Ansys Fluent(CFD)와 Rocky DEM 간 커플링은 Ansys 도구에서 사용 가능한 유체 입자 시스템을 해석하기 위한 포괄적인 기능 세트 중 하나의 추가 옵션으로 등장하여 모델링 가능한 입자성 유체 시스템의 범위를 확장합니다.
이 포스팅에서는 Ansys Fluent – Rocky DEM 커플링 솔루션이 어떻게 작동하고 어떤 조건에서 사용하는 것이 가장 바람직한지 알아보겠습니다. 글 말미에서 Ansys Fluent – Rocky DEM 커플링 솔루션이 기여한 몇 가지 산업 사례도 확인해볼 수 있습니다.
Ansys Fluent – Rocky DEM 커플링 작동 방법
현재 Fluent와 Rocky DEM 솔루션을 결합하는 방법에는 단방향(one-way) 및 양방향(two-way) 접근의 두 가지 모드가 존재합니다.
단방향 접근법
유동장은 입자 흐름에 영향을 주지만 반대로 입자 흐름은 유동장에 영향을 미치지 않습니다. 이 방법은 희석 흐름을 시뮬레이션 하는데 특히 유용합니다.
양방향 접근법
Ansys Fluent에서 계산된 유동이 Rocky DEM의 입자 흐름에 영향을 미치고 Rocky로 계산된 입자 역시 Ansys Fluent의 유동을 변화시킵니다.
Rocky – Fluent 커플링의 두 가지 접근 방식에서 모든 입자는 DEM 솔버에 의해 Lagrangian 방식으로 추적되어 입자의 에너지 균형과 함께 병진 및 회전 운동을 제어하는 방정식을 Explicit으로 해결합니다. 이 방정식은 유체의 상에 기인한 입자에 작용하는 힘과 토크를 고려합니다.
양방향 커플링에서, Ansys Fluent에서 계산된 압력 및 유속이 주어지면, Rocky DEM은 입자의 용적 비율과 입자와 유체 사이에서 교환되는 운동량 및 에너지를 계산합니다. 이렇게 계산된 항은 CFD 솔버로 전송되고, 이 정보를 바탕으로 유동의 지배방정식을 풀어서 압력 및 유속을 업데이트합니다. 이 양방향 정보 교환은 전체 입자 유체 모델이 드러날 때까지 각각의 새로운 타임 스텝에 대해 지속됩니다.
Ansys Fluent – Rocky DEM 커플링 적용 시점
Fluent – Rocky DEM 연성 해석 접근법의 주요 이점은 입자-입자 및 입자-경계 상호 작용을 풀어서 입자에 작용하는 모든 힘을 DEM 쪽에서 계산하므로, 고유한 비구형 형상을 갖는 입자에 대해 정확한 해석이 가능하다는 점입니다.
Rocky의 정확한 형상 표현 (사용자 정의 볼록/오목 형상, 유연한 섬유 및 껍질 입자 포함)은 입자에 대한 유체력을 계산하기 위한 여러 법칙과 결합되어 모델의 정확도를 높입니다. 마찬가지로 Rocky DEM에서 사용 가능한 접착 모델 중 하나를 사용하여 접착/점착(adhesion/cohesion) 재료를 모델링할 수 있습니다.
또한 각 개별 입자가 DEM 솔버에 의해 추적되므로 도메인 내부 모든 입자에 대하여 속도, 온도 및 접촉 데이터 포함한 전체 이력을 사용할 수 있습니다. Rocky에서 가용한 광범위한 후처리 도구를 결합하여 연성 해석 시뮬레이션에서 추출할 수 있는 정보 수준을 확립하여 문제에 대한 더 나은 통찰력을 제공합니다.
또한 다수의 DEM 솔버용 그래픽카드 결합하는 Rocky의 Multi-GPU 기능과 CFD 방정식을 풀기 위한 Ansys Fluent 분산 병렬 옵션을 조합하면 방대한 수의 입자를 가진 시뮬레이션도 현실화됩니다.
마지막으로, Rocky의 접착/점착 모델링, 세부적인 입자 충돌 통계, 에너지 스펙트럼 분석 및 파손 모델링과 같은 기능과 Fluent – Rocky 커플링 해법을 동시에 사용할 수 있으므로 수치적으로 모델링 가능한 적용 범위를 확장하고 한 차원 높은 수준의 해석으로 확장해줍니다.
Ansys Fluent – Rocky DEM 커플링 시뮬레이션 예시
유동화된 베드에 떠있는 링
이 코팅 장비에서 작은 구형 입자는 바닥에서 흐르는 공기로 인해 유동화 되고 어떤 “링” 모양 입자가 링 표면에 충돌하는 작은 입자들로 인해 부유 상태로 유지됩니다. 입자들은 초기 위치에 따라 Rocky에서 색상이 부여됩니다. 이 시뮬레이션은 링이 떠있지 않고 가스 유입구 근처에 떨어져 가스의 흐름을 막아 베드가 파손되는 시나리오의 예측에 도움을 줍니다.
사이클론 진공 청소기 내 머리카락
Bissell이 수행한 본 시뮬레이션에서는 Rocky의 유연한 섬유 형태 입자와 Fluent와의 단방향 커플링을 사용하여 많은 양의 머리카락을 모델링하고 모발 섬유에 작용하는 유체의 효과를 확인하기 위해 길고 가는 입자에 적합한 드래그 모델을 채택하였습니다. 머리카락 모델링용 도구로 Fluent – Rocky 커플링을 사용하여 초기 컨셉트 장치의 사전 시험, 실험실 테스트용 시제품 제작 수량 절감, 개발 시간 및 비용 최소화를 달성할 수 있었습니다.
의약품용 정제 코팅 장비
본 연구에서 Rocky DEM을 Ansys Fluent와 완벽히 연동하여 정제 코팅기의 건조 과정을 분석했습니다. 사용자 정의 입자는 대류 및 전도성 열 전달을 모두 고려하여 장비 내 고온의 공기 흐름을 통한 정제 가열을 정확하게 예측하는 데 사용됩니다. 코팅액이 주입되고 고온의 기류로부터 전달된 대류열을 통해 건조되도록 하였다. 이 과정에서 코팅액에 존재하는 용질을 정제에 혼입한 후 최종 입자의 질량 변동을 측정하여 코팅이 균일하게 도포되는지 조사하였습니다.
인간의 기도 내 미립자
Rocky DEM과 Ansys Fluent 사이의 커플링 프레임워크는 구형 입자 또는 다중 요소의 유연 섬유와 같은 다양한 모양을 가진 인간 기도 내에 점착성 약용 분말의 이동 및 침적을 정확하게 예측합니다[1]. 이러한 다중물리 모델링이 인간 기도 내 미립자 이동에 대한 이해를 높이는 데 어떻게 도움을 주는지에 대한 상세 내용은 이 포스팅에서 찾을 수 있습니다.
탑승형 잔디 깎기 기계
Rocky DEM에서 제공하는 유연한 섬유는 사람이 탑승하는 잔디 깎는 기계에 대한 시뮬레이션에서 잔디를 모델링하는 데에도 사용됩니다. Fluent와 Rocky 사이의 단방향 커플링은 회전하는 블레이드 근처의 잔디 입자에 작용하는 유체력 분석을 위해 채택되었습니다. 파손 모델을 통해 엔지니어는 잔디가 깎여 나가는 것을 모델링 할 수 있습니다.
사탕수수 찌꺼기 공압 분리
캄피나스 대학 (University of Campinas)의 연구원들이 수행한 이 시뮬레이션[2]은 사탕수수 찌꺼기의 공압 분리 공정에 대한 이해를 높이는 강력한 도구로서 CFD-DEM 단방향 커플링 기술을 보여줍니다. 다양한 작동 조건을 평가하기 위해 서로 다른 모양을 가진 찌꺼기 입자가 사용되며 공기 유량이 변화됩니다. Ganser 항력 법칙의 사용은 입자의 형태와 유동과의 정렬을 고려하여 분리 공정 효율의 올바른 예측을 가능하게 합니다.
[1] Haghnegahdar, A., Bharadwaj, R., Feng, Y., Sarkar, S., Targeted Pulmonary Drug Delivery in COPD Patients, AIChE 2019 Annual Meeting – November 10-15, 2019 – Orlando, USA.
[2] Almeida, E., Spogis, N. and Silva, M.A., Computational Study of the Pneumatic Separation of Sugarcane Bagasse, 6th International Conference on Engineering for Waste and Biomass Valorisation – May 23-26, 2016 – Albi, France.
출처 : Ansys Fluent(CFD) and Rocky DEM coupling for modeling fluid particulate systems
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