원자로 내부유동 예측을 위한 상용 전산유체역학 소프트웨어 성능 비교 연구

이공희(Gong Hee Lee),방영석(Young Seok Bang),우승웅(Sweng Woong Woo),김도형(Do Hyeong Kim),강민구(Min Ku Kang) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.12

전산유체역학 소프트웨어의 일부 개발자 및 사용자는 최신 전산유체역학 소프트웨어가 최소한 단상 원자로 안전문제는 타당하게 해석할 수 있을 것으로 생각하지만 계산 결과에는 여전히 제한성 및 불확실도가 존재한다. 현재 한국원자력안전기술원에서는 규제관점에서 원자로 안전문제에 대한 상용 전산유체역학 소프트웨어의 성능평가를 수행하고 있다. 본 연구에서는 축소 APR+ 원자로 내부유동 해석시 다공성 모델을 적용한 상용 전산유체역학 소프트웨어의 예측 성능을 평가하기 위해 ANSYS CFX R.14 및 FLUENT R.14 에 탑재된 수치모델을 이용하여 계산을 수행하였다. 결론적으로 전산유체역학 소프트웨어에 따라 축소 APR+ 원자로 내부유동 분포는 국부적으로 차이가 발생하였다. 비록 제한된 수의 측정치로 인해 상용 전산유체역학 소프트웨어간 예측성능을 평가하기에는 다소 한계가 있으나 CFX R.14 가 FLUENT R.14 에 비해 상대적으로 타당한 예측결과를 제시하였다. 한편 적용된 차분법의 차이로 인해 동일한 격자에 대해 FLUENT R.14 가 CFX R.14 에 비해 상대적으로 많은 계산 메모리를 필요로 하였다. 따라서 대용량 병렬 계산시 가용한 계산 자원에 적합한 전산유체역학 소프트웨어가 선정되어야 한다. Even if some CFD software developers and its users think that a state-of-the-art CFD software can be used to reasonably solve at least single-phase nuclear reactor safety problems, there remain limitations and uncertainties in the calculation result. From a regulatory perspective, the Korea Institute of Nuclear Safety (KINS) is presently conducting the performance assessment of commercial CFD software for nuclear reactor safety problems. In this study, to examine the prediction performance of commercial CFD software with the porous model in the analysis of the scale-down APR (Advanced Power Reactor Plus) internal flow, a simulation was conducted with the on-board numerical models in ANSYS CFX R.14 and FLUENT R.14. It was concluded that depending on the CFD software, the internal flow distribution of the scale-down APR was locally somewhat different. Although there was a limitation in estimating the prediction performance of the commercial CFD software owing to the limited amount of measured data, CFX R.14 showed more reasonable prediction results in comparison with FLUENT R.14. Meanwhile, owing to the difference in discretization methodology, FLUENT R.14 required more computational memory than CFX R.14 for the same grid system. Therefore, the CFD software suitable to the available computational resource should be selected for massively parallel computations.

분자동역학과 전산유체역학을 이용한 채널 내에서의 혼합유동에 관한 연구

이현섭(Hyunsub Lee),손기헌(Gihun Son) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11

In this study, we investigate mixing phenomena of two fluids in a solid channel using Computational Fluid Dynamics(CFD) software, FLUENT. The channel diameter is varied from 1m to 0.01㎛ and its effect in the mixing phenomena is quantified. As the channel diameter decreases, the viscous force is dominant and the volume fraction of air decrease in the channel after merged. Also, we simulate the fluid mixing cases with 0.01㎛ channel size using Molecular Dynamics(MD) software, Large-scale Atomic/molecular Massively Parallel Simulator (LAMMS). The MD results are compared with the CFD results.

대용량 전산유체역학 데이터의 효과적 분석을 위한 2차 변수 분석 시스템의 설계 및 구현

이중연,허영주,이세훈,김민아 한국정보과학회 2019 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.25 No.11

Computational Fluid Dynamics (CFD) is a branch of fluid mechanics that solves partial differential equations depicting fluid flows using a set of algebraic equations with computers. Although a substantial number of variables is calculated in CFD, only a few can be stored in the file system due to its limited storage capacity. This has necessitated the use of a functionality that calculates secondary variables at the time of analysis, which generally occurs at the post-processing stage. In this paper, we suggest an effective analysis system for the secondary variable of a massive CFD dataset. We prove the usefulness of the proposed system by evaluating its performance and usability using real-world vessel CFD data. Through this process, we verified the performance and the usability of the system, which are 5.96 times higher and 1.43 times better than those of existing CFD analysis tools, respectively. 전산유체역학은 컴퓨터를 이용해서 유체현상을 모사하는 미분방정식의 해를 풀고 해석하는 학문이다. 복잡한 유체현상을 해석하기 위해서는 여러 종류의 CFD 변수를 계산해야 하는데, 데이터의 크기가 대규모가 될 경우, 한정적인 스토리지의 용량으로 인해 필수적인 변수만을 스토리지에 저장하고, 나머지 CFD 변수들은 후처리 시점에 계산하는 경우가 많다. 본 논문에서는 전산유체역학 응용에서 많이 사용하는 CFD 변수들에 대해 각 변수를 후처리 시간에 효과적으로 계산하고 분석할 수 있도록 하는 2차 변수 분석 시스템을 제안하고자 한다. 또한, 제안하는 시스템의 성능 및 사용성 평가를 통해 해당 시스템의 유용성을 검증한다. 이러한 검증 과정에는 실세계에서 사용되는 선박유동해석 데이터가 사용되었다. 이를 통해 기존 시스템 대비 최대 5.96배의 좋은 성능과 1.43배의 높은 사용성을 보임을 검증하였다.

전산유체역학 소프트웨어 적용성에 관한 규제 지침 개발을 위한 연료집합체 내부유동 분포 수치해석

이공희(Gong Hee Lee),정애주(Ae Ju Cheong) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.6

가압경수로에서 연료봉 다발 표면의 적절한 열제거는 노심 열적여유도 및 안전성 확보를 위해 중요하다. 많은 전산유체역학 소프트웨어들이 혼합날개가 장착된 연료집합체 내부의 복잡한 유동을 예측하기 위해 사용되어 왔으나, 전산유체역학 소프트웨어의 종합적인 평가를 위한 국내 규제지침이 마련되어 있지 않다. 따라서, 규제 관점에서 국내 원자력 안전 분야에 대한 전산유체역학 소프트웨어의 적용성에 관한 체계적인 평가 및 지침 마련이 필요하다. 본 연구에서는 국내 원자력 안전 분야에 대한 전산유체역학 소프트웨어의 적용성에 관한 체계적인 평가 및 지침 마련을 위해 원자력 안전 문제 계산에서 불확도를 제공하는 주요 인자들인 대류항 차분법 정확도 및 난류 모델이 선회 형태의 혼합날개가 장착된 연료집합체 내부의 난류 유동분포 예측 성능에 미치는 영향에 대한 민감도 분석 결과를 설명하였다. In a pressurized water reactor (PWR), appropriate heat removal from the surface of a fuel rod bundle is crucial to ensure thermal margins and safety. Although many computational fluid dynamics (CFD) software have been used to predict complex flows inside fuel assemblies with mixing vanes, no domestic regulatory guidelines exist for comprehensively evaluating CFD software. Therefore, from a nuclear regulatory perspective, performing a systematic assessment and preparing domestic regulatory guidelines are necessary to determine whether valid CFD software is used for nuclear safety problems. In this study, we provide a systematic evaluation and guidance on the applicability of CFD software to the area of domestic nuclear safety. The results of a sensitivity analysis for the effect of the discretization scheme accuracy for the convection terms and turbulence models (which are main factors that contribute to uncertainty in calculations of nuclear safety problems) on the prediction performance for the turbulent flow distribution inside the fuel assembly with swirl-type mixing vanes were explained.

전산유체해석(CFD) 모의를 이용한 다공형 스크류 노즐 입수관이 적용된 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 대한 유동특성

송준혁(Jun Hyuck Song),권종우(Jong Woo Kwon),최종웅(Jong Woong Choi),왕창근(Chang Keun Wang) 大韓環境工學會 2015 대한환경공학회지 Vol.37 No.1

본 연구는 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 목적을 두고 진행하였으며 입수관의 형태를 개선하여 물탱크 내부에서 발생하는 유동특성을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)모사 기법을 이용하여 분석 하였다. 기존에 물탱크에사용되던 자유낙하 방식의 입수관을 다공형 스크류 노즐 입수관으로 개선하고 유동 특성을 분석한 결과 노즐 안에 스크류날개가 설치된 경우 유동흐름의 폭이 넓게 분사 되었으며 원통형 물탱크 내부에서도 넓은 유동 흐름이 나타났다. 또한 사각형 물탱크에 다공형 스크류 노즐 입수관이 1개 설치되어 있을 경우와 2개 설치되어있을 경우의 유동해석과 추적자모의를 수행하였으며 그 결과 입수관을 2개 설치할 경우 MODAL, MORILL index값이 1에 가깝게 나타나 Plug Flow 특성에 근접하단 결과를 얻을 수 있었다. This study was carried out for the purpose of minimizing the area of rapid flow inside the water tank. And the shape of incurrent canal was improved, and then the characteristics of fluid flow occurring inside the water tank was analyzed by using the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation method. better multiple hoe screw nozzle incurrent canal was used instead of conventional drop current canal used for the water tank. And according to the results of analyzing the characteristics of fluid flow, in case a screw blade was installed inside the nozzle, fluid flow was sprayed wide. And wide fluid flow was shown inside the cylindrical water tank too. Besides, a tracer simulation was carried out, in case of installing 1 and 2 multiple hoe screw nozzle incurrent canals at the cubic water tank. As a result, MODAL, MODAL index value was close to 1, in case of installing 2 canals. Therefore, it was possible to obtain the results of being close to the characteristics of plug flow.

CFD-DEM 연계기법을 이용한 모노파일 주위 입자 거동과 세굴현상에 대한 수치해석

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho) 한국해양환경·에너지학회 2018 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.11

본 연구에서는 해류에 노출되어 있는 모노파일 주위에서의 흐름과 입자 거동을 해석하여 세굴현상을 연구하였다. 유체와 해저지반을 구성하는 입자의 상호작용을 고려하기 위해 Eulerian 기반의 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 Lagrangian 기반의 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 연성하여 해석을 진행하였다. 해석코드는 소스코드가 공개된 전산유체역학과 이산요소법 라이브러리를 각각 활용한 연계기법을 사용하였다. 경계층 영역에서 모래 입자의 수송을 검증하고, 해석 결과는 Eulerian 기반의 전산유체역학 해석결과 및 실험 결과와 비교하였다. 해석 결과, Eulerian 기반의 전산유체역학 해석에서 예측이 어려웠던 세굴 심도를 보다 정도 높게 예측할 수 있었다. In this study, the scour and the behavior of sediment particles around a monopile exposed to a current were investigated. In order to consider the interaction between the particles on the seabed and the current, the coupling between a computational fluid dynamics (CFD) based on the Eulerian approach and a discrete element method (DEM) based on the Lagrangian approach was carried out. The solver was developed using the open source libraries for the CFD and the DEM. The results were compared with experimental data for the validation of the transport of sand particles in the boundary layer region. From the results, the scouring depth obtained by the developed method was more accurate than that by the Eulerian-based CFD.

CFD-DEM 연계기법을 이용한 원형 파일 주위 입자의 거동과 침식현상에 대한 수치해석 연구

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho Park) 한국해양환경·에너지학회 2018 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

해상풍력터빈 하부 구조물의 주위의 표사유동에 의한 세굴을 정확하게 예측하는 것은 구조물의 안정성에 있어서 매우 중요한 이슈이다. 이에 본 연구에서는 해류에 노출되어 있는 원형파일 주위에서의 흐름과 퇴적물 입자의 거동을 해석하여 세굴현상을 연구하였다. 해저면의 유체의 흐름과 해저지반을 구성하는 입자의 상호작용을 해석하기 위해 Eulerian기반의 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 Lagrangian기반의 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 연성을 하여 해석을 진행하였다. 전산유체역학과 이산요소법은 각각 소스코드가 공개된 라이브러리를 활용하여 개발하였다. 해석 결과는 Eulerian기반의 전산유체역학 해석결과 및 실험결과와 비교하였다. 해석 결과 Eulerian기반의 전산유체역학 해석에서는 세굴의 영역은 예측이 가능했던 반면 심도의 예측은 어려웠던 반면에 개발한 방법은 심도도 보다 정도 높게 예측할 수 있었다. An accurate prediction of a scour phenomenon due to the sediment transportation has been a important issue for offshore sub-structures. In this study, the scour phenomenon and flow field around the offshore sub-structure were studied. the coupling between a computational fluid dynamics (CFD) based on the Eulerian approach and a discrete element method (DEM) based on the Lagrangian approach was carried out. The solver was developed using the open source libraries for the CFD and the DEM. The results were comparied with the CFD results and experimental data. From the results, The developed method could predict the scour width and depth, while the CFD could predict the scour width.

전산유체역학을 활용한 개수로형 UV소독장비의 해석기법 연구

황우철(Woochul Hwang),박정규(Jeong-Gyu Bak),김현수(Hyunsoo Kim),이경혁(Kunghyuk Lee),조진수(Jinsoo Cho) 한국유체기계학회 2014 한국유체기계학회 학술대회 논문집 Vol.2014 No.11

LES 난류모델을 이용한 4엽형 수직축 풍력발전기 공력해석 및 실험

류경중(G.J. Ryu),김동현(D.H. Kim),추헌호(H.H. Choo),심재박(J.P. Shim) 한국전산유체공학회 2012 한국전산유체공학회지 Vol.17 No.3

In this study, aerodynamic analyses have been conducted for 4-Bladed Vertical-Axis Wind Turbine (VAWT) configuration and the results are compared with experimental data. Reynolds-averaged Navier-Stokes equation with LES turbulence model is solved for unsteady flow problems. In addition, the computation results by standard k-ω and SST k-ω turbulence models are also presented and compared. An experiment model of 4-Bladed VAWT model has been designed and constructed herein. Experimental tests for aerodynamic performance of the present VAWT model are practically conducted using the vehicle mounted testing system. Comparison results between the experiment and the computational fluid dynamics (CFD) analyses are presented in order to show the accuracy of CFD analyses using the different turbulent models.

입구 유동속도가 난류 테일러-쿠에트 흐름에 주는 영향에 관한 연구

전동협 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.1

We conducted a three-dimensional fluid flow analysis in a Taylor reactor to understand the influence of inlet flow rate on the Taylor flow. We investigated the flow characteristics and particle residence time in the TTVF region using computational fluid dynamics. The Taylor vortices were uniformly distributed across the Taylor reactor at a low inlet velocity, whereas the width of Taylor vortex at the inlet region was increased, and the total number of vortices were decreased at a high inlet velocity. However, the effects of inlet velocity on the bypass flow were not significant. An observation of particle tracing showed that the particle residence time was decreased and the standard deviation was reduced with an increase of the inlet velocity. 테일러 반응기 내 유입속도 변화에 따른 테일러 유동의 변화를 알아보기 위하여 3차원 유동해석을 수행하였다. 전산유체역학을 이용하여 TTVF 영역에서의 유동특성과 입자체류시간을 알아보았다. 유입속도가 낮은 경우 테일러 와류가 균일하게 분포되어 있으나, 유입속도가 증가함에 따라 입구부근에서 와류두께가 증가하고 와류의 전체개수도 감소하였다. 하지만 바이패스 흐름에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다. 입자추적 결과 유입속도가 증가할수록 입자들의 평균체류시간은 감소하고 표준편차도 감소하는 것으로 나타났다.