해석을 진행할 수 있도록 업그레이드 되었다. 

VBM은 Rotor Disk Fluid Zone을 생성하고 이 영역에서 발생되는 Body Force를 계산하여 회전하는 Blade가 유체에 미치는 영향을 시뮬레이션하는 모델이다. 그렇기 때문에 격자 생성 및 해석 시간에 대한 부담이 덜하다는 장점이 있다. Fluent에서 제공하는 VBM은 두가지 모델을 제공하고 있으며, 이 두가지 모델의 차이점을 알아보고자 한다. 

EDM(Embedded Disk Model) 

EDM을 사용하기 위해서는 Rotor Disk의 두께 방향으로 1 layer의 Fluid Cell Zone이 하기의 그림과 같이 필요하다.  

FDM(Floating Disk Model) 

FDM은 2023R1 버전부터 추가되었으며, FDM은 EDM과 같이 형상에 대한 격자를 생성하지 않고 입력창에 Rotor Radius/ Rotor Root Cutout/ Rotor Disk origin/ Rotor Disk Angles에 대한 입력 후 Create Floating Disk을 클릭하면 아래 그림과 같이 Virtual Disk 을 생성할 수 있다. 

2. 해석 세팅 방법 

Ansys Fluent 2023R1에서 VBM을 모델을 사용하기 위해서는 TUI창에 다음과 같이 Define → Beta-feature-access → yes → ok 그리고 Define → Model → vbm? → yes 이와 같이 명령어를 입력하면 Virtual Blade Model이 활성화된다.   

Analysis Set-Up 

본 해석을 수행하기 위해 Pressure-Based Solver와 정상 상태 해석을 선정하였으며, Operating Pressure는 101263.15Pa, 좌표를 X=-1, Y=0. Z=0 값을 입력하였다. Viscous Model에서 Spalart-Allmaras 난류 모델을 적용하고, Viscous Heating 및 Curvature Correction을 선택하였다. Material 설정에서는 Air에 대해 ideal gas로 설정하였다[그림 5].  

[그림 5] Material Setting 

Boundary zone 설정은 Inlet에 대해서는 Velocity Inlet으로 설정하였으며, Velocity Specification Method에서 Components로 설정하여 X-Velocity 는 10.049955m/s, Y-Velocity는 0m/s 그리고 Z-Velocity는 0m/s으로 설정하였다. Turbulence는 intensity and Hydraulic Diameter로 설정하여 1%와 0.134m로 설정하였다. 또한 출구단은 Pressure Outlet으로 선택하여 0 Pa로 설정하였다. 

[그림 6] Inlet B/C 

Reference Value을 설정해야 하며, Disk Area 값인 0.65612m2 입력, Chord length 값인 0.086m 입력하였다. [그림 7]