2009/7C∙49

ANSYS FLUENT 12.0ANSYS Workbench 통합환경지원유동해석소프트웨어

■ 개발 : ANSYS, http://www.ansys.com

■ 주요 특징 : 앤시스 워크벤치 환경 내에 통합, 디자인 모델러와 AMP

통한 모델링 및 격자 생성 편의성 향상, CFD-Post로 후처리 작업 수행

가능, GUI의 폭 개선

■자료제공 :태성에스엔이, 02-3431-2442, http://www.tsne.co.kr

Software Review

이번에 업그레이드된 앤시스 워크벤치(ANSYS Workbench) 12.0

에서주목할만한점은플루언트(FLUENT)가워크벤치에통합되었다

는 것이다. 2006년 앤시스와 플루언트의 합병 이후 3년 만에 나온 통

합버전으로, 실행환경변화및300개이상의기능향상이이뤄졌다.

플루언트가 앤시스 워크벤치로 통합되면서 크게 달라진 점 중 하나

는기존의모델링및격자생성툴인Gambit이사라졌다는점이다. 물

론기존의Gambit을이용하여격자를생성한후해석할수있지만, 앤

시스 워크벤치의 디자인 모델러(Design Modeler)와 AMP(ANSYS

Meshing Platform)를 이용하면 모델 형상의 정보와 격자의 정보가

서로 연계되어서 형상이 변하여도 새로 격자를 생성할 번거로움이 줄

어드는등, 예전에비해더편리하게모델링및격자생성을할수있는

장점이생겼다. 또한플루언트로해석을수행한후CFD-Post를이용

하여후처리작업을수행할수있다.

ANSYS Fluid Dynamics 12.0의개요도는<그림1>과같다.

플루언트 GUI

플루언트12.0은앤시스워크벤치를통해실행가능하다. 앤시스워

크벤치12.0을실행하면11.0 버전과많이달라졌다는것을알수있다.

먼저 <그림 2>를 보면 왼쪽 툴박스에는 사용자가 해석하고자 하는

시스템을 분류하여 편의성을 제공하 다. 또한 12.0에서는 링크 기능

이강화되어그림과같이동일격자에다른경계조건의해석이간단하

게 실행되며, 두 결과를 CFD-Post에서 비교할 수 있다.(이 기능은

CFD-Post 내용에서다루기로한다.) 링크기능의강화로모델의형상

이나 격자가 변경되어도 쉽게 업데이트되어 시간 단축의 효과를 얻을

수있다.

<그림 3>은 워크벤치 12.0에서 플루언트 실행 화면을 이전 버전과

비교한 그림이다. 먼저 플루언트 12.0을 실행하면 디멘션, 옵션, 디스

플레이옵션, 프로세싱옵션과작업디렉토리등의설정이가능한플루

언트런처창이뜬다.

플루언트6.3이기본적인옵션만설정가능하고, 유저가Parallel을

사용할 경우엔 도스 창에서 명령문을 실행하든지 Parallel 실행 파일

을만들어야했던점을고려하면, 플루언트12.0은유저의편의성을보

완하기위하여많은노력을하 다. 또한마이크로소프트와공동개발

한‘Microsoft Job Scheduler’는 윈도우 2008 서버에서 컴퓨터간의

Parallel 및CPU 분배등을손쉽게할수있는장점이있다.

그림 1. ANSYS Fluid Dynamics 개요도

그림 2. 앤시스 워크벤치 12.0 실행 화면CAD 지오메트리 메싱 셋업 해석 후처리

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Software Review

플루언트12.0은<그림4>와같이플루언트6.3의기본메뉴에그래

픽창과마법사(Wizard) 및아이콘메뉴가새로추가되었다. 플루언트

12.0은 정확도와 다양한 기능에 비해 처음 접하는 사용자가 사용하기

엔어렵다는단점을보완하 다. 그리고기존시용자가사용하는데생

길혼란을예방하기위하여기존의메뉴와커맨드창은그 로유지하

다.

앤시스워크벤치로통합된플루언트12.0은외형적으로는사용자의

사용편의성에상당히비중을두고보완을하 으며, 근3년에걸친기

간동안다양한기능을추가하고정확도의개선을이뤄냈다.

내연 기관 해석의 향상

내연기관 해석의 정확도를 향상시키기 위하여 플루언트 12.0은 많

은 기능들이 추가되고 보완되었다. 먼저 Parallel에서는 적용되지 않

았던‘Activate/deactivate zones’기능을사용할수있게되었다.

<그림 5>의 왼쪽 그림에서 위쪽 흡입 밸브가 닫힐 경우 12.0에서는

흡입밸브위쪽의 역은해석 역에서제외되어해석시간이단축된

다. 또한크랭크가움직이면서연소실내부의격자를재생성하기위하

여 다이나믹 메시(Dynamic mesh)를 사용할 때 예전에는 UDF 코드

를직접만들어야하는어려움이있었으나, 12.0에서는오른쪽그림과

같이 TUI 기능이 추가되어 크랭크가 어느 일정 각도일 때(예를 들어

상사점, 하사점) 이벤트를 이용하여 쉽게 다이나믹 메시를 사용할 수

있게되었다. 그외에도리포팅기능및새로운기법들이적용되었다.

코어 뉴메릭스

플루언트12.0에서새롭게선보이는기법은이산화(Discretization)

기법의 혼합(blending) 이다. 보통 1차 오더 식은 수렴이 잘되나 정확

도가고차에비해떨어지고, 고차는정확도는높으나수렴에어려움이

있었다. 하지만, 이산화의혼합을이용하면고차의정확도를유지하면

서1차의좋은수렴성을갖는장점을얻을수있다.

<그림6>은초음속비행체해석을1차오더와2차오더, 그리고혼합

기법을 사용한 결과를 보여주고 있다. 혼합 기법은 Pressure Based,

Density Based 모두사용이가능하다.

또한 플루언트 12.0은 Transient 해석 시 변수 값을 외삽법을 이용

하여 결과의 정확도는 유지하면서 해석 시간을 단축시켰다. <그림 7>

과 같이 단순한 축류 압축기의 Transient 해석에서 예전 버전과 12.0

버전을동일시간동안해석하는데계산된횟수를비교해본결과예전

버전은12,100번, 12.0은9,457번으로약22% 정도가단축되었다.

플루언트 12.0은 Density-based solver의 강건성의 향상에 중점

을 두고 개발되었다. 그 예로 <그림 8>과 같이 Density-based

그림 4. 플루언트 12.0 실행 화면

그림 7. Variable Extrapolation method

그림 5. IC 엔진 기능 향상

그림 6. Discretization Blending method

그림 3. 플루언트 런처 화면 비교

플루언트 6.3

플루언트 12.0

블렌딩

가변 외삽법

외삽법 없음

2nd-○

1st-○

implicit solver의솔루션조

절이 가능하다. 보통 이산화

항의 최고차 항이 2차일 경

우해의정확도는1차에비해

높으나, 수렴성에서 안정적

이지 못하다. 1차 항과 2차

항의 적절한 조절을 통하여

해의 정확도를 높이면서 수

렴성의 안정성까지 얻을 수

있게되었다.

패러렐 I/O 및 파티셔닝

플루언트 12.0은 병렬 처리 기법의 향상으로 파일을 읽고 저장하는

데 소요되는 시간을 단축하 다. 플루언트 6.3은 병렬 처리로 나눠진

데이터들을 단계별로 취합하는 방식을 사용하 다. 그러나 12.0에서

는각노드의데이터들을MPI I/O로동시에옮긴후통합을하게되므

로 이전 버전에 비해 데이터 입출력 시간이 단축되었다. <그림 9>에서

프로세서의수에따른6.3과12.0의데이터처리시간을비교하 다.

메싱

플루언트12.0에서는격자처리기법또한향상되었다. 먼저바운더

리에서의 이방성 적응 격자 기법이 가능해졌다. <그림 10>과 같이 F1

자동차의 바운더리 레이어를 현재 5개에서 y+ 값을 향상시키기 위하

여바운더리의수직방향으로만개수를증가시킬수있게되었다.

예전버전에서는바운더리방향과수직방향에모두증가가되어불

필요한 격자가 증가하여 해석의 효율성이 떨어졌으나, 12.0에서는 이

를 보완하 다. 또한 다면 격자의 변환에 사용되는 메모리가 6.3에 비

해약55% 줄어들어사용자의격자선택의폭을넓혔다.

단방향 커플링을 통한 FSI

플루언트가 워크벤치에 통합되면서 FSI 매핑을 통해 FEA 코드와

직접연계되어FSI 해석을할수있게되었다. 앤시스와의FSI 해석뿐

만아니라아바쿠스, I-deas, 나스트란, PATRAN과의FSI 해석이가

능하다. 이를 통해서 플루언트에서 얻은 표면의 구조와 열적 하중, 그

리고체적온도정보를FEA 격자에서사용할수있게되었다.

실제 기체 모델

플루언트 12.0는 많은 사용자의 요청에 따라 실제 기체 모델을

pressure-based solver에서해석이가능하다. 실제기체모델을해석

하기위하여Aungier-Redlich-Kwong 법칙이새로사용되었다.

Aungier-Redlich-Kwong 법칙은이상기체법칙과같이Density

드롭다운목록에서선택하면된다. 필요한임계물성치는재료의데이

터베이스를이용하면된다. 혼합물에 해서는혼합종의임계물성치

를정의하기위하여임계상수에 한혼합법칙이적용되었다. 새로운

Aungier-Redlich-Kwong 법칙은 NIST 라이브러리에 추가되었으

며, 이전 버전과 같이 user-define real gas 옵션을 사용할 수 있다.

이 세 가지 옵션은 플루언트 12.0에서 pressure-based 와 density-

based 기법모두사용가능하다.

난류 해석

난류 천이 모델(Turbulent transient model)이 구현되도록 4개의

SST 천이모델방정식과향상된walter 모델이적용되었다. <그림13>

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ANSYS FLUENT 12.0

그림 8. Solution steering for DB-implicit

solver

그림 9. 패러렐 I/O 및 파티셔닝

플루언트 6.3

플루언트 12.0

플루언트 6.3 플루언트 12.0

그림 10. Anisotropic adaption mesh method

그림 11. 단방향 커플링을 통한 FSI

그림 12. 실제 기체 모델

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Software Review

은 실험을 통한 난류 천이 위치 데이터를 12.0에 새로 적용된 두 모델

과의비교한그림으로비슷한경향을나타냄을확인할수있다.

다상 유동 해석

다상 유동 해석에서는 오일러 다상 모델에서 속도와 압력 방정식에

해 연계되는 pressure-velocity 커플링 옵션이 새로 추가되었다.

Immiscible fluid model(Multi-Fluid VOF model)은 두 개의 속도

와온도장을사용하여표면장력을포함한자유표면흐름을해석할수

있다.

VOF 모델을 사용할 경우, <그림 14>의 왼쪽과 같이 파도처럼 주기

를 갖는 velocity inlet 경계 조건으로 하여 유동 해석이 가능하다. 오

일러와혼합다상유동에서증발과응축으로발생하는열변화로인한

상들사이의질량변화를고려하 다.

이 외에도 Discrete Phase Model(DPM)을 사용하여 무질량 입자

해석으로기본유동에 향을주지않으면서입자의체류시간을측정

할 수 있게 되었다. 또한 DO 복사 모델의 향상과 연료 전지 해석,

DQMOM-IEM 모델을이용한연소해석도발전되었다.

경계 조건

플루언트 12.0에서는 경계 조건의 향상도 있다. 량 유동(Mass

flow)을 출구로 설정이 가능하게 되었다. <그림 17>과 같이 여러 개의

출구 형상이 있을 경우, 반복계산을 하지 않고도 보다 손쉽게 정확한

해를얻을수있다.

소음 해석

Density-based에서

음해법(Implicit)과 양해

법(Explicit)의 조화를 이

루면서 소음 해석 역이

확장되었고, LMS virtual

lab으로 데이터를 내보내

는데 CGNS 포맷을 사용

할수있도록향상되었다.

표면 마찰 계수

에어 포일

마하 = 0.15

받음각 = 13.3。

압력 계수

그림 13. 실험 데이터 비교

그림 15. DPM, 연료 전지, DO 복사

그림 16. Reacting Flows

그림 14. 다상 유동 해석

그림 17. 새로운 경계 조건 기능

중력

2차 입구1차 입구

출구

입구

속도 온도

CO 확산 H2O 확산

그림 18. 소음 해석

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ANSYS FLUENT 12.0

CFD-Post

플루언트 12.0은 해석의 정확도와 해석 역의 확장 개발뿐만 아니

라, 후처리 기능도 발전되었다. 앤시스 워크벤치로 통합되면서 CFD-

Post를 사용할 수 있게 됨으로써 기본 CFD 격자 형태뿐만 아니라 다

변형격자를효율적으로빠르게처리가가능해졌다.

이전에는 벽면에서의 속도 분포는 no-slip 조건으로 인하여 <그림

19>의왼쪽과같이0으로나타났으나, CFD-Post를통해서벽면근처

에서의 속도 분포를 <그림 19>의 오른쪽과 같이 나타낼 수 있다.

Transient 해석에서 시간 변화에 따른 격자 변화를 플루언트 12.0에

서는<그림20>과같이표현할수있게되었다.

이번 12.0에서 개발된 기능 중 하나는 동일 격자 형상에 한 여러

경우에 한 해석을 비교하기 쉽도록 각각의 경우를 후처리하고, 각각

의차이를함께후처리해주는점이다. <그림21>의왼쪽은동일한격자

의모델을각기다른난류모델로해석한후결과를비교한그림이다.

워크벤치 12.0에서는 <그림 21>의 오른쪽과 같이 최 70개까지 해

석비교가가능하다.

CFD-Post 12.0에서는 <그림 22>와 같이 와류 역을 찾아주는

vortex core region 기능이 추가되었다. 한편 Fast Fourier

Transform(FFT) 기능이새롭게추가되어다른프로그램의도움없이

<그림 23>과 같이 주기와 진폭을 확인할 수 있어, 진동 해석에 필요한

공진여부를쉽게판단할수있게되었다. 또한후처리의컬러맵에투

명도를 설정할 수 있어서 <그림 24>와 같이 원하는 부분을 강조할 수

있게되었다.

그 외에도 MPEG-4 포맷으로 동 상 저장이 가능하게 되어 적은

용량으로고화질의동 상을제작할수있다. Turbo 해석에 해서로

터와스테이터의혼합해석의경우에 해서각각의보고서또는혼합

보고서기능이추가되었다.

플루언트 12.0은 워크벤치 환경에 통합된 첫 플루언트 버전이며,

2006년앤시스와플루언트의합병이후3년만에나온통합버전으로

의미가 있다고 할 수 있다. 이번 호에서는 플루언트 12.0에 해 향상

된 기능들과 새로 도입된 기법들을 간략하게 소개하 다. 플루언트

12.0 사용자들이 다양한 실무 상황에서 향상된 기능을 사용하여 좋은

결과를보다쉽고보다빠르게얻을수있길기 한다. 그림 21. 케이스 비교

그림 19. 바운더리 근처의 포스트 속도

그림 22. 소용돌이의 중심부 찾기

그림 23. FFT 기능

그림 24. 컬러 맵 수정

그림 20. 타임스텝에 따른 포스트 형상 및 결과