Paradigm Change in CFD Led by Open-Source Codes

이 신 형 교수서울대학교 공과대학 조선해양공학과

CAE Conference 20132013년 11월 15일 (금) COEX

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CFD 패러다임의 변화

In-house codes

Commercial codes

Open-source codes

- Unstructured mesh- Pre/post integration- CAD import- GUI- General purpose solver

- Huge computing resources requirements

- License fees- Monopoly- Difficulty in

customization/integration

- Community development- OOP- Customization capability

CFD for open innovation

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OpenFOAM 이란?

• OpenFOAM?– Open Field Operation And Manipulation– Open Source CFD toolbox

• 1990년대 초 영국의 Imperial College에서 개발 시작

• 주 저자– Dr. Hrvoje Jasak : Wikki Ltd.– Dr. Henry Weller : OpenCFD Ltd.

• 2004년 말 OpenCFD Ltd. 에서 v1.0이 공개 S/W로 발표

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OpenFOAM 특징

• GNU GPL을 적용한 open source software

• 어플리케이션(Application) 이라고 칭하는 실행파일을 만들기 위한 C++ 라이브러리들의 모음

• 라이브러리들은 해석하고자 하는 편미분 방정식과 최대한 유사하게 만들어져 있음

• 소스와 함께 미리 컴파일 된 다양한 어플리케이션이 함께제공됨

• OpenFOAM은 ‘Application’이라는 실행 파일을 만들기 위한C++ 라이브러리 모음– Open Source CFD Toolbox

• 각종 ‘Standard Application’이 포함– CFD, Molecular dynamics, Electromagnetics, Solid dynamics,

Finance…

• Application은 ‘Solver’와 ‘Utility’로 구분– Solver는 연속체 역학 계산을 위한 프로그램– Utility는 데이터처리 등의 작업에 필요한 프로그램

OpenFOAM 구성

OpenFOAM Library

– FiniteVolume– Mesh– GenericPatchFields– DynamicMesh– FvMotionSolver– Parallel– postProcessing– OpenFOAM– …

– TurbulenceModels– TransportModels– ThermoPhysicalModels– lagrangian– CombustionModels– Engine– ODE– regionModels– …

• Solvers– Basic– Combustion– Compressible– Incompressible– HeatTransfer– Multiphase– DNS– …

OpenFOAM Applications

• Utilities– Mesh– ParallelProcessing– PostProcessing– PreProcessing– Surface– Thermophysical– Miscellaneous– …

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OpenFOAM 호환성

• 전처리 프로그램– OpenFOAM 포맷 지원

ü Harpoon, Gridgen, Pointwise, Engrid…

• 격자 파일 호환– StarCCM+, Fluent, Plot3D…

• 후처리 프로그램– FieldView, Ensight, Tecplot…

• MpCCI

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OpenFOAM 라이선스

• OpenFOAM은 등록된 trademark

• OpenFOAM의 라이선스는 GNU GPL– GNU : GNU is Not Unix– GPL : General Public License– Http://www.gnu.org/licenses/gpl.html

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OpenFOAM의 장점

• 사용자 및 CPU 수에 따른 라이선스 비용 부담 감소

• 하드웨어 인프라 대규모 확장 가능– 계산시간 감소, CFD 적용 분야 확대

• 전용 프로그램 제작– 계산 과정의 단순화– CFD에 대한 접근성 확장, 해의 정확성 보장

• 기능 추가 용이

• CFD personnel의 효율 극대화– Experts lead/guide development– Field engineers use codes/packages

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OpenFOAM의 단점

• OS의 제한(리눅스)– 계산용 클러스터 장비로 문제 해결– 윈도우용 제작 가능

• TUI 작업 환경– GUI 제작으로 극복 가능

• 어려운 사용 방법– 매뉴얼의 한계, 기술지원 조직의 부재

• 정보 및 기술 공유의 어려움– 저변 확대, 커뮤니티 형성, 국내 행사 마련

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국내 현황

• 교육– 넥스트폼 : 기본교육 및 고급교육

• 저자 초청 세미나– 2009년 Dr. Hrvoje Jasak 초청 세미나 (서울대 조선해양공학과)– 2011년 Dr. Hrvoje Jasak 초청 세미나, 150명 참석 (넥스트폼, 서

울대 조선해양공학과)

• 2012 전산유체공학회 춘계 학술대회– 오픈폼 세션

• 중소기업청 산학연 공동기술개발사업– 선박해석용 다상유동 시뮬레이션 프로그램 개발– 넥스트폼-서울대 조선해양공학과

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해외 적용 사례

• Audi, Volkswagen, Volvo…– External aerodynamics of car

• NIST (National Institute of Standard and Technology) / DOE– fireFoam / FDS

• NREL (National Renewable Energy Laboratory) / IEA (International Energy Agency)– LES wind turbine / wind farm analysis code

• DLR, NASA, US Navy

• Bombardier, ABB, Basf, Hitachi, Man, PBMR, Shell, Siemens, DNV, GL…

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주요 행사

• 국외– International OpenFOAM Workshop

ü 2006년부터 매년 개최ü 크로아티아, 이태리, 카나다, 스웨덴, 미국, 독일ü 8th Workshop : 2013년 6월 11 ~ 14, 제주, 한국

• Open Source CFD Conference– 매년 개최– 2012년 10월 29 ~ 30, 런던, 영국

• 국내– OKUCC (OpenFOAM Korea Users’Community Conference)

ü 2012년 대전 KISTI : 약 70명 참가ü 2013년 서울대학교 호암교수회관 : 약 70명 참가ü 2014년 부산 개최 예정

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SNUFOAM 소개

• SNUFOAM– OpenFOAM을 기반으로 함

– 조선 해양 유체분야에 특화되어 있는 맞춤형 코드ü 난류 유동ü 자유수면유동ü 캐비테이션유동ü 수치수조ü 부유체 6자유도 운동

– 여러 모듈들의 지속적인 개발 및 업그레이드

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SNUFOAM-벽함수

• 벽함수에 따른 난류 유동장의 차이점 분석– WF-1: 난류의 생성과 소멸이 같다는 가정으로부터 유도

ü OpenFOAM에서 제공하는 라이브러리

– WF-2: 난류의 생성과 소멸이 같다는 가정을 포함하지 않음ü OpenFOAM에서 제공하지 않는 라이브러리로 새로 개발하여 코드

에 삽입

Pwk y

kCG

kt m

2/14/1

=

2/14/1

/kCy

GP

wwk

mkrtt=

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SNUFOAM-벽함수

• KCS 선수부 주위의 난류 유동장 비교

p k epsilon

WF-1

WF-2

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SNUFOAM-벽함수

• 상용 코드인 Fluent와 비교– 상용 코드와 유사한 결과를 보임

p k epsilon

SNUFOAMwithWF-2

Fluent

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SNUFOAM-자유수면

• 자유수면 기법의 추가– 보통자유수면을처리하기위하여 VOF (volume of fluid) 기법을사용

– OpenFOAM에서는 compressive 기법의 일종인 interface compression만을 제공ü 스킴의 특성 상 비 물리적인 자유수면의 형상이 나타날 수 있음

– CICSAM이나 HRIC 등의 자유수면을 처리할 수 있는 기법이 필요

òòòòò WWWWÑ+WÑ-Ñ×=×+W

¶¶ dpddSundSuundut S

effS

askmrr )(

0=×+W¶¶

òòW S

dSundt

aa 10 ££a

C=0 C=0.5 C=1.0

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SNUFOAM-자유수면

• SNUFOAM의 고해상도 자유수면 포착 기법– Compressive Interface Capturing Scheme for Arbitrary Meshes

(CICSAM) - Ubbink (1997)

– High-Resolution Interface Capturing (HRIC) - Muzaferija and Peric (1999)

– Modified CICSAM (M-CICSAM) - Waclawczyk and Koronowicz (2008)

– Modified HRIC - Rhee (2009)

1γ0,α~)γ(1α~γα~ ffUQffHyperCff ££-+=þýü

îíì +

= 1,2

2cos1minγ f

fq

10,~)1(*~~ ££-+= fDfff gagaga

ïî

ïí

ì

££££

>>=

1α~0.5:10.5α~0:α~2

1α~,α~0:α~

*α~

D

DD

DDD

f

1/2ff cosθγ =

1γ0,α~)γ(1α~γα~ ffFROMMffCBCff ££-+= 1/4ff cosθγ =

10,~)1(*~~ ££-+= ffUQffff gagaga1/2

ff cosθγ =

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SNUFOAM-자유수면

• 댐붕괴 문제– 시간에 따라 물기둥이 붕괴하면서 자유수면의 형상이 변함– 실험과 잘 일치하고 있음

Shape of free-surface interfaceVertical displacement of free-surface interface (Top)

Horizontal displacement of free-surface interface (Bottom)

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SNUFOAM-자유수면

• 슬로싱 문제– 슬로싱으로 인한 바닥과 벽면에서의 시간에 따른 압력 변화를 실

험과 비교– 계산 결과가 실제 물리적 현상을 잘 표현하고 있음

Pressure at P1

Pressure at P2 Pressure at P3

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SNUFOAM-캐비테이션

• 함정이나 선박의 타 혹은 추진기에서 발생하는 캐비테이션유동– 일반적으로 물은 섭씨 100도 이상에서 끓기 시작하지만 압력이 증

기압보다 낮아질 때에도 발생– 함정이나 선박의 타 혹은 추진기에서 가장 많이 발생– 캐비테이션에 의한 방사 소음을 줄이기 위해서는 캐비테이션 해석

이 필수적

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SNUFOAM-캐비테이션

• 캐비테이션 모델– Two phase mixture model

sevapcond RRREtQ

++=×Ñ+¶¶ )(

Q E Rcond Revap Rs

Merkleet al. 0

Kunz et al. 0

Schnerrand Sauer 0

Singhalet al.

vf v mf vr

÷÷ø

öççè

æ÷øö

çèæ

--

¥¥ ULU

fPPC

chl

vvcond

2

21 r

( )

÷÷ø

öççè

æ÷øö

çèæ

--

¥¥ ULU

fPPC

chl

vvevap

2

21

1

r

va mvvra

( )

÷÷ø

öççè

æ-

-

¥UL

Cch

vvcond

21 aa ( )

÷÷ø

öççè

æ÷øö

çèæ

---

¥¥ ULU

PPMINCch

l

vvevap

2

21

1)0,(

r

a

vvra mvv vrra ( )l

vvv

m

lvcond

PPR

Cr

aarrr -

--3231 ( )

l

vvv

m

lvevap

PPR

Cr

aarrr -

-3231

mvf r mmv vf rrv

l

vll

chcond f

PPvC

rrr

g-

-32 ( )v

l

vlv

chevap f

PPvC -

-1

32

rrr

g÷÷ø

öççè

æÑ×Ñ v

v

t fsm

SNUFOAM-캐비테이션

• Sheet cavitation– Hemispherical headform body

SNUFOAM-캐비테이션

• Super cavitation– Wedge

SNUFOAM-캐비테이션

• Cloud cavitation– Delft twisted foil

time

SNUFOAM-캐비테이션

• 캐비테이션의 압축성 효과

SNUFOAM-캐비테이션

• 캐비테이션의 압축성 효과: sheet cavitation

SNUFOAM-캐비테이션

• Propeller cavitation and erosion– KP505 – J = 0.3

SNUFOAM-수치수조

• 파를 생성, 소멸시키기 위한 기법– 파랑 하중에 의한 선박이나 해양구조물의 영향을 알아보기 위하여

필요– 조파와 소파를 위하여 운동량 생성항 기법을 사용

– 생성된 파가 해석해와 잘 일치하고 있음을 확인

Wave profile (T: 15, 10, 5(s), H:2m) Wave profile (T: 15, 10(s)), H:4m)

òòòòòò WWWWW-+WÑ+WÑ-Ñ×=×+W

¶¶ duudpddSundSuundut IS

effS

)()( baskmrr

SNUFOAM-6DOF

• 선박이나 해양구조물의 6자유도 움직임을 위한 라이브러리– 격자 변형 기법 등을 사용하여 부유체의 운동을 해석할 수 있음

Pitch motion only Surge, heave and pitch motion

적용 사례 - KCS

• KCS의 기본 제원– 3,600 TEU container carrier

Designation Prototype Model

Scale ratio 1 1/31.6

Speed (m/s) 12.3467 2.1964

Froude number (Fr) 0.26 0.26

Reynolds number (Re) 2.4×109 1.4×107

Length (m) 230.0 7.2786

Breadth (m) 32.2 1.0190

Depth (m) 19.0 0.6013

Draft (m) 10.8 0.3418

Wetted surface area (m) 9,498.0 9.5121

Displacement (m) 52,030.0 1.6490

Block coefficient (CB) 0.6505 0.6505

KCS specification

적용 사례 - KCS

• 저항 및 자항 계산– Solver : SNUFOAM

KCS resistance test KCS self-propulsion test with KP505 propeller

적용 사례 - KCS

• 자유수면 분포 해석– 경계면 포착기법에 따른 선체 표면에서 자유수면의 분포를 비교

ü 선체 표면에서 자유수면의 높이가 실험과 비교적 잘 일치하고 있음

– Wave pattern 비교ü 상용 코드와 비교하여 유사한 결과를 보임

x/Lpp

z/Lpp

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

DataInterface CompressionSuperBeevanLeermodified HRICmodified CICSAM

Fluent (RKE)

SNUFOAM (RKE)

Wave patternHull wave profile

적용 사례 – DTMB 5415

• DTMB 5415 (DDG-51) 의 기본 제원– US Navy Combatant, DTMB 5415

– Sonar dome과 transom stern을 가짐– Twin open-water propeller를 가짐– Shaft는 struts에 의해 지지됨– Full scale 함정은 존재하지 않음 (DDG-51)

DTMB 5415 specification

Scale Ratio 24.832

Length (L) 5.72 m

Draft (T) 0.248 m

Wet Surface Area (S) 4.861 m2

Advance Velocity (U0) 2.09 m/s

Froude Number (Fn) 0.28

Reynolds Number (Re) 1.26 × 107

Sinkage at FP -0.0028L

Sinkage at AP -0.0009L

적용 사례 – DTMB 5415

• 선체 표면에서의 압력 분포– Sonar dome의 전면에서 정체압이 걸리는 것을 확인– Sonar dome의 측면에서는 sonar dome을 타고 흐르는 빠른 유동으

로 인하여 압력이 급격히 낮아짐

Pressure coefficient

적용 사례 – DTMB 5415

• 자유수면 형상의 비교– 상용코드인 FLUENT*와 비교– 함정 주위의 파형을 잘 나타내고 있음

* Zdravistch, F., Hydrodynamics Analysis of Ships Side by Side in Waves using AQWA and Resistance and Diffraction Simulation over a Ship Hull using ANSYS-CFD, The Society of Naval Architects & Marine Engineers, Report of Texas Section Technical Meeting, Houston, 2008.

Wave pattern

적용 사례 – 활주선

• 활주면 주위의 유동 해석과 양항력 비교– 활주선을 단순화 시킨 형상

– 양력, 항력, 모멘트를 실험 및 Savitsky’s formular와 비교

Lift Drag Moment

적용 사례 – 활주선

• 고속 활주선에 적용하여 계산– 활주선의 속도에 따라 자세가 달라짐

15knot

30knot

감사합니다