Particleworks에서 기체를 고려하는 방법

입자법(MPS)에서의 기체 유동해석 한계

• 제약조건1
  • 공간상의 기체(공기)를 입자로 가정하고 아래와 같이 모델링을 하면 입자는 중력에 의해 영향을 받고 빈 공간이 발생함.
    중력을 고려하지 않으면 빈 공간이 생기지 않지만 유체(물)입자에도 중력이 고려되지 않음.
  • 자유표면 입자의 압력은 대기압과 같다고 가정함.
    (자유표면의 입자 압력=0) 이로 인해 대기압보다 낮은 압력은 모두 0으로 처리되어 기체 입자를 표현하는 데 어려움이 발생함.
• 제약조건2
  • 풍동 시험의 경우 해석 대상에 비하여 해석영역(도메인)이 매우 넓은 경우, 이 영역을 기체입자로 채우기 위해서는 무수히 많은 입자가 필요하고 계산량도 급격히 증가함.

 

입자법(MPS)에서의 기체를 고려하는 방법

• 해결 방법
  • 기체를 입자로 표현하기 어려운 한계로 인하여 기체에 대해서는 격자법을 적용하고, 유체는 입자를 적용 활용.

• Particleworks에서 기체를 고려하는 방법
  • FVM: 개별 격자에 압력과 속도값을 가지며 격자로 유입/유출되는 mass, velocity, pressure flux를 계산하여 유체의 운동 해석.
  • LBM: 유체의 이동을 가상 입자가 출동-완화하는 것으로 모사.
  • Airflow: 각 노드에 기체 해석결과(속도)를 반영하여 유체입자에 항력으로 작용.

• FVM/LBM/Airflow 차이점
  • FVM과 LBM은 기체-유체 간의 상호작용에 대한 양방향 연성해석과 단방향 해석이 가능함.
  • Airflow는 기존에 기체 해석결과에서 속도벡터만 고려하여 입자의 지배방정식에 항력만 추가함.

 

 

 

 

입자법(MPS)에서의 기체를 고려한 해석 사례

• 페트병 물 빠짐 해석
  • 페트병 내부의 물(MPS)이 빠질 때 기체(FVM)의 유동에 영향을 받은 현상 모사
  • 페트병 내부에 더 많은 기체가 들어가도록 페트병을 회전 시킬 때와 회전하지 않을 때의 비교해석

 

 

 

• 연료 탱크의 급유 중 유출 분석
  • 연료 탱크로 오일(MPS) 주입 시 에어브리더(Air-breather)관으로 내부 공기(FMV)가 흐름.
  • 연료 주입량이 증가하면 공기가 제거되지 않아 급유 중 오일 유출됨.