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▶ 67호 : Ansys Discovery를 활용한 회전체 해석 방법 소개

안홍석 매니저
태성에스엔이
hsahn@tsne.co.kr

Ansys Discovery를 활용한 회전체 해석 방법 소개

Ansys Discovery는 2020년 하반기에 “Simulation for every engineer” 를 목표로 Discovery Live와 Discovery AIM을 통합한 환경으로 공개되었다.

Ansys Discovery는 해석을 처음 접하는 사용자도 쉽게 사용할 수 있도록 개발되었으며, 지속적으로 새로운 기능들이 추가되고 있다.

본 자료에서는 Fluent의 MRF와 같이 회전체 운동을 모사할 수 있는 Rotating Fluid Zones을 활용하여 Ansys Discovery에서 회전체 운동을 모사하는 방법에 대해 알아본다.

먼저 Rotating Fluid Zone은 기존에 있었던 Wall 조건의 Rotating 옵션과는 다르다. 둘 다 회전하는 효과를 구현할 수 있지만, 벽만 회전시킬 것인지 영역(Zone) 자체를 회전시킬 것인지에 따라서 차이가 있다. 또한, Wall 조건은 Cylindrical 한 모양에 대해서만 조건을 적용할 수 있고, FAN과 같이 형상이 복잡한 경우에는 적용할 수 없다.

[그림 1] FAN 모양에 Wall-Rotating 적용한 예시

[그림 2] FAN 모양에 Wall-Rotating 적용시 Error 메시지

[그림 1], [그림 2]와 같이 간단한 모양의 FAN이더라도 Cylindrical(or Conical) 하지 않다면, Rotating wall 조건은 사용할 수 없다. Ansys 2023 R1 버전부터 추가된 Rotating Fluid Zones은 영역 자체에 회전 효과를 주기 때문에 회전체의 모양에 제약사항은 없다. 그렇기 때문에 비대칭 형상에 대해서도 회전효과를 줄 수 있다.

[그림 3] Rotating Fluid Zones을 적용한 비대칭 모델

단, Rotating Fluid Zones도 Rotating wall과 마찬가지로 회전 영역 자체는 Conical 하거나, Cylindrical 해야 한다. 회전체(Solid region)의 모양에 제약은 없지만, 회전체를 감싸는 영역(Fluid region)은 Conical or Cylindrical 해야 한다는 의미이다.

지금부터는 Rotating Fluid Zones을 적용하는 방법에 대해서 알아보겠다.

텍스트 상자

Discovery에서 해석하고자 하는 회전체 모델을 불러와, 회전체를 감쌀 수 있는 Fluid Region을 만들어 준다. Fluid Region은 Prepare 탭의 Enclosure 기능을 이용해 만들 수 있다.

[그림 4] Enclosure 기능 위치

[그림 5] 회전체에 Enclosure를 이용해 영역 생성하는 방법

텍스트 상자 회전영역을 당기기(Pull, 단축키 P) 기능 등을 이용해 적절히 조절한다. 회전체보다 조금 더 큰 정도로만 조절해도 충분하다.

텍스트 상자 다음으로 회전영역을 감쌀 수 있는 Fluid Region을 생성한다. 새롭게 Fluid Region을 생성한다면 Enclosure 기능을 활용하면 된다. 참고로 주변 영역의 모양은 Cylinder, Box 등 모양은 상관없다. 실제 Simulation으로 사용할 형상으로 생성하면 된다. 만약에 배관이나 파이프처럼 기존에 생성해 둔 Solid region이 있다면, Volume Extract 기능을 활용하면 된다. 상세 방법은 [그림 6], [그림 7], [그림 8], [그림 9]를 통해서 확인하길 바란다.

Volume Extract 기능을 활용하는 경우 기존 형상으로부터 유동장을 추출하는 개념이기 때문에, 밀폐되지 않은 형상이 필요하다. Mixing tank와 같이 밀폐된 형상은 윗면이 뚫려 있어야 Volume Extract 기능을 활용해 유동장을 추출할 수 있다.

[그림 6] Volume Extract 기능 위치

[그림 7] Volume Extract ? Select faces 선택

[그림 8] Volume Extract ? Seed faces 선택

[그림 9] Volume Extract ? Options 선택

위와 같은 방법으로 작업하게 되면, 기존에 생성했던 Rotating Fluid Zones과 중첩되지 않도록 유동장을 추가로 생성할 수 있다. 중첩여부는 단면을 잘랐을 때 빗금의 방향이 중첩되지 않으면 된다. 단면모드(단축키 X) 진입 후 원하는 축을 선택해 형상의 단면을 확인할 수 있다.

[그림 10] Volume extract을 이용해 추출한 유동장

텍스트 상자 사전작업이 모두 끝났으므로, 유동해석을 위한 설정을 해준다. 유체의 물성, 유체가 입·출입할 수 있는 경계면 설정, 회전영역에 대한 정의를 해주면 된다. Fluid flow에 대한 설정은 Simulation tab에서 설정이 가능하다. 설정방법은 [그림 11], [그림 12], [그림 13], [그림 14]를 통해서 확인이 가능하다.

[그림 11] 유체 물성 정의

[그림12] Fluid flow - Inlet 설정

[그림13] Fluid flow - Outlet 설정

[그림14] Rotating Fluid Zones 설정

조건을 일부 바꾸고 계산 도메인을 줄여 계산한 결과이다. 회전체에 의한 압력강하 값을 확인할 수 있고, 생성된 유동장을 확인할 수 있다.

[그림15] Rotating Fluid Zones 계산 결과

Rotating Fluid Zones에는 몇 가지 제한사항이 존재하며, 아래 기능과 같이 사용할 수 없다.

- Rotating Fluid Zone과 압축성 유동은 호환되지 않음

- Rotating Fluid Zone과 Time-dependent(Transient) 유동은 호환되지 않음

- Discovery Simulation 탭 QuickStart 그룹의 Internal Flow나 External Flow Workflow를 이용할 수 없음

- 회전영역은 Conical 하거나 Cylindrical 해야 하며, 복잡한 영역은 회전영역으로 사용할 수 없음

맺음말

이번 호에서는 Ansys Discovery에 2023 R1버전에 추가된 Rotating Fluid Zones 기능을 활용해 회전체 해석을 하는 방법에 대해 알아보았다. 해당 기능은 Ansys Discovery의 Explore Stage와 Refine Stage에서 모두 사용이 가능하며, Explore Stage에서는 GPU 장비를 이용한 빠른 결과를 확인할 수 있고, Refine Stage에서는 동일한 세팅에 대하여 보다 정확도 높은 결과를 얻을 수 있다.

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