FLOW-3D 소개 및 특징

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.

■ 문정은 | 에스티아이코리아에서 개발지원실 실장을 맡고 있다.
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1985년 처음 출시된 FLOW-3D는 이상유동 해석기법인 VOF(Volume Of Fluid) 방법을 창시한 허트(C.W. Hirt) 박사에 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 사용자의 요구에 응답하여 사용하기 쉽고, 더 빠르고 정확하게, 더 다양한 유동현상을 해석할 수 있도록 발전해 왔다. <그림 1>은 FLOW-3D를 실행시킨 모습이다.

그림 1. FLOW-3D의 GUI  

FLOW-3D를 사용하여 다양한 물리현상들을 해석할 수 있다.

■ 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

1. FLOW-3D의 이상유동 해석 방법

 
그림 2. FLOW-3D로 댐의 방류 현상 모사  

<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 예측하는 것이 중요하다. 이러한 기체와 액체 두 개의 상을 가진 유체 유동을 '이상유동(Two Phase Flow)'이라고 하며, 이를 해석하기 위해서는 액체 영역과 기체 영역을 구별할 수 있는 정확한 방법이 필요하다.
이러한 방법은 고정 격자계를 이용한 방법과 이동 격자계를 이용한 방법으로 크게 나눌 수 있다. 이동 격자계를 이용하여 구별하는 방법은 액체와 기체 경계면에 격자면를 일치시켜 액체와 기체 경계의 이동에 따라 격자를 움직이는 방법이다. 격자에 의해 영역이 구별되므로 경계의 위치를 찾아내는 특별한 알고리즘이 필요하지 않으며, 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.