Paradigm Change in CFD Led by Open-Source Codes 이신형교수서울대학교공과대학조선해양공학과 CAE Conference 년 11 월 15 일 ( 금 ) COEX

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1 Paradigm Change in CFD Led by Open-Source Codes 이신형교수서울대학교공과대학조선해양공학과 CAE Conference 년 11 월 15 일 ( 금 ) COEX

2 CFD 패러다임의변화 In-house codes - Unstructured mesh - Pre/post integration - CAD import - GUI - General purpose soler Commercial codes - Community deelopment - OOP - Customization capability CFD for open innoation - Huge computing resources requirements - License fees - Monopoly - Difficulty in customization/integration Open-source codes 2

3 OpenFOAM 이란? OpenFOAM? Open Field Operation And Manipulation Open Source CFD toolbox 1990 년대초영국의 Imperial College 에서개발시작 주저자 Dr. Hroje Jasak : Wikki Ltd. Dr. Henry Weller : OpenCFD Ltd 년말 OpenCFD Ltd. 에서 1.0 이공개 S/W 로발표 3

4 OpenFOAM 특징 GNU GPL 을적용한 open source software 어플리케이션 (Application) 이라고칭하는실행파일을만들기위한 C++ 라이브러리들의모음 라이브러리들은해석하고자하는편미분방정식과최대한유사하게만들어져있음 소스와함께미리컴파일된다양한어플리케이션이함께제공됨 4

5 OpenFOAM 구성 OpenFOAM 은 Application 이라는실행파일을만들기위한 C++ 라이브러리모음 Open Source CFD Toolbox 각종 Standard Application 이포함 CFD, Molecular dynamics, Electromagnetics, Solid dynamics, Finance Application 은 Soler 와 Utility 로구분 Soler 는연속체역학계산을위한프로그램 Utility 는데이터처리등의작업에필요한프로그램

6 OpenFOAM Library FiniteVolume Mesh GenericPatchFields DynamicMesh FMotionSoler Parallel postprocessing OpenFOAM TurbulenceModels TransportModels ThermoPhysicalModels lagrangian CombustionModels Engine ODE regionmodels

7 OpenFOAM Applications Solers Basic Combustion Compressible Incompressible HeatTransfer Multiphase DNS Utilities Mesh ParallelProcessing PostProcessing PreProcessing Surface Thermophysical Miscellaneous

8 OpenFOAM 호환성 전처리프로그램 OpenFOAM 포맷지원 ü Harpoon, Gridgen, Pointwise, Engrid 격자파일호환 StarCCM+, Fluent, Plot3D 후처리프로그램 FieldView, Ensight, Tecplot MpCCI 8

9 OpenFOAM 라이선스 OpenFOAM 은등록된 trademark OpenFOAM 의라이선스는 GNU GPL GNU : GNU is Not Unix GPL : General Public License 9

10 OpenFOAM 의장점 사용자및 CPU 수에따른라이선스비용부담감소 하드웨어인프라대규모확장가능 계산시간감소, CFD 적용분야확대 전용프로그램제작 계산과정의단순화 CFD에대한접근성확장, 해의정확성보장 기능추가용이 CFD personnel 의효율극대화 10 Experts lead/guide deelopment Field engineers use codes/packages

11 OpenFOAM 의단점 OS 의제한 ( 리눅스 ) 계산용클러스터장비로문제해결 윈도우용제작가능 TUI 작업환경 GUI 제작으로극복가능 어려운사용방법 매뉴얼의한계, 기술지원조직의부재 정보및기술공유의어려움 저변확대, 커뮤니티형성, 국내행사마련 11

12 국내현황 교육 넥스트폼 : 기본교육및고급교육 저자초청세미나 2009 년 Dr. Hroje Jasak 초청세미나 ( 서울대조선해양공학과 ) 2011 년 Dr. Hroje Jasak 초청세미나, 150 명참석 ( 넥스트폼, 서울대조선해양공학과 ) 2012 전산유체공학회춘계학술대회 오픈폼세션 중소기업청산학연공동기술개발사업 12 선박해석용다상유동시뮬레이션프로그램개발 넥스트폼-서울대조선해양공학과

13 Audi, Volkswagen, Volo 해외적용사례 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 Nay Bombardier, ABB, Basf, Hitachi, Man, PBMR, Shell, Siemens, DNV, GL 13

14 주요행사 국외 International OpenFOAM Workshop ü 2006년부터매년개최 ü 크로아티아, 이태리, 카나다, 스웨덴, 미국, 독일 ü 8th Workshop : 2013년 6월 11 ~ 14, 제주, 한국 Open Source CFD Conference 매년개최 2012년 10월 29 ~ 30, 런던, 영국 국내 14 OKUCC (OpenFOAM Korea Users Community Conference) ü 2012년대전 KISTI : 약 70명참가 ü 2013년서울대학교호암교수회관 : 약 70명참가 ü 2014년부산개최예정

15 SNUFOAM 소개 SNUFOAM OpenFOAM 을기반으로함 조선해양유체분야에특화되어있는맞춤형코드 ü 난류유동 ü 자유수면유동 ü 캐비테이션유동 ü 수치수조 ü 부유체 6자유도운동 여러모듈들의지속적인개발및업그레이드 15

16 SNUFOAM-벽함수 벽함수에따른난류유동장의차이점분석 WF-1: 난류의생성과소멸이같다는가정으로부터유도 ü OpenFOAM 에서제공하는라이브러리 G k = t w C 1/ 4 m k ky P 1/ 2 WF-2: 난류의생성과소멸이같다는가정을포함하지않음 ü OpenFOAM 에서제공하지않는라이브러리로새로개발하여코드에삽입 G k =t w t / r ky C k w 1/ 4 P m 1/ 2 16

17 SNUFOAM- 벽함수 KCS 선수부주위의난류유동장비교 p k epsilon WF-1 WF-2 17

18 SNUFOAM- 벽함수 상용코드인 Fluent 와비교 상용코드와유사한결과를보임 p k epsilon SNUFOAM with WF-2 Fluent 18

19 자유수면기법의추가 SNUFOAM- 자유수면 보통자유수면을처리하기위하여 VOF (olume of fluid) 기법을사용 t t ò W ò W ò r udw + n ruuds = n ( m Ñu) ds - ò S ò OpenFOAM 에서는 compressie 기법의일종인 interface compression 만을제공 S ü 스킴의특성상비물리적인자유수면의형상이나타날수있음 eff ò W ÑpdW + adw + a n uds = 0 0 a 1 S ò skñadw W 19 C=0 C=0.5 C=1.0 CICSAM 이나 HRIC 등의자유수면을처리할수있는기법이필요

20 SNUFOAM- 자유수면 SNUFOAM 의고해상도자유수면포착기법 Compressie Interface Capturing Scheme for Arbitrary Meshes (CICSAM) - Ubbink (1997) ~ α ~ ~ f = γf αfhyperc + (1- γf ) αfuq, 0 γf 1 ì 1+ cos 2q f ü = miní, 1ý î 2 þ High-Resolution Interface Capturing (HRIC) - Muzaferija and Peric (1999) ~ a ~ α f f = g ~ * (1 ) ~ f a + - g f a D, 0 g f ì ~ αd ï * = ~ í2α ï î1 D : 0 > ~ α ~ D, αd > 1 : 0 ~ αd 0.5 : 0.5 ~ α 1 D 1 γ f γ f = cosθ f 1/2 20 Modified CICSAM (M-CICSAM) - Waclawczyk and Koronowicz (2008) ~ α = γ ~ ~ f αfcbc + (1- γf ) αffromm, 0 γf 1 1/4 γ f = cosθ f f Modified HRIC - Rhee (2009) ~ a f = g ~ * (1 ) ~ f a f + - g f a fuq, 0 g f 1 γ f = cosθ f 1/2

21 SNUFOAM- 자유수면 댐붕괴문제 시간에따라물기둥이붕괴하면서자유수면의형상이변함 실험과잘일치하고있음 21 Shape of free-surface interface Vertical displacement of free-surface interface (Top) Horizontal displacement of free-surface interface (Bottom)

22 SNUFOAM- 자유수면 슬로싱문제 슬로싱으로인한바닥과벽면에서의시간에따른압력변화를실험과비교 계산결과가실제물리적현상을잘표현하고있음 Pressure at P1 22 Pressure at P2 Pressure at P3

23 SNUFOAM- 캐비테이션 함정이나선박의타혹은추진기에서발생하는캐비테이션유동 일반적으로물은섭씨 100 도이상에서끓기시작하지만압력이증기압보다낮아질때에도발생 함정이나선박의타혹은추진기에서가장많이발생 캐비테이션에의한방사소음을줄이기위해서는캐비테이션해석이필수적 23

24 24 SNUFOAM- 캐비테이션 캐비테이션모델 Two phase mixture model s eap cond R R R E t Q + + = + Ñ ) ( Q E R cond R eap R s Merkle et al. 0 Kunz et al. 0 Schnerr and Sauer 0 Singhal et al. f m f r ø ö ç ç è æ ø ö ç è æ - - U L U f P P C ch l cond r ( ) ø ö ç ç è æ ø ö ç è æ - - U L U f P P C ch l eap r a m a r ( ) ø ö ç ç è æ - - U L C ch cond 2 1 a a ( ) ø ö ç ç è æ ø ö ç è æ U L U P P MIN C ch l eap ,0) ( r a r a m r r a ( ) l m l cond P P R C r a a r r r ( ) l m l eap P P R C r a a r r r m f r m m f r r l l l ch cond f P P C r r r g ( ) l l ch eap f P P C r r r g ø ö ç ç è æ Ñ Ñ t f s m

25 SNUFOAM- 캐비테이션 Sheet caitation Hemispherical headform body

26 SNUFOAM- 캐비테이션 Super caitation Wedge

27 SNUFOAM- 캐비테이션 Cloud caitation Delft twisted foil time

28 캐비테이션의압축성효과 SNUFOAM- 캐비테이션

29 SNUFOAM- 캐비테이션 캐비테이션의압축성효과 : sheet caitation

30 SNUFOAM- 캐비테이션 Propeller caitation and erosion KP505 J = 0.3

31 SNUFOAM- 수치수조 파를생성, 소멸시키기위한기법 파랑하중에의한선박이나해양구조물의영향을알아보기위하여필요 조파와소파를위하여운동량생성항기법을사용 t ò W rudw + ò S n ruuds = ò S 생성된파가해석해와잘일치하고있음을확인 ò n ( m Ñu) ds - ÑpdW + skñadw + b ( u - u eff W ò W ò W I ) dw Wae profile (T: 15, 10, 5(s), H:2m) Wae profile (T: 15, 10(s)), H:4m)

32 SNUFOAM-6DOF 선박이나해양구조물의 6 자유도움직임을위한라이브러리 격자변형기법등을사용하여부유체의운동을해석할수있음 Pitch motion only Surge, heae and pitch motion

적용사례 - KCS KCS 의기본제원 3,600 TEU container carrier KCS specification 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.

33 적용사례 - KCS KCS 의기본제원 3,600 TEU container carrier KCS specification Designation Prototype Model Scale ratio 1 1/31.6 Speed (m/s) Froude number (Fr) Reynolds number (Re) Length (m) Breadth (m) Depth (m) Draft (m) Wetted surface area (m) 9, Displacement (m) 52, Block coefficient (C B )

34 적용사례 - KCS 저항및자항계산 Soler : SNUFOAM KCS resistance test KCS self-propulsion test with KP505 propeller

적용사례 - KCS 자유수면분포해석 경계면포착기법에따른선체표면에서자유수면의분포를비교 ü 선체표면에서자유수면의높이가실험과비교적잘일치하고있음 Wae pattern 비교 ü 상용코드와비교하여유사한결과를보임 0.02 0.

35 적용사례 - KCS 자유수면분포해석 경계면포착기법에따른선체표면에서자유수면의분포를비교 ü 선체표면에서자유수면의높이가실험과비교적잘일치하고있음 Wae pattern 비교 ü 상용코드와비교하여유사한결과를보임 Data Interface Compression SuperBee anleer modified HRIC modified CICSAM Fluent (RKE) z/lpp x/lpp SNUFOAM (RKE) Hull wae profile Wae pattern

36 적용사례 DTMB 5415 DTMB 5415 (DDG-51) 의기본제원 US Nay Combatant, DTMB 5415 DTMB 5415 specification Scale Ratio Length (L) Draft (T) 5.72 m m Wet Surface Area (S) m 2 Adance Velocity (U 0 ) 2.09 m/s Froude Number (Fn) 0.28 Reynolds Number (Re) Sonar dome과 transom stern을가짐 Twin open-water propeller를가짐 Shaft는 struts에의해지지됨 Full scale 함정은존재하지않음 (DDG-51) Sinkage at FP Sinkage at AP L L

37 적용사례 DTMB 5415 선체표면에서의압력분포 Sonar dome 의전면에서정체압이걸리는것을확인 Sonar dome 의측면에서는 sonar dome 을타고흐르는빠른유동으로인하여압력이급격히낮아짐 Pressure coefficient

$, Hydrodynamics Analysis of Ships Side by Side in Waes using AQWA and Resistance and Diffraction Simulation oer a Ship Hull using ANSYS-CFD, The Society of Naal$

38 적용사례 DTMB 5415 자유수면형상의비교 상용코드인 FLUENT* 와비교 함정주위의파형을잘나타내고있음 * Zdraistch, F., Hydrodynamics Analysis of Ships Side by Side in Waes using AQWA and Resistance and Diffraction Simulation oer a Ship Hull using ANSYS-CFD, The Society of Naal Architects & Marine Engineers, Report of Texas Section Technical Meeting, Houston, Wae pattern

39 적용사례 활주선 활주면주위의유동해석과양항력비교 활주선을단순화시킨형상 양력, 항력, 모멘트를실험및 Saitsky s formular 와비교 Lift Drag Moment

40 적용사례 활주선 고속활주선에적용하여계산 활주선의속도에따라자세가달라짐 15knot 30knot

41 감사합니다

82 제 1 발표장 (2 일금 ) CFD 응용 [V] 이남훈 1*, 류태광 2 NUMERICAL VERIFICATION OF SHAKE TABLE TEST FOR THE LIQUID STORAGE TANK N. Lee and T. Yoo 1.,.,,,.,. Baek e

82 제 1 발표장 (2 일금 ) CFD 응용 [V] 이남훈 1*, 류태광 2 NUMERICAL VERIFICATION OF SHAKE TABLE TEST FOR THE LIQUID STORAGE TANK N. Lee and T. Yoo 1.,.,,,.,. Baek e 82 제 1 발표장 (2 일금 ) 이남훈 1*, 류태광 2 NUMERICAL VERIFICATION OF SHAKE TABLE TEST FOR THE LIQUID STORAGE TANK N. Lee and T. Yoo 1.,.,,,.,. Baek et al.[1]. CFD FLUENT LS-DYNA. 2. 2.1 CFD FLUENT, LS-DYNA. FLUENT,