레벨셋 기법에서의 질량보존성을 개선하기 위한 비정렬 격자 기반의 유한요소 레벨셋 기법의 개발

딘쾅응옥 서울과학기술대학교 2022 국내석사

ABSTRACT Development of level set finite element methods to improve mass conservation on unstructured grids Dinh Quang Ngoc Supervisor Choi, Hyoung Gwon Department of Mechanical Engineering The Graduate School of Seoul National University of Science and Technology In this thesis, we develop two algorithms to improve the mass conservation of the level set method for unstructured grids; a high order reinitialization method and a particle level set method coupled with a direct redistance approach. In the first part, we extend and improve the existing high order technique for the reinitialization of level set function implemented on structured grids to unstructured ones. The method employs high-order polynomials to approximate the piecewise segment of interface on cut elements which are crossed by an interface. Then the signed distance function from a grid point to the approximated interface can be computed by using an optimization technique. We improve the accuracy of the existing method by proposing a local correction procedure to the level set function on the local stencil used to compute the high-order approximation of the interface. We conduct several static test cases to assess the accuracy and convergence of the method. Results show that the method is of high-order accurate for estimating signed distance function and geometric quantities such as normal and curvature field in the level set method. The proposed method can also provide accurate estimation of normal and curvature in singular region without any extra treatment for kinks. The dynamic test case of two droplet collision under shear flow further confirm that the proposed method can be applied to accurately simulate time-dependent problem involving topological changes. In the second part, we develop two algorithms of particle level set method for unstructured grids in two and three dimensions. The first algorithm employs an optimized interface correction procedure for the particle level set method, and the second algorithm employs the one-layer particle level set method. In both algorithms, the level set method is embeded to capture the interface smoothly while the Lagrangian particles are used to reconstruct the level set function in under-resolved regions, resulting in an accurate and robust coupling algorithm to capture the evolution of the moving interface. Several classical benchmarks were simulated to investigate and to assess the performance of both algorithms on unstructured grids. Results show that both algorithm can be used to accurately simulate the problems involving moving interfaces with excelent mass conservation. 초록 레벨셋 기법에서의 질량보존성을 개선하기 위한 비정렬 격자 기반의 유한요소 레벨셋 기법의 개발 딘쾅응옥 (지도교수 최형권) 기계공학과 일반대학원 서울과학기술대학교 본 논문에서는 비정렬격자계 기반의 레벨셋 방법애서의 질량보존문제를 개선하기 위한 두 가지 기법들(고차정확도 재초기화 기법, 입자레벨셋 기법)에 대한 연구를 수행한다. 첫번째 방법에서는, 기존의 정렬격자계에서 개발된 고차정확도의 재초기화 기법을 비정렬 격자계로 확장한다. 이 방법은 두 가지 상을 구분하는 계면을 고차의 다항식으로 표현한 후에, 임의의 절점에서 고차의 다항식으로 표현된 계면까지의 거리를 근사하는 방법으로 구현한다. 또한, 특이점을 포함하는 계면에 대하여 국소수정방법(local correction method)을 이용하여 정확도를 향상시켰다. 제안된 방법이 몇 가지 표준 예제들의 해석을 통하여 질량보존문제를 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한, 특이점을 포함하는 계면의 법선 벡터와 곡률을 정확하게 추정하는 것을 확인하여, 전단 유동 하에 놓인 두 개의 액적이 병합되는 문제를 성공적으로 해석하였다. 두번째 방법에서는, 2차원/3차원 비정렬격자계를 위한 입자레벨셋 기법을 위한 두 가지 알고리즘(계면수정 최적화 기법, one-layer 입자레벨셋 기법)을 제안한다. 이 방법들은 더 정확한 계면의 정의가 필요한 지역에 입자들의 Lagrangian 해석을 적용하여 기존 레벨셋 기법의 정확도를 향상시킨다. 제안된 기법을 몇 가지 표준 예제들의 해석을 통하여 검증하여, 질량보존이 기존의 레벨셋 기법에 비해서 획기적으로 개선됨을 확인하였다.

다공성 매질을 이용한 3차원 방풍 펜스의 풍속 저감에 관한 수치해석적 연구

박서원 서울과학기술대학교 2021 국내박사

본 연구에서는 다공성 매질을 가지는 수직 방풍펜스의 풍속 저감에 관하여 수치해석적으로 분석하였다. 수치해석은 2차원 해석 및 3차원 해석영역에 대하여 수행하였다. 해석은 비정렬 격자계를 사용하였으며, 난류유동장 해석에는 realizable k-e난류모델을 사용하였다. 여러 다공률을 갖는 3가지 높이의 방풍펜스에 대해 풍속 저감 효과를 분석하고, Darcy의 법칙을 적용한 다공성 모델의 방풍펜스와 기공의 형상을 직접 모델링한 방풍펜스가 각각 풍속 저감에 미치는 효과를 분석하였다. 다공성 모델을 적용한 방풍펜스는 2차원 및 3차원 수치해석에서 펜스 높이의 1/2지점을 따라 흐르는 주유동 방향의 속도는 다공률이 약 40% 일 때 최저가 된다. 이를 임계다공률로 정의하며, 임계다공률에서 주 유동방향의 속도는 입구속도보다 약 6배정도 작다는 것을 확인하였다. 또한 풍속감소영역의 크기는 펜스 높이의 약 20배임을 확인하였다. 다공성 모델의 방풍펜스와 기공의 형상을 직접 모델링한 방풍펜스의 해석결과는 기공을 직접 모델링한 낮은 다공률(20%이하)의 방풍펜스를 제외하고 2차원 및 3차원 수치해석에서 모두 유사한 결과가 나타났다. 이는 다공성 모델에서는 기공의 크기가 고려되지 않았기 때문인 것으로 보여진다. In this study, the effect of a vertical porous fence on wind-speed reduction was numerically investigated. The numerical simulations were conducted for both two- and three-dimensional equations of turbulent flows. Unstructured grids were employed to solve flow fields by using the realizable k-e model for three fence heights of several porosities. Both a porosity model based on the Darcy's law and a direct modeling of a hole shape of fence were considered to numerically investigate the effect of the porosity of a vertical fence on the wind-speed reduction. For both 2D/3D simulations based on the porosity model, it was found that the streamwise wind-speed behind along the half height of the fence was about six times smaller than that of inlet velocity at the critical value of porosity. which is around 40% for the three fence heights considered. The domain size of wind-speed reduction was found to be approximately twenty times as large as the fence height for the critical value of porosity regardless of the fence height. It was also found that the results based on the porosity model were comparable to those by direct modeling of a hole shape for both 2D/3D simulations of all the cases considered in this study except the lowest porosity case (20%) of 3D fence. The disparity in this case might come from the fact that the effect of the hole size are not taken into account in the porosity model.

Re-ordering/coloring이 타원형 방정식을 위한 반복 해법의 Open-MP 성능에 미치는 영향에 대한 연구

누옌 콩 헨 서울과학기술대학교 대학원 2020 국내석사

Gauss-Seidel (GS) 방법은 선형 시스템을 위한 multigrid 솔버의 robust smoother로 널리 사용되고 있다. 그러나, GS 방법은 Jacobi 방법과 달리 동일한 배열에 대해 읽고 쓰기가 수행되므로 병렬화 하기 어렵다. 따라서, GS 방법의 병렬 연산을 위한 정렬 격자의 Red-Black Gauss-Seidel (RBGS) 방법과 비정렬 격자의 Multicolor Gauss-Seidel (MCGS) 방법이 개발되었다. 본 연구에서는 새로운 RBGS 방법으로서 노드 순서가 다른 두 개의 2D 및 3D 배열을 사용하는 Red-Black-2A (RB-2A) 방법을 제안한다. RB-2A 방법에 대해 Open-MP 프로그래밍을 통한 병렬 계산 및 비정렬 격자의 재정렬 기법이 가지는 효과도 조사되었다. Jacobi 및 GS방법의 계산 시간은 시스템의 캐시 크기에 매우 큰 영향을 받는 것으로 확인되었다. Jacobi 방법의 메모리 접근이 더욱 효율적이기 때문에 GS 방법의 반복 횟수가 Jacobi 방법의 절반인 경우에도 Jacobi 방법보다 느리다. 본 연구에서는 RB-2A방법이 가장 우수한 성능을 보였고, 직렬 계산에 한하여 재정렬 격자를 사용한 MCGS 방법이 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한, 재정렬 격자를 사용하였을 때의 계산 시간은 최초의 비정렬 격자를 사용한 것보다 우수하였다. 병렬화의 효과로는, 격자 크기가 캐시 메모리 크기에 맞는 경우에는 병렬 계산을 통해 계산 속도가 super-linear로 증가하였으나, 격자 크기가 캐시 메모리 크기를 초과하는 조밀 격자의 경우 병렬 계산을 통한 계산 속도 증가는 크지 않았다. In this thesis, we investigate the effect of re-ordering/coloring on the Open-MP performance of iterative solvers for elliptic equation for structured grid and unstructured grid in two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) problems. For structured grid, we develop a new ordering technique for nodes for Red-Black Gauss-Seidel (RBGS) method using two-dimensional array and three-dimensional array. Firstly, Jacobi and Gauss-Seidel (GS) methods are used to solve the 2D/3D elliptic equation. We discrete the problem by using a finite difference method (FDM). The GS method is known to converge in half the number of iterations compared to the Jacobi method for all grid resolutions, and does not require an additional array to store the variable information. However, the Gauss-Seidel method is not easily parallelized, as the information is read from and written back to the same array. Therefore, the RBGS method has been developed for parallel computing of GS method. In the RBGS method, we color the nodes by two colors in the structured mesh such as red and black. In this thesis, we propose a new RBGS method named Red-Black-2A (RB-2A) which uses two separate 2D/3D arrays with different node ordering. We also investigate the Red-Black-1A (RB-1A) method which uses one single 2D/3D array to compare to the RB-2A method. Moreover, we present the effect of cache size memory on CPU time in our simulation. The elapsed time of Jacobi and GS methods is strongly affected by the cache size of computation machine. The result shows that the RBGS method has the best performance at serial computation, especially on the RB-2A method. Regarding to unstructured grid, we investigate the re-ordering technique for elements and nodes. Besides, we also study the multicolor technique for GS method as well as the effect of coloring with re-ordering mesh and without re-ordering mesh. The results show that the CPU time with re-ordering mesh is better than original mesh at serial computation. Finally, we study parallel computation by using Open-MP programming. The advantage of OpenMP is that it does not require the data communication across the processors because the data of whole computational domain is stored on shared memory within a single computer. However, the drawback is that the data size stored using in OpenMP is limited to the number of thread processing. Furthermore, the OpenMP causes a large overhead time for the OpenMP directive. Similar to serial computation, the results show that the RBGS method has the best performance in parallel computation in the structured grid. Also, the CPU time in both serial computation and parallel computation is improved significantly with re-ordering mesh in unstructured mesh.

음속 제트 누출된 인화성 가스의 폭발 위험에 대한 등가누출직경 기반 수치해석

최승호 서울과학기술대학교 2021 국내박사

In this study, the three-dimensional realizable turbulence numerical simulations were conducted to analyze explosion risk such as the extent of explosion hazardous area, the extent of detectable distance that depends on an alarm set concentration, etc for the sonic jet release of flammable gas. The incompressible fluid flows were simulated by using an inlet boundary condition estimated by the theory of ‘equivalent leak diameter' to avoid the direct simulation of the sonic flow near the leakage hole. Numerical simulations consisting of twenty methane leakage scenarios with various leakage hole sizes and gas pressures provided the lower explosive limit contour shows shapes of hazardous area with a maximum height of about 12∼14 times larger than the maximum width due to the influence of convection greater than diffusion. The extents of hazardous area by CFD were about 5∼10% smaller compared to the results with 1m over by IEC 60079-10-1. For scenarios where quantitative data were not calculated by IEC 60079-10-1 due to small leakage release rates, CFD provided quantitative data of the extent of hazardous area which shows a nonlinear proportional relationship with the pressure and diameter of leak holes. The ventilation velocity such as 0 m/s, 0.5 m/s, 1.0 m/s, 2.0 m/s was applied to sonic jet release of methane gas from 10.0 ㎟ hole at 800 ㎪ outdoor. In case of low ventilation velocity, there was little change in the extent of explosion hazardous area. but in case of 2.0 m/s, the extent of explosion hazardous area was reduced by 19% compared to the case with no ventilation velocity. The location of gas detectors installed in urban gas-using facilities was investigated by using CFD. Numerical simulation consisting of twenty methane gas leakage scenarios with various leakage hole sizes and gas pressures provided quantitative data of a detectable height that depends on an alarm set concentration. Lowering the alarm set concentration from 25% of Lower Explosive Level(LEL) to 20% of LEL was found to increase the detectable heights by 23∼31%. Although the maximum width of 20% contour of LEL was increased by 16%∼30% compared to that of 25%, it was found that the width of the 25% contour of LEL predicted by CFD was as quite a small as about 30 cm. By using the quantitative results of this paper, it can contribute to the safety improvement of flammable gas-using facilities. 본 연구에서는 음속으로 제트 누출되는 인화성 가스인 메탄의 난류 유동장 해석을 위하여 3차원 realizable 난류 모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 음속 난류모델 수치해석의 복잡성을 피하기 위하여 등가누출직경이론을 적용하여, 비압축성 유동장의 경계 조건으로 적용하였다. 다양한 압력상태에서 2차 누출등급의 누출구멍으로 누출된 메탄의 농도 Contour를 통하여 폭발위험장소 반경, 환기속도에 따른 폭발위험장소 범위 변화, 가스감지기의 설치위치 및 경보설정농도에 대하여 분석하였다. 폭발위험장소 범위의 정량적 산정을 위하여 압력 150, 250, 500, 800, 1,000 ㎪에서 0.1, 2.5, 5.0, 10.0 ㎟의 누출구멍을 통해 누출되는 20 가지 시나리오를 분석하였다. 폭발위험장소에 대한 기준인 IEC 60079-10-1 Explosive atmospheres - Part 10-1: Classification of areas - Explosive gas atmospheres에 의하여 폭발위험장소 범위를 산정한 결과 1 m 미만으로 명확한 범위를 알 수 없는 누출률이 작은 시나리오에 대하여 등가누출직경을 적용한 수치해석을 통하여 폭발위험장소 범위를 정량적으로 예측할 수 있었으며, IEC 60079-10-1에 의한 폭발위험장소 범위와 비교할 때 수치해석 결과가 약 5∼10% 정도 작게 나타났다. 옥외에서 800 ㎪의 메탄가스가 10.0 ㎟의 누출구멍으로 음속의 제트 누출되는 경우에 대하여 환기속도 0 m/s, 0.5 m/s, 1.0 m/s, 2.0 m/s를 적용한 결과 환기속도가 낮을 때 폭발위험장소 범위의 변화는 거의 없었으나 환기속도가 2.0 m/s와 같이 빨라지는 경우 희석효과 등으로 폭발위험장소의 범위는 외기 흐름이 없는 경우에 비해 약 19% 가량 낮아지는 것으로 나타났다. 가스감지기 설치의 적정성 분석을 위하여 압력 150, 250, 500, 800 ㎪의 조건에서 0.25, 0.1, 2.5, 5.0, 10.0 ㎟의 누출구멍을 통해 가스가 누출되는 20 가지 시나리오를 분석하였다. 메탄 농도 Contour의 분석 결과 가스감지가 가능한 높이에 대한 정량적 데이터를 도출하였으며, 누출량 대비 층고가 높은 장소에 설치된 메탄가스 감지기는 작동 신뢰성이 낮아질 수 있는 것으로 나타났다. 가스감지기의 경보설정농도를 폭발하한계의 25%에서 20%로 낮출 경우 감지가능한 높이가 23%∼31% 증가하는 것으로 나타났다. 단, 누출예상부위를 중심으로 폭발하한계 25% 농도 Contour의 최대폭은 크지 않으며, 폭발하한계 농도를 20%로 낮출 경우에도 해당 Contour의 최대폭의 증가는 크지 않았다. 이러한 결과는 음속으로 제트 누출되는 인화성 가스의 폭발위험지역 형상 및 범위, 가스감지기의 설치 위치 및 경보설정농도 등을 정량적으로 결정하는데 활용될 수 있다. 또한, 등가누출직경을 적용한 수치해석 방법은 음속으로 제트 누출되는 물성이 다른 인화성 가스, 누출조건이 다른 음속의 제트 누출 등의 위험을 공학적으로 평가하는데 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

배관의 복합열전달에 관한 수치해석

최명영 서울과학기술대학교 2015 국내박사

In this paper, the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the pipe for fire protection. Since the conduction equation of pipe was coupled with the natural convection of water, the analysis of conjugate heat transfer was conducted. A commercial code (ANSYS-FLUENT) based on SIMPLE-type algorithm was used for investigating the unsteady flows and temperature distributions in water region. In the second chapter, the previous study which is relevant to finding an optimal position of electrical heat trace of steel pipe is summarized. In the third chapter, a numerical experiment was conducted to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the CPVC pipe for fire protection. The unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved. From the present numerical experiment, it has been found that the vector field of water inside the PVC pipe is opposite to the case of steel because of the huge difference of material properties of the two pipes. Furthermore, it was found that the lowest part of the pipe was an optimal position for electrical heat trace since the minimum water temperature of the case was higher than those of the other cases. In the fourth chapter, the effect of material property of pipe on the conjugate heat transfer of a pipe containing water was investigated by solving the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equations of water and pipe. Natural convection and conduction of water inside the pipe was coupled with the conduction of the pipe whose bottom was subject to uniform heat flux. From the present grid resolution and time-step independent solutions, it has been found that the water temperature inside the PVC pipe was higher than that inside the steel pipe because the temperature of PVC is higher than the steel due to the smaller heat capacity of PVC. The streamline patterns of the two cases due to the natural convection of water were found to be opposite because the thermal diffusivity of steel (PVC) is larger (smaller) than that of water such that steel (PVC) pipe is heated up faster (slower) than water. The distributions of the heat flux along the inside walls of steel/PVC were also examined in detail. In the fifth chapter, the unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to find out the optimal location of electrical heat trace for anti-freeze of water inside the pipe for fire protection. This study considers convection of water near its density maximum. From the numerical experiments, the temperature profile, isotherms and the vector fields in water region were obtained. Furthermore, it was found that in a range of 273 ~ 277K, the highest part of the pipe cross-section was an optimal position of electrical heat trace since the minimum temperature of the water with the position. While at a temperature higher than 277K, the lowest part of the pipe cross-section was an optimal position. Lastly, the effects of the straight and twisted installations of electrical heat trace on anti-freeze of water inside the pipe were numerically examined. The unsteady incompressible Navier-Stokes equations coupled with energy equation were solved to compare the two installation methods. Since the heat conduction of pipe with heat source interacted with the natural convection of water, conjugate heat transfer was considered by using a commercial code (ANSYS-FLUENT) based on SIMPLE-type algorithm. From the numerical experiments, the isotherms and the vector fields in water region were investigated to extract the evolutions of minimum and maximum temperatures of water inside pipe. It was found that there is no substantial difference between the straight and twisted installations of electrical heat trace in terms of anti-freeze effect. Therefore, it can be concluded that the straight installation is recommended considering the damage and short circuit of electrical heat trace. 본 연구에서는 배관의 동파방지를 위해 열선을 설치하는 경우 최적의 열선 시공 기법을 확인하기 위하여 에너지 방정식과 비정상 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 수치해석를 수행하였다. 배관 내 물의 자연대류와 배관의 열전도 방정식이 상호작용을 하므로 복합열전달 해석을 상용코드 ANSYS-FLUENT에서 제공하는 압력-속도 연성기법들 중의 하나인 SIMPLE 알고리즘을 이용하여 수행하였다. 2장에서는 선행연구로 수행되었던 Steel 배관에서 동파방지용 열선을 설치하기 위한 최적의 열선의 위치에 대한 연구를 간단히 요약하였다. 복합 열전달 배관 내 물의 비정상적인 유동과 온도분포를 확인하였다. 2차원 수치해석을 수행하여 등온선과 벡터장을 살펴보았다. 물의 열팽창계수를 일정하다고 가정할 때 소방 배관 단면의 하부에 열선을 설치하는 것이 다른 위치에 설치하는 것보다 시간에 따른 물의 최저온도가 가장 높아서 동파방지에 가장 효과적인 것을 확인할 수 있었다. 3장에서는 CPVC 배관의 동파방지를 위하여 최적의 열선위치를 에너지방정식과 비정상 비압축성 Navier-stokes 방정식을 사용하여 수치해석을 수행하였다. CPVC 배관은 탄소강관과 열용량 등 주요 물성에 큰 차이가 있어 배관 내 물의 유동에 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. CPVC 배관의 동파방지에 가장 효과적인 열선의 위치를 고찰하고자 배관 내부의 2차원 비정상 열전달 수치해석을 수행하였다. 열선의 위치는 배관 단면 12시 방향을 기준으로 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180° 에 시공한 경우를 각각 모델링하여 해석을 수행하여 배관 단면을 기준으로 θ = 180°에 열선을 시공하는 것이 가장 효과적으로 확인되었으나, θ = 135° 인 경우와 그 차이가 미비하였다. 배관 보온재 하부에 빗물이나 결로 등의 체류로 인한 열선의 오동작과 같은 잠재적인 설비의 오용(Potential mechanical abuse)을 방지하기 위해서는 열선을 배관 단면을 기준으로 θ = 135° 부근에 설치하는 것이 가장 타당함을 확인할 수 있었다. 4장에서는 동파방지용 열선이 설치된 Steel 배관과 PVC 배관의 2차원 비정상 수치해석을 수행하여 내부 물의 유동 등을 비교하였다. Steel 배관과 PVC 배관은 밀도, 비열 및 열확산계수 등 물성에 큰 차이가 있다. 배관 내부 물의 유동장을 비교한 결과 서로 상반된 형태의 유동장을 갖고 있었으며, 배관의 물성차에 의한 배관 온도 분포에 있어서도 큰 차이가 있었다. 배관의 물성차이에 의한 Steel 배관과 PVC 배관 내부의 온도장 및 속도장을 서로 비교하였고 물에 전달되는 열 유속 등을 자세히 살펴보았다. 그 결과 PVC는 적은 열용량으로 인해 내부 물이 Steel 배관에 비해 더 높은 온도데 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 그 결과 PVC 배관의 경우에 내부 물에서 더 강한 소용돌이(vortex)가 생성되는 것 등을 확인할 수 있었다. 5장에서는 Steel 배관의 동파방지를 위하여 열선이 다양한 위치에 설치된 경우 내부 물의 밀도변화를 고려하여 2차원 수치해석을 수행하였다. 2~4장의 경우 Boussinesq 방정식을 사용하였지만 이 장에서는 277K에서 최대 밀도를 갖는 물의 특성을 고려하기 위하여 온도에 따른 밀도 변화를 함수 형태로 입력하였다. 그 결과 관의 동파와 밀접한 관련이 있는 배관 내 최소온도를 살펴보면, 물의 온도가 상승할수록 밀도가 증가하는 273~277K 범위에서는 θ = 0°, 45°, 90°, 135°, 180° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었고, 온도가 상승할수록 물의 밀도가 감소하는, 277K 보다 높은 온도에서는 θ = 180°, 135°, 90°, 45°, 0° 순으로 온도가 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 6장에서는 Steel 배관의 동파방지를 위하여 열선을 직선 시공한 것과 감기 시공한 것을 비교하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 2~5장의 경우 배관에 열선을 직선으로 시공하여 축방향 유동이 발생하지 않아서 2차원 해석을 수행하였지만, 본 장에서는 열선을 배관의 축방향으로 감아서 시공한 것과 열선을θ = 135°위치에 직선으로 시공한 것을 3차원 수치해석을 수행하여 상호 비교하였다. 감기 시공한 것과 배관의 하부에 직선으로 시공한의 경우에 자연대류에 의한 유동장은 상이하고 특히 감기 시공의 경우 X축 방향 유동이 발생하는 것을 확인하였으나 시간에 따른 배관 내 물의 최소 및 최대 온도 이력은 거의 동일함을 확인하였다.

자연대류를 고려한 복합열전달의 수치해석

전병진 서울과학기술대학교 2010 국내석사

In the present study, a variety of problems of conjugate heat transfer considering natural convection were analyzed. In chapter Ⅱ, a three-dimensional numerical study on flow pattern in winter along connecting passageway of a composite building was conducted using a commercial CFD package. The incompressible Navier-Stokes equation coupled was solved by using SIMPLE algorithm in order to find steady solutions. It was shown that a upward flow is generated inside the building in winter due to buoyancy effect and that the air inside connecting passageway flows form the shorter building to the taller one regardless of the slope of the passageway. Further, it was found that the magnitude of air velocity inside connecting passageway increases, although the variation in the magnitude of fluid velocity is not substantial. Lastly, it was shown that the maximum air velocity inside connecting passageway is less than the allowable limit for all the cases considered in this study. In chapter Ⅲ, a conjugate heat-transfer problem in indirect moxibustion was analyzed by solving the problem of unsteady convective heat transfer coupled with conductive heat transfer. The interaction of a combustion-heated paper disk of moxa with the body and surrounding fluid was revealed by examining the body's unsteady temperature distributions. From the grid- and time step-independent solutions to the present conjugate heat-transfer problem, the effective stimulation periods for four widths of paper disk, along with the depths of the effective stimulation zones, were obtained. Further, it was found that the effective stimulation zone becomes larger and lasts longer for the wider paper disks, whereas the depth of the effective stimulation zone is saturated beyond a certain size. Lastly, the streamline pattern and the history of the spatially averaged heat-transfer coefficient, which is related to the convective heat transfer between the body and the surrounding fluid, were determined. In chapter Ⅳ, a conjugate heat transfer problem of heating disk was investigated by solving the steady convective heat transfer problem coupled with the conduction heat transfer. The interaction of the heating disk with the body and surrounding fluid was examined by solving the Pennes bioheat equation coupled with the incompressible Navier-Stokes equations. From the present conjugate heat transfer analysis, the effect of blood perfusion rate and temperature of heating disk on the temperature distribution of the body was investigated. Lastly, the streamline pattern and the history of the spatially averaged heat-transfer coefficient, which is related to the convective heat transfer between the body and the surrounding fluid, were determined. 본 연구에서는 자연대류를 고려한 복합 열전달의 다양한 문제에 대하여 선행 연구와 비교하고 정량적인 수치해석 결과를 도출하고자 한다. 세부적인 연구의 내용은 다음과 같이 구성되었다. Ⅱ장에서는 상용 수치해석 프로그램을 사용하여, 겨울철 복합 건축물 연결통로에서의 유동 형태에 대해 3차원 수치해석연구를 수행하였다. 정상상태의 비압축성 유동장의 해석을 위한 알고리즘으로 SIMPLE을 사용하였다. buoyancy 효과에 의해 겨울철 건축물의 내부 유동은 위로 향하며, 연결통로의 경사에 상관없이 내부의 공기의 흐름은 낮은 건물에서 높은 건물로 형성된다. 유체의 속도 크기에 대한 변화는 적지만, 연결통로 내부 공기의 속도 크기가 상승하는 것을 알 수 있었다. 마지막으로, 연결통로 내부 공기의 최대 속도는 본 연구에서 고려된 모든 경우에 대해서 허용되는 제한 조건보다 작은 것을 확인하였다. Ⅲ장에서는 전도와 대류가 결합된 비정상 복합 열전달 문제를 해석함으로써, 간접 뜸의 복합 열전달 문제를 해석하였다. 신체의 비정상 온도 분포를 조사하여 신체 위의 연소 중인 쑥뜸의 종이 디스크와 주변 유체의 상호작용에 대해서 나타내었다. 쑥뜸의 복합 열전달 문제에 대해 격자와 시간간격에 무관한 해로부터 유효 자극 범위의 깊이에 따라 4개의 종이 디스크 너비에 대한 유효 자극 기간을 얻었다. 추가적으로, 종이 디스크의 너비가 넓어질수록 유효 자극 범위가 커지고 지속시간이 길어지지만, 유효 자극 범위의 깊이는 특정 너비 이상에서 수렴하는 것을 알 수 있다. 마지막으로, 신체와 주변 유체사이의 대류 열전달과 관련된 유선 형태와 공간적으로 평균한 열전달 계수를 알 수 있었다. Ⅳ장에서는 전도와 결합된 정상 대류 열전달을 해석하기 위해 가열된 디스크의 복합 열전달 문제를 해석하였다. 비압축성 Navier-Stokes가 결합된 Pennes bioheat 방정식을 사용하여 신체 위의 가열된 디스크와 주변 유체와의 상호작용에 대해 조사하였다. 본 문제의 복합 열전달 해석으로부터, 신체의 온도분포에 대한 혈액관류율과 디스크의 온도에 대한 효과를 나타내었다. 마지막으로 신체와 주변 유체사이의 대류 열전달과 관련된 유선 형태와 공간적으로 평균되어진 열전달 계수를 확인하였다.

복합 건축물 연결 통로에서의 기류형성에 관한 수치적 해석 연구

장병윤 서울산업대학교 산업대학원 2010 국내석사

In this paper, a numerical study on flow pattern in connecting passage of a composite building was conducted. Through numerical experiments, it was shown that a upward flow is generated inside the building in winter while a downward flow in summer due to buoyancy effect and that the magnitude of fluid velocity in winter is larger than that in summer because the larger temperature difference between inside and outside of the building in winter. Furthermore, it has been shown that the air in connecting passage flows from the shorter building to the taller one in both summer and winter regardless of the slope of the passage and that the magnitude of fluid velocity in connecting passage increases as the uphill slope to the taller building increases and decreases as the downhill slope to the taller one increases in winter. 본 논문에서는 저층 건물과 고층 건물의 연결통로의 기울기 변화에 따른 기류속도의 변화를 수치해석을 통하여 고찰하였다. 수치해석을 통하여 다음과 같은 결론들을 유도하였다. (1) 저층 건물과 고층 건물의 연결통로의 기울기 변화에 따른 기류속도의 변화를 수치해석을 통하여 정성적으로 파악할 수 있음을 확인하였다. (2) 동절기에는 건물 아래쪽에서 외부의 차가운 공기가 유입되어 건물내부에서 수직상승 기류가 형성되어 상부로 유출되고, 하절기에는 건물 상부에서 공기가 유입되어 수직하강 기류가 형성되어 건물 아래쪽으로 유출 되므로 동절기와 하절기가 반대의 형상임을 보였다. (3) 실내와 외부의 온도차가 6℃인 하절기 보다 온도차가 32℃로 큰 동절기의 각 위치에서 기류의 유동량이 많고, 기류속도 또한 현저히 큰 것을 볼 수 있었다. (4) 연결통로에서 기류는 동절기, 하절기 모두 낮은 건물에서 높은 건물로 공기가 흘러가는 것을 볼 수 있었으며, 연결통로의 기울기에 따라 흘러가는 기류량, 속도의 차이가 있었다. (5) 동절기는 연결통로의 기울기가 낮은 건물에서 높은 건물로 오르막 경사 일 때가 공기의 흐름이 가장 많고 속도 또한 크게 나타났으며 반대로 높은 건물로 내려가는 기울기에서 가장 적은 것을 알 수 있었다. 하절기는 동절기와 반대로 낮은 건물에서 높은 건물로 오르막 경사일 때 가장 미세하게 작용 하는 것을 알 수 있었다.

오일의 유량 변화와 오프셋 스트립 휜을 고려한 오일쿨러의 복합열전달 해석

박서원 서울과학기술대학교 산업대학원 2014 국내석사

자동차용 오일쿨러는 오일이 변속기 내부를 흐르면서 마찰이나 점성에 의해 온도가 올라가는 것을 방지하는 장치이다. 오일의 온도가 상승하게 되면 밀도나 점성과 같은 물성이 변해 오일의 빠른 열화를 가져오게 되며, 변속기 내부에서 빠르게 흐르면서 공동화 현상이 발생하여 변속기에 무리를 주게 된다. 자동차용 오일쿨러는 열전달 성능향상을 위하여 내부에 휜이 설치되는데, 다양한 형태를 가지는 휜이 개발되고 있다. 그중 오프셋 스트립 휜은 경계층을 주기적으로 파괴하여 열전달 성능을 향상시키게 된다. 컴퓨터 성능의 발달로 오일쿨러의 열전달 특성과 유동특성은 해석을 통해서 많이 이루어지고 있다. 하지만 복잡한 휜 구조물은 격자수 증가를 초래하여, 많은 자원을 필요로 해 해석하기 어렵고 신뢰도 높은 수치해석 결과를 얻기 힘든 경우가 많았다. 이런 이유로 대부분의 연구는 휜을 직접적으로 모사하지 않고 다공성 매질로 모사하여 해석하는 실정이다. 본 연구에서는 복잡한 오프셋 스트립 휜의 형상을 실제의 형상과 같이 모델링하여 수치해석을 진행하였다. 다공성 매질 해석기법을 사용하거나 경험식을 사용한 열교환기의 다양한 열적 설계 기법을 적용하지 않고 열전달 성능을 직접 수치해석 하였다. 수치해석에는 Star-CCM+를 사용하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다 오일쿨러의 유량변화에 따른 열전달 량을 수치 해석하여 실험값의 비교하였다. 열전달 량은 전 영역에서 5%이내의 결과를 도출하였으며, 오일의 유량이 증가함에 따라 오일쿨러의 열전달 량이 증가하였다. 하지만, 일정한 유량이 되면 더 이상 증가하지 못하고, 열전달 량은 정체되어 포화상태에 이르게 된다. 본 연구에서 사용한 오일쿨러에서 오프셋-스트립 휜은 열전달성능을 약 75%정도 증가시킨다.

자동차 도장 룸의 유동특성에 대한 수치해석 연구

백영민 서울과학기술대학교 2015 국내석사

In this study, numerical analysis on improvement of uniformity in vehicle paint room based on the previous studies was conducted to evaluate the pressure drop and flow characteristic of porous filter. Most ceiling filters have the same porosity over the whole filter area. In the present study, we want to reduce pressure drop and increase the flow uniformity by changing the pressure drop coefficient around center area, a small part of the filter. Because, pressure drop around center area of filter is the biggest. Area of filter has divided into nine parts in order to change pressure drop coefficient of center part. To get the optimal uniformity of the flow, present simulations were performed using the various pressure drop coefficient, which increased by 2, 4, 10 percent from standard filter. We found that best results when the porosity at the center area increased by 2 percent from standard filter.

인버터 기동반의 열전달 예측을 위한 수치해석

김만석 서울과학기술대학교 산업대학원 2014 국내석사

본 연구에서는 인버터의 위치에 따른 인버터 패널 내부의 열전달 특성을 알아보기 위해 수치해석을 수행하였다. 인버터 패널 벽을 통한 열전달은 매우 중요하기 때문에 전산유체역학 코드를 이용하여 복합열전달 해석을 수행하였다. 주변 전기장비의 열적 피해와 관련된 왼쪽 벽에서의 열유속은 인버터의 위치가 가장 아래에 있을 때 가장 크게 나타난다. 반면에 인버터의 위치가 중간 또는 상부에 있는 경우에는 왼쪽 벽에서의 열유속이 매우 적게 나타난다. 인버터의 위치가 중간인 경우에는 전체 벽면에 대한 열유속이 가장 작게 나타나기 때문에 가장 효율적이다.