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ANALYSIS

문정은에스티아이코리아에서 개발지원실 실장을 맡고 있다.

이메일 | moonce@stikorea.co.kr

홈페이지 | www.stikorea.co.kr

1985년 처음 출시된 FLOW-3D는 이상유동 해석기법인

VOF(Volume Of Fluid) 방법을 창시한 허트(C.W. Hirt) 박사

에 의해 만들어졌다. VOF 방법은 다양한 이상유동 현상을 빠르고

정확하게 모사할 수 있어, 그 이후로 사용자는 FLOW-3D의 VOF

방법을 사용하여 복잡한 이상유동을 해석할 수 있게 되었다.

현재 FLOW-3D는 11.2 버전에 이르고 있으며 다양한 사용자

의 요구에 응답하여 사용하기 쉽고, 더 빠르고 정확하게, 더 다양

한 유동현상을 해석할 수 있도록 발전해 왔다. <그림 1>은 FLOW-

3D를 실행시킨 모습이다.

FLOW-3D를 사용하여 다양한 물리현상들을 해석할 수 있다.

FLOW-3D의 이상유동 해석 방법

<그림 2>에 나타난 것과 같은 댐의 방류 현상이나, 잉크젯 프린터

설계를 최적화하는 등의 문제는 크기는 다르지만 기체와 액체가

함께 존재하며, 시간에 따라 흐름이 변화하는 유동을 정확하게 예

측하는 것이 중요하다. 이러한 기체와 액체 두 개의 상을 가진 유체

유동을 '이상유동(Two Phase Flow)'이라고 하며, 이를 해석하

기 위해서는 액체 영역과 기체 영역을 구별할 수 있는 정확한 방법

이 필요하다.

연재순서

제1회 FLOW-3D 소개 및 특징

제2회 수자원, 해양 분야의 활용

제3회 주조, 기계 분야의 활용

제4회 코팅 분야의 활용

제5회 항공,우주 분야의 활용

FLOW-3D는 열전달 및 유체유동 해석 소프트웨어로 이상유동을 효과적으로 해석할 수 있으며 수자원, 항만, 기계, 주조, 항공, MEMS 등 다양한

분야에서 사용하고 있다. FLOW-3D는 격자 생성과 해석 모델을 손쉽게 작성할 수 있으며 전문 후처리 프로그램에서 제공하는 후처리 능력을 갖춰

해석 결과를 다양한 방법으로 간편하게 분석하고 시각화할 수 있다.

이번 호에서는 FLOW-3D의 소개와 함께 FLOW-3D의 특징에 대해 알아본다.

그림 1. FLOW-3D의 GUI

그림 2. FLOW-3D로 댐의 방류 현상 모사

FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (1)

FLOW-3D 소개 및 특징

■ 정확한 자유표면 추적 ■ 압축성/비압축성 유동

■ 층류/난류 ■ 열전달(전도, 대류, 복사)

■ 점성발열 ■ 상변화(응고,증발)/공동현상

■ 표면장력 ■ 다상유동

■ 물질확산 ■ 자연대류/밀도류

■ 뉴턴/비뉴턴 유체, 요변성 유체 ■ 다공성매질

■ 가속도계/관성계 ■ 입자추적

■ 전기영동/전기삼투압/주울발열 ■ 열모세관현상

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FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (1)

이러한 방법은 고정 격자계를 이용한 방법과 이동 격자계를 이용

한 방법으로 크게 나눌 수 있다. 이동 격자계를 이용하여 구별하는

방법은 액체와 기체 경계면에 격자면를 일치시켜 액체와 기체 경계

의 이동에 따라 격자를 움직이는 방법이다. 격자에 의해 영역이 구

별되므로 경계의 위치를 찾아내는 특별한 알고리즘이 필요하지 않

으며, 경계조건(Boundary Condition)을 적용하기 쉬운 장점이

있다.

반면에 두 유체의 경계가 시간에 따라 계속 변화하므로 변화한

경계를 표현하기 위해서는 격자를 경계에 맞추어 계속 재생성해야

하며, 이로 인한 계산부하가 크다. 더욱이 그 경계가 크게 변형되는

유동 또는 액적/기포가 분리되거나 합쳐지는 등의 복잡한 유동에

대한 적용은 거의 불가능하다.

고정 격자계를 이용한 방법은 격자의 이동으로 경계를 구별하지

않고, 액체의 체적을 추적하는 VOF(Volume of Fluid) 방법을

사용하여 경계를 구별한다. VOF 방법은 움직이지 않는 격자계에

서 시간에 따라 변화하는 유체를 추적하기 위해 <그림 3>과 같이

액체가 각 격자요소에서 차지하는 비율을 보존방정식에 적용, 이

방정식을 추가로 풀이하는 방법을 사용한다.

이 방법은 격자가 고정되어 있으므로 액체와 기체의 경계를 나타

내기 위하여 그 경계를 추적하는 정확한 알고리즘을 필요로 한다.

하지만 이동 격자계를 사용하는 방법과 달리 복잡한 유동을 쉽고

자유롭게 표현할 수 있으며, 3차원의 실제 모델에서의 적용 또한

용이하다. 특히 VOF 방법은 그 자체로 질량보존의 물리적 법칙을

만족하기 때문에 비현실적인 해석 결과를 나타내지 않게 된다. 이

러한 이유로 현재 대부분의 상용 CFD 프로그램에서는 VOF 방법

을 제공하며, 이를 이용해 이상유동 문제를 해석하고 있다.

VOF 방법은 세 가지 요소로 구성되는데. 액체와 기체 경계면의

위치를 정하는 기법, 고정된 격자계를 통해 시간에 따라 움직이는

경계면을 추적하는 알고리즘, 그 경계면에 적절한 경계 조건을 적

용하는 기법 등이다. CFD(Computational Fluid Dynamics)

프로그램은 이 세 가지 요소를 잘 구현하고 있어야 이상유동에 대

해 정확한 해석 결과를 구현할 수 있으며, 이 세 가지 요소 중 하나

혹은 두 가지만을 구현하는 것으로는 부정확한 해석 결과를 나타

내게 된다.

FLOW-3D는 이 세 가지 요소를 모두 적용한 VOF 방법을 사용

하며, 특히 경계조건 적용과 경계면 추적의 정확성을 향상시키는

독자적인 방법들을 사용하므로 정확한 이상유동 해석 결과를 얻

을 수 있다.

격자 생성과 FAVOR

FLOW-3D는 경계밀착격자(body-fitted grids)가 가지는 유

연성과 직사각형의 구조격자(structured grids)가 가지는 단순

명료함의 장점을 결합한 독특한 격자체계를 사용한다.

FLOW-3D에서는 해석하고자 하는 유체영역, 물체의 영역을 포

함하는 직사각형의 격자와 물체의 형상을 정의하는 것만으로 형상

에 맞는 격자를 손쉽게 생성시킬 수 있는데, 물체의 형상과 정의한

격자에 따라서 FAVOR(Fractional Area Volume Obstacle

Representation)라는 알고리즘에 따라 자동으로 형상에 맞는

격자를 생성하여 유체의 흐름 영역과 고체 영역을 나눈다.

FAVOR 방법은 <그림 4>에 나타낸 것과 같이 사용자가 정의한

격자에 맞게 유체영역과 물체영역을 구분하는데, 각 격자요소에 대

해 격자면의 열린 면적비 Af와 열린 체적비 Vf를 정의하고 이를 이

용하여 물체의 복잡한 형상을 정확하게 표현할 수 있다. 이 방법은

유체영역을 기체영역과 액체영역으로 구분하는 VOF 방법과 같은

방식으로 고체영역과 유체영역을 구분한다고 할 수 있다.그림 3. FLOW-3D의 VOF 방법

그림 4. FLOW-3D의 FAVOR 방법

그림 5. FAVOR 방법을 이용한 형상 및 격자

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ANALYSIS

FLOW-3D는 FAVOR 방법을 사용하여 경계밀착격자가 가지는

형상표현의 유연성을 가지면서도, 경계밀착격자를 자동적으로 생

성하는 프로그램에 비해 매우 안정적으로 격자를 생성하여 사용자

의 작업을 최소로 줄여준다. 또한 직사각형의 구조격자를 사용함

으로써, 경계밀착격자를 사용하는 CFD 프로그램들이 필요로 하

는 격자요소의 배열 및 위치 관계를 위한 메모리도 필요로 하지 않

아, 보다 적은 메모리를 사용한다. <그림 5>는 이 FAVOR 방법을

사용하여 FLOW-3D에서 형상 및 격자를 생성한 모습이다.

효율적인 격자사용을 위해 여러 개의 격자 블록(mesh block)

을 동시에 사용할 수 있으며, 물체 또는 유체 영역의 크기에 따라서

격자 크기도 변경시켜 적용할 수 있다. 이를 위해서 FLOW-3D에

서는 <그림 6>에 나타낸 것과 같은 연결(linked)/내포(Nested)/

접합(Conforming) 등의 격자 블록을 제공한다. 연결 격자 블록

은 해석영역의 형상에 따라 설정하여 불필요한 격자를 생성하지 않

으며, 내포 격자 블럭은 정밀한 계산을 수행하기 위해 관심영역에

조밀한 격자를 사용한다. 접합 격자 블럭은 물체 주위를 따라 조밀

한 격자를 적용할 때 사용할 수 있다.

물체가 시간에 따라 이동하는 문제의 경우, FLOW-3D는 단순

히 물체가 각각의 격자요소에서 차지하는 Af와 Vf의 비율을 변경

하는 것에 의해 자동적으로 고체영역이 변하고 형상변화를 나타낼

수 있다. 그러므로, 경계밀착격자를 사용하는 프로그램이 물체의

이동에 따라 격자를 재생성해야 하는 것과는 달리, 격자를 재생성

하지 않고 시간에 따른 물체의 변화를 쉽게 표현할 수 있게 된다.

따라서 FLOW-3D에서는 사용자가 이동 격자를 고려하여 격자를

생성해야 하는 어려움 없이 자유롭게 시간에 따른 여러가지 물체의

움직임을 표현할 수 있으며 격자의 재생성에 따른 추가적인 계산부

하도 발생하지 않는다.

유체-고체 상호작용(Fluid-Solid Interaction)

FLOW-3D는 간단한 밸브의 열림/닫힘에서부터 교반기, 빙산의

운동, 선박의 운동 등과 같이 유체 유동와 연동하여 고체의 운동을

함께 해석할 수 있는 강력한 기능을 가지고 있다. <그림 7>은

FLOW-3D를 사용하여 선박이 진수되는 과정을 해석한 결과이다.

FLOW-3D는 고체를 변형이 없는 강체(rigid body)로 가정하

는 GMO(General Moving Object)라는 방법을 사용하여 유

체-고체 상호작용을 해석한다. 유체와 연동하는 고체의 운동을 해

석하는 데 있어서, 유체는 고체에 비해 훨씬 쉽게 변형이 발생하고

고체의 변형은 매우 작으므로, 고체가 강체라는 가정은 대부분 적

절하며 고체 변형 계산에 필요한 컴퓨터의 부하를 줄일 수 있다.

FLOW-3D에서는 교반기와 같이 고체를 사용자가 미리 지정한

데로 움직여(prescribed motion) 유체 유동을 발생시키는 문

제나 빙산, 선박의 운동과 같이 고체의 질량과 고체에 작용하는 외

력을 포함하여, 고체와 유체가 서로 힘을 주고 받으면서 그 상호작

용로 인한 고체의 운동 및 유체의 유동이 발생하는 문제(ful ly

coupled motion)를 해석하여 예측할 수 있다. 또한 FLOW-3D

는 고체끼리의 충돌(collision)도 모사할 수 있는 능력을 지니고

있어, 사용자가 단순히 유체유동만을 해석하는 범위를 벗어나 고

체의 운동까지 포함하는 매우 다양한 물리현상을 모사할 수 있게

해준다.

앞서 살펴본 바와 같이 경계밀착격자를 사용하는 CFD 프로그

램은 고체의 운동에 따라 격자를 재생성하여야 하는 문제가 발생

하지만, FLOW-3D는 FAVOR 방법을 사용하여 그러한 문제없이

보다 빠르고 정확하게 해석할 수 있게 한다.

FLOW-3D는 독립적으로 움직이는 물체를 최대 500개까지 하

나의 해석에 포함할 수 있으며, 각 물체는 6 자유도를 가지고 힘의

평형에 따라 자유롭게 움직이거나 고정축 또는 고정점에 대해 움직

그림 6. FLOW-3D의 격자 방법

그림 7. 선박의 진수과정 모사

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FLOW-3D의 활용 및 설계 적용 사례 (1)

이도록 사용자가 적절히 선택할 수 있다.

새로운 후처리 프로그램 FlowSight

FLOW-3D 10 버전부터 내부의 후처리기(post processor)와

함께, 성능이 뛰어난 별도의 후처리 프로그램 FlowSight를 제공

한다.

FlowSight는 전문적인 후처리기인 Ensight의 엔진을 기반으

로 개발된 프로그램으로 FLOW-3D의 해석 결과를 분석하고, 데

이터를 추출하고, 시각화할 수 있는 다양한 방법을 제공한다.

FlowSight는 전문 후처리기와 버금갈만한 많은 기능을 제공하며

그 기능은 다음과 같다.

맺음말

지금까지 FLOW-3D에 대한 간단한 소개와 FLOW-3D가 갖는

특징 및 장점을 알아보았다.

FLOW-3D의 특징 및 장점을 알아보기 위하여 다소 이론적인

내용이 포함되어, FLOW-3D와 같은 CFD 프로그램을 처음 접해

본 독자는 다소 어려운 면이 있었으리라 짐작된다. FLOW-3D를

사용하기 위하여 이러한 내용을 모두 이해해야 하는 것은 아니며,

다른 CFD 프로그램에 비해 FLOW-3D가 이러한 특징과 장점들

이 있다는 것을 알아두는 것으로 FLOW-3D에 대한 이해를 넓혔

으면 한다.

다음 호부터는 FLOW-3D를 적용한 사례에 대해 각 산업분야

별로 살펴보고자 한다.

그림 8. FlowSight의 입자(Particle) 처리

그림 9. FlowSight의 유선(Streamline) 처리

그림 10. FlowSight의 단면(Clip) 처리

그림 11. FlowSight의 그래프 연동 처리

■ 입자 시각화(Particle Visualization)

■ 속도벡터장(Velocity Vector Fields)

■ 유선과 유적선(Stream line & Pathline)

■ 등치면(iso-surface)

■ 볼륨 렌더(Volume Render)

■ 2D/3D/임의단면(2D/3D/Arbitrary Clip)

■ 그래프 연동(Plotting) 등