[무료기사] 입자와 함께 하는 유동해석, 앤시스 로키와 함께하는 SPH 소개부터 활용까지

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례

SPH는 라그랑지언(Lagrangian) 기법을 활용한 유동해석 방법으로, 자유표면이 있는 다상유동해석에 적합하다. 앤시스 2022 R2 버전의 첫 소개 이후 신규 버전이 나올 때마다 업그레이드되고 있는 앤시스 로키(Ansys Rocky)의 SPH 기능을 통해, 플루언트(Ansys Fluent)가 없어도 DEM-CFD 커플링 해석이 가능해졌다.

이번 호에서는 DEM-CFD 커플링(coupling) 해석에 대한 새로운 접근 방법을 통해 기존과의 차이점, SPH 소개 및 설정 방법, 활용 예를 알아보자.

■ 박성근
태성에스엔이 유동 1팀 수석매니저로 유동 및 입자해석에 대한 기술 지원을 담당하고 있다.
이메일 | sgpark@tsne.co.kr
홈페이지 | www.tsne.co.kr

“플루언트가 없는데… 로키로 DEM-CFD 커플링이 가능하다고요?”

아직 해당 방법을 모르는 분들께 종종 듣는 말이다.

SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)는 앤시스 로키 2022 R2 버전에서 정식으로 출시된 유동해석 방법으로, DEM-CFD 커플링 해석도 가능하다.

먼저 기존 DEM-CFD 커플링 방법은 크게 ▲LBM ▲1-Way Constant ▲1-Way Fluent Steady ▲1-Way Fluent Transient ▲2-Way Fluent ▲Semi-Resolved(2-Way Fluent)로 나누어진다. 여기에 로키에 새롭게 추가된 유동 해석 방법인 SPH로 플루언트 없이 DEM-CFD 커플링 해석이 가능하게 된 것이다.

SPH의 장점은 CPU와 GPU 모두 사용 가능하고 특히 멀티 GPU를 이용할 경우 매우 빠른 해석이 가능하다는 것이다. 또한 다상 해석의 경우 일반 CFD 대비 하나의 상만 해석을 하기 때문에 해석 시간을 크게 감소시킬 수 있다.

이번 호에서는 SPH에 대한 소개와 설정 방법, 그리고 활용 예에 대해 알아보고자 한다.

SPH란?

로키의 SPH는 LBM처럼 내장된 유동해석 방법으로, 비압축성 유동의 weakly compressible에 적합하여 mach number가 0.1보다 작을 때 유리하다. 일반적인 CFD와 달리, SPH는 라그랑지언 기법을 이용해 격자 생성이 필요 없는 해석으로 로키의 DEM 해석방법과 유사하다. 이때 SPH 요소는 유체의 물리적 특성을 갖기 때문에, 압력 및 점성력을 통해 이웃 요소와 상호 작용하는 작은 유체 조각으로 정의할 수 있으며, 불규칙한 간격을 가지는 노드 점의 유한 집합으로 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 해결하기 위한 보간점(interpolation point)으로 사용된다.

이러한 SPH는 자유표면이 있는 다상 유동 및 SPH-DEM 커플링 해석에 적합하기 때문에 slurry mill, sloshing, wave breaker 해석이 가능하며, 표면 장력을 고려할 경우 spray, washing machine 해석에 적용할 수 있다. <그림 1>은 slurry mill로 SPH-DEM 커플링 해석을 이용한 예이다.

그림 1. SPH-DEM 커플링 해석 예

이러한 커플링 해석의 경우 DEM 입자가 SPH 요소 크기보다 매우 커야 하며, <그림 2>와 같이 DEM 입자 내부에 SPH 요소를 배치하여 솔리드(solid)-플루이드(fluid)간 상호작용을 처리한다. 이때 내부 SPH 요소는 연관된 인공질량, 밀도 및 속도를 가지며, 입자 표면에서 미끄럼 방지조건을 충족할 수 있게 모델링되어 있다.

그림 2. DEM 입자 내 SPH 요소

그렇다면 SPH의 장점은 무엇일까? 앞서 말했듯 SPH는 CPU와 GPU 모두 사용 가능하며, 특히 멀티 GPU를 이용할 경우 매우 빠른 해석이 가능하다. 또한 다상해석의 경우 일반 CFD 대비 하나의 상만 해석을 하기 때문에 해석 시간을 크게 줄일 수 있다.

이 기능은 로키에 내장되어 있어 다양한 모션과 같이 사용할 수 있기 때문에, 플루언트보다 넓은 분야에 대한 유동 해석이 가능하다. 다만, 라그랑지언 기법을 이용하여 SPH 요소의 위치를 각 시간별로 저장하기 때문에 HDD의 용량이 많이 필요하다는 주의점이 있다.

SPH 설정 방법

이제 SPH 해석을 위한 물성치 및 입/출구 조건, 설정방법에 대해 알아보자.

SPH Fluid Materials

SPH는 하나의 유체 물성만 설정하여 사용할 수 있다. 예를 들어 물과 공기 두 개의 상이 존재할 때 SPH는 물의 거동만 해석하고, 나머지 영역은 공기로 가정한다. <그림 3>과 같이 기본값은 water의 물성치로 설정되어 있으며, 열전달 모델을 활성화할 때 열전도도와 비열을 설정할 수 있다. Sound Speed는 일반적인 유체에서의 Sound Speed를 의미하는 것은 아니며, 해석 영역 내 최대 속도보다 10배 이상의 값을 사용하는 것을 권장한다. Sound Speed는 Time Step Size의 결정에 영향을 미친다.

그림 3. Material 내 Default Fluid 설정