ANSYS Fluent의 물성 정의 방법인 Real Gas Model 중 하나인 NIST Real Gas Model과 NIST 라이브러리를 활용해서 생성할 수 있는 RGP Table에 대하여 알아보자. 

Real Gas Model 

유동해석을 위해서는 유체의 물성 정보를 정의해야 한다. 일반적인 유동해석에서는 계산의 편의성을 위해 Constant로 정의하거나 온도에 따라 물성정보 변화가 클 경우에 piecewise 등 온도에 따른 함수로 정의하게 된다. 또한 압축성 유동의 경우에는 일반적으로 ideal gas로 정의하여 해석을 수행하게 되나 특정 해석에서는 이상기체 가정이 벗어나는 매우 높은 압력이나 낮은 온도 조건(예를 들면, Compressor를 지나는 냉매 거동 현상)에서는 Real Gas 가정이 필요하다. 

 Ansys Fluent에서는 3 종류의 Real Gas 옵션을 제공하며, 이번 호에서는 3 종류의 Real Gas 옵션 중 하나인 NIST Real gas model과 NIST REFPROP 라이브러리를 활용하는 RGP(Real Gas Property) Table에 대하여 알아보도록 하자. 

NIST Real Gas Model 

NIST Real Gas Model은 냉매 및 냉매 혼합물의 열역학 및 전달 특성 데이터베이스인 REFPROP를 사용하여 125개의 유체 열/유동 물성 정보를 제공한다. 다른 Real Gas 모델과는 달리 이미 정의 되어있는 라이브러리를 활용하기 때문에 사용자가 열/유동 물성정보에 대하여 복잡한 계수들을 따로 정의하지 않아도 된다는 장점이 있다. 

REFPROP의 확장자는 순수 유체(Pure fluid)의 경우에는 fld, 혼합 유체(Mixture fluid)는 ppf로 정의된다. 또한 REFPROP의 순수 유체 파일 데이터를 이용하여 사용자가 새로운 혼합 유체를 정의하는 것 또한 가능하다. 

라이브러리는 Ansys Fluent 설치 경로 내부에 위치한다.  

Ansys 2023R2에서 해당 라이브러리를 활용하여 RGP 파일 생성기능이 추가되었으니 해석에 필요한 경우 활용이 가능하다. 

제한 사항 

NIST Real Gas Model에는 다음과 같은 제한 사항이 있다. 

1. NIST Real Gas Model은 Solver의 계산에서 사용할 유체가 초과 가열 증기, 초임계 유체 또는 액체라고 가정한다. 증기가 다상 흐름에서 액체와 공존하는 임계 이하 흐름 조건은 지원하지 않는다. 즉 Condenser나 Evaporator와 같이 해석하고자 하는 도메인 상에 상변화가 일어나는 해석 케이스에는 적용이 어렵다.  

2. 모든 유체 영역은 NIST Real Gas Model를 사용해야 하며, 동일한 케이스에서 다른 유체 설정이 불가능하다. 즉 냉매와 냉각수 간의 열전달이 일어나는 열교환기 해석에서는 적용이 어렵다.  

3. 입출구 경계조건으로 Pressure Inlet, Mass Flow Inlet, Pressure Outlet만 사용할 수 있다. 

4. 복사 모델을 포함한 Density-Base solver를 사용할 때 비반사(Non-reflection) 경계 조건은 호환이 불가능하다. 비반사 경계조건를 사용해야 할 경우, Pressure-Base Solver로 접근해야 한다. 

5. Mixture 유동에서 화학 반응은 허용되지 않는다. 

6. NIST Real Gas Model은 다상 모델 중 DPM을 제외한 모든 다상 모델을 사용할 수 없다.  

7. REFPROP 데이터베이스 라이브러리의 재료 특성을 수정하거나 사용자 정의 재료를 추가할 수 없다. (3rd Party 권한 문제) 

사용 방법 

NIST Real Gas Model을 사용하기 위해서는 두 가지 방법으로 사용이 가능하다. 첫번째 방법으로 Fluent GUI를 이용하는 방법으로, 순수 유체의 경우 [그림 1]과 같이 Physics 탭의 Material Create/Edit를 클릭하면 Create/Edit Material 창이 나타나며, Density에서 real-gas-nist를 선택하게 되면 [그림 2]와 같이 NIST Fluid Data 팝업이 나타나며, 사용하고자 하는 물성정보를 선택 후 OK를 누르면 관련 물성이 해석에 적용된다.  

선택된 유체에 Vapor/Liquid상을 정의해야 하는데, 관련 설정은 Physics 탭의 Operating Conditions...를 클릭하면 [그림 3]과 같이 Real Gas State를 정의하는 옵션이 추가되며, 해석에 사용되어지는 State를 정의해 주어야 한다.  

두번째 방법으로는 TUI를 이용하는 방법으로 2023R1 버전 이전에 활용되던 방식으로 TUI창에 아래와 같이 입력하여 활성화할 수 있다. 

순수 유체:  

>define/user-defined/real-gas-models/nist-real-gas-model 

혼합 유체: 

>define/user-defined/real-gas-models/nist-multispecies-real-gas-model 

해당 명령어를 입력하면 NIST Real Gas Model을 사용할 지에 대한 확인 메시지가 TUI에 출력되며 “y”를 입력하면 활성화된다. 

순수 유체를 사용하고자 하면 출력된 REFPROP 라이브러리의 125개의 유체 물성 파일 중에서 관련 파일 이름을 입력하면 되고, 혼합 유체를 사용할 경우에는 혼합 유체에 포함되는 유체 개수를 입력 후 각 파일의 이름을 입력하게 된다. (최대 20개까지 가능)[그림 4] 

[그림4] 혼합 유체 생성 입력 예시 

생성된 혼합 유체는 자동적으로 Mixture로 생성되며, Cell zone에 적용된다. [그림 5] 

혼합 유체의 경우 모든 종류의 물성의 혼합이 가능한 것은 아니다. 이는 각 물성 간의 데이터가 부족한 경우에 발생할 수 있으며, 콘솔에 해당 경고가 출력된다. 

NIST Look-up Tables 

NIST Real Gas Model을 사용하게 되면 NIST 데이터베이스를 매 iteration마다 호출하게 된다. NIST Look-up Table을 생성하게 되면 두 가지 장점이 있다.  

1. 해석 수행 시 iteration 마다 NIST 데이터베이스를 호출할 필요가 없으므로 계산 시간이 줄어든다. 

2. 해석 조건에 맞는 물성 조건 범위를 사용자가 설정할 수 있어서, 불필요한 조건의 물성 입력을 배제할 수 있다. 

생성 방법으로 [그림 6]과 같이 NIST Fluid Data 창 하단에 있는 Create Lookup Table을 체크하게 되면 압력, 온도 범위 및 데이터의 개수를 정의할 수 있다. 압력 온도 범위는 NIST 데이터 범위를 초과하여 설정할 수 없으므로 주의를 요한다. 

[그림 6] Create Look-up Tables (Single) 

[그림 7] Create Look-up Tables (Mixture) 

TUI를 이용할 경우 NIST Real Gas 생성 후 Full NIST Lookup Tables for multi components? [no] 라는 콘솔에서 “y”를 선택하고, 관련 범위를 GUI와 동일하게 입력하면 된다. 

활용 TIP 

NIST Real Gas Model은 단순한 Ideal gas보다 복잡한 해석이다. 따라서 해석이 훨씬 느리게 수렴하게 될 것으로 예상해야하며, 일반 Ideal gas를 적용한 해석 대비 낮은 Courant 수에서, 또는 낮은 URF 값을 사용하여 해를 수렴시키는 것이 필요하다. 해석이 발산할 가능성이 있기 때문에 먼저 1st Order의 이산화를 사용하여 수렴시킨 후에 2nd Order 이산화로 전환하고 다시 반복하여 수렴시킬 것을 권장한다. 

또한 NIST 데이터베이스의 물성정보들은 제한된 범위 내에서 정의되기 때문에 해석하고자 하는 경계조건(온도, 압력 등)은 반드시 데이터베이스의 범위 내에 있어야 한다. 간혹 해석 도중에 일시적으로 데이터베이스의 범위를 넘는 경우가 있을 수 있으므로, 이럴 경우 Courant 수나 URF 값을 일시적으로 완화하여 해석이 발산하지 않게 수정하는 것이 필요하다. 

마지막으로, 초기화 수행 시 오류가 발생한다면, 이는 경계조건이 NIST 데이터베이스를 넘어서는 조건에서 해석을 수행하고 있는 것이므로, NIST Real Gas Model이 아닌 다른 방법으로 물성을 정의해야 할 것이다. 

RGP Table 

RGP Table은 앞서서 설명한 NIST REFPROP의 라이브러리를 활용하여 온도와 압력의 함수로 열/유동 물성 데이터를 제공한다. RGP Table은 NIST Real Gas Model과는 달리 다상 유동 및 상변화 해석에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 

Ansys 2023R2 버전 이전에는 python을 이용하거나 별도의 프로그램을 사용해서 RGP Table를 생성하였으나, 2023R2 버전부터 CFX에서 RGP Table을 생성할 수 있는 기능이 추가되었다. 

 CFX Pre를 실행한 후 메뉴의 Tools > Generate RGP file을 실행하면 그림 [그림 8]과 같이 정의하면 손쉽게 RGP 파일을 생성할 수 있다. 

생성된 RGP 파일을 Fluent 해석에 적용하기 위해서는 Fluent solver 메뉴에서 File > Table File Manager를 실행하면 [그림 9]와 같이 적용할 수 있다. RGP 파일을 불러들이게 되면 Liquid, Vapor에 대한 정보가 따로 정의할 수 있으며, VOF, Eulerian과 같은 다상 유동에서도 적용이 가능하다. 

[그림 8] RGP Table 생성