Simulate Fluid Flow Applications
with the CFD Module


CFD Modeling Software for Single-Phase and Multiphase Flows

COMSOL Multiphysics® 시뮬레이션 플랫폼의 애드온 제품인 CFD 모듈을 이용하여 단일 유체 흐름 또는 다른 물리적 현상과 연계된 유체 흐름을 포함하는 시스템을 연구하는 모델을 정의하고 해석해 보시기 바랍니다.
CFD 모듈은 유체 흐름 해석의 기초를 모델링 하기 위해 다음과 같은 기능들을 제공합니다.

  • 비압축성 및 압축성 흐름
  • 층류 및 난류
  • 단상 및 다상 흐름
  • 자유 흐름 및 다공성 매질에서의 흐름과 열린 영역(domain)에서의 흐름.
  • 박막 흐름

이러한 기능은 2차원, 2차원 축 대칭 및 3차원에서 시간 의존적 (일시적) 및 정상 상태 흐름 문제를 정의 및 해석하고 분석하기 위해 구조화 된 유체 흐름 인터페이스를 통해 구현됩니다. 위의 목록 외에도 CFD 모듈에는 비 뉴톤 유체, 회전 기계 및 높은 마하 수 흐름을 포함하는 문제를 해결하기 위한 맞춤형 기능들이 포함되어 있습니다.

유체 역학 분석에서 모델에 다중 물리학을 구현할 수 있는 능력이 중요합니다. CFD 모듈을 사용하면 유체 흐름 문제를 분석하는 데 사용하는 것과 동일한 소프트웨어 환경에서 열 전달과 반응 흐름이 동시에 결합된 모델링을 할 수 있습니다. 유체 구조 상호 작용과 같은 추가적인 다중 물리 가능성은 COMSOL® 제품군의 다른 모듈과 결합 될 때 이용 가능합니다.


What You Can Simulate with the CFD Module

CFD 모듈로 COMSOL Multiphysics®를 확장하면 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어 플랫폼의 핵심 기능 외에도 CFD 시뮬레이션을 위한 특화된 기능들을 이용할 수 있습니다. 아래에 나열된 모든 기능은 연관된 물리 인터페이스를 통해 구현됩니다. 이러한 문제를 정의하고 해결할 때 유체는 기본적으로 비압축성으로 모델링 되지만 약 압축성 또는 완전 압축성 흐름으로 목록에서 선택하여 간단히 변경 할 수 있습니다.

Laminar and Creeping Flow

Laminar Flow와 Creeping Flow 인터페이스는 상대적으로 낮은 레이놀즈 수에서 과도 및 정상 상태 흐름을 모델링하는 기능을 제공합니다. 유체 점성은 국소영역의 구성과 온도 또는 유체 흐름과 조합하여 모델링 된 임의의 다른 물리 장에 종속적일 수 있습니다. 비 뉴턴 유체의 경우 Power Law 나 Carreau와 같은 기 정의 된 유동학적 모델을 사용하여 쉽게 모델을 설정할 수 있습니다.

일반적으로 밀도, 점성 및 운동량 소스는 온도, 구성, 전단 율 및 기타 종속 변수와 종속 변수의 파생 함수로 이루어진 임의의 함수가 될 수 있습니다. 이러한 설정을 통해 점탄성 흐름에 대한 임의의 모델을 정의 할 수 있습니다.

Turbulent Flow

포괄적 세트의 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 난류 모델들은 CFD 모듈의 해당 유체 흐름 인터페이스에서 사용할 수 있습니다. 다음과 같은 난류 유동 모델을 과도 및 정상 유동에서 사용할 수 있습니다.

Two-Equation Models

  • k-ε model
    사실적 구속조건이 부여된 표준 k-ε 모델
  • Realizable k-ε model
    사실적 조건을 만족시키는 수정된 계수를 가진 k-ε 모델
  • k-ω model
    사실적 구속 조건이 부여된 개정 판 Wilcox k-ω 모델 (1998)
  • SST model
    자유 흐름 영에서의 k-ε 모델과 벽에 가까운 영역에서 k-ω 모델의 조합
  • Low-Re k-ε model
    벽에 가까운 영역에서의 흐름을 해결할 수 있는 가능성을 가진 AKN k-ε 모델

Additional Transport-Equation Models

  • Sparlart-Allmaras model
    공기 역학적 응용을 위해 개발된 회전 보정 기능이 있는 단일 방정식 모델
  • v2-f model
    벽 – 수직 난류 속도 변동에 대한 해석을 통하여 난류 이방성을 설명하는 k-ε의 확장 형 모델

Algebraic Turbulence Models

  • Algebraic yPlus model
    • 난류 점성은 국소영역 속도 및 벽면 거리 크기에 기반한 레이놀즈 수를 사용하여 점성 단위로 벽면 과의 거리를 첫 번째로 해석하여 계산됩니다.
    • 강건 성이 크고 계산 상 효율적이지만 다른 보다 정교한 모델만큼 정확하지는 않습니다.
  • L-VEL model
    • 난류 점성은 국소영역 속도 및 벽면 거리 크기에 기반한 레이놀즈 수를 사용하여 점성 단위로 벽면 과의 거리를 첫 번째로 해석하여 계산됩니다.
    • 강건 성이 크고 계산 상 효율적이지만 다른 보다 정교한 모델만큼 정확하지는 않습니다.

Wall Treatment

다음 목록에 따라 여러 유형의 벽면 처리와 난류 흐름 인터페이스를 조합 할 수 있습니다.

  • Wall functions
    • 강건하며 성근 메시에 적용 가능
    • 제한된 정확성
    • 매끄럽거나 거친 벽면 처리
    • k-ε, Realizable k-ε 및 k-ω에서 지원됨
  • Low-Reynolds-number treatment
    • 흐름을 벽까지 완전히 해석합니다.
    • 정확하며
    • 보다 정밀한 메시가 필요합니다.
    • standard k-ε 및 Realizable k-ε을 제외한 모든 난류 모델에서 지원됩니다.
  • Automatic wall treatment
    • low-Re 처리와 벽 함수간 간 전환
    • 국소 메시 해상도에 따른 정확도를 가짐
    • 벽 함수에 의해 제공되는 견고 성을 유지합니다.
    • standard k-ε 및 Realizable k-ε을 제외한 모든 난류 모델에서 기본값으로 설정

User-Defined Turbulence Models
그래픽 사용자 인터페이스(GUI)에서 모델 방정식을 직접 변경하거나 확장하여 아직 포함되지 않은 난류 모델을 만듭니다.

Thin Film Flow

움직이는 기계 부품이나 부서진 구조물 사이의 얇은 오일 막과 같이 얇은 영역에서의 흐름을 묘사하기 위해 CFD 모듈은 Thin Film Flow, Shell 인터페이스를 제공합니다. 이 포뮬레이션은 일반적으로 윤활, 유체탄성역학 또는 가스나 액체의 존재로 인해 발생하는 움직이는 부품 사이의 유체 댐핑 효과(예: MEMS)에 대한 모델링에 사용됩니다.

Thin Film Flow, Shell 인터페이스는 좁은 구조물에서의 유동에 대한 Reynolds 방정식을 공식화하고 해결하며, 두께에 대한 격자화가 필요하지 않는 얇은 구조물의 두께에 따른 평균 유동에 대한 함수를 사용하여 질량과 운동량의 균형을 공식화합니다. 이 기능은 간격에 따라 메시를 생성(meshing)하는 문제를 회피하고 계산 시간을 절약합니다.

Multiphase Flow

분리 된 다상 유동 시스템에서 계면 추적 방법을 사용하여 자유 표면뿐만 아니라 기포 및 물방울의 거동을 세부적으로 모델링하고 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이러한 경우, 분리 된 다상 흐름에 대한 계면 추적 기술을 사용하여 표면 장력 효과를 포함한 상 경계의 형상을 자세하게 설명 할 수 있습니다.

기포, 물방울 또는 입자가 계산 영역에 비해 작고 많은 수의 입자가 있는 경우 분산 된 다상 흐름 모델을 사용할 수 있습니다. 이 모델은 서로 다른 상의 질량 분율과 분산 된 기포, 방울 또는 입자가 평균적으로 유체의 운동량 전달에 미치는 영향을 추적합니다.

다음과 같이 분리되고 분산 된 다상 유동 모델을 과도 및 정상 상태 유동에서 사용할 수 있습니다.

Separated Multiphase Flow Models

  • Level Set method
    • 층류 및 난류에 사용
    • 상 사이의 위상 경계를 해결하기 위한 적응 형 메시 (Adaptive mesh refinement, AMR)
    • 단상 유동에서 기체와 접촉하는 자유 액체 표면 추적
  • Phase Field method
    • 층류 및 난류에 사용
    • 층류에 사용할 수 있는 삼상 유동 모델
    • 상 사이의 위상 경계를 해결하기 위한 적응 형 메시 (Adaptive mesh refinement, AMR)
    • 단상 유동에서 기체와 접촉하는 자유 액체 표면 추적

Dispersed Multiphase Flow Models

  • Bubbly flow model
    • 층류 및 난류 유동 해석에 사용
    • 액체 내부에서 분산된 가스 버블이 상대적으로 작은 부피 분율(<0.1)에서 사용
    • 연속 액체에 대하여 상대적으로 가속 되지 않는 조건으로 가정 (평형상태).
    • 수식적으로 견고하고 해석에 드는 소모자원이 적음.
  • Mixture model
    • Bubbly flow model과 비슷하지만 더 포괄적.
    • 연속체 상에 대한 분산상의 가속이 무시될 수 있는(평형 상태) 액체-액체 혼합물, 에어로졸 및 액체에 부유하는 고체 입자의 거품을 정확히 묘사함.
    • Bubbly flow model보다 해석에 드는 소모자원이 많지만 다른 것에 비해서는 상대적으로 적음.
  • Euler-Euler model
    • 층류 및 난류 유동 해석에 사용
    • 가장 일반적인 분산 다상 유동 모델
    • 거품 유동, 액체 혼합, 액체 부유액, 에어로졸과 기체 내부에 부유하는 고체 입자를 추적하는데 사용 가능
    • 가스 체적부터 액체의 유동 층을 모델링하는데 이르기 까지 다양한 적용 범위
    • 해석에 드는 소모자원이 가장 많음.








비 뉴턴 Carreau 모델을 사용하여 묘사 된 노즐을 통해 주입 된 선형 폴리스티렌 용액의 유동에서 전단 율 의존 점성

비 뉴턴 Carreau 모델을 사용하여 묘사 된 노즐을 통해 주입 된 선형 폴리스티렌 용액의 유동에서 전단 율 의존 점성






자동 벽 처리를 위한 기능은 모델에서 높은 해상도가 요구되는 경계 (파란색)에서 low-Re 접근법을 사용하고 고 해상도가 필요하지 않은 경계(직선 구간)에서 wall functions(빨간색)으로 전환합니다.

자동 벽 처리를 위한 기능은 모델에서 높은 해상도가 요구되는 경계 (파란색)에서 low-Re 접근법을 사용하고 고 해상도가 필요하지 않은 경계(직선 구간)에서 wall functions(빨간색)으로 전환합니다.






경사진 패드 베어링에서 얇은 액체 박막의 압력과 흐름. 흐름과 압력에 의한 고체 구조의 변형은 약 4000 배로 확대되어 표현 되었습니다.

경사진 패드 베어링에서 얇은 액체 박막의 압력과 흐름. 흐름과 압력에 의한 고체 구조의 변형은 약 4000 배로 확대되어 표현 되었습니다.





분리 된 3-상 유동 문제는 Three-Phase Flow, Phase Field 인터페이스를 사용하여 모델링 됩니다.

분리 된 3-상 유동 문제는 Three-Phase Flow, Phase Field 인터페이스를 사용하여 모델링 됩니다.





이젝터(ejector)에서 초음속 흐름의 속도 장에서 다이아몬드 충격파는 고 마하 수 난류흐름을 위한 인터페이스를 사용하여 모델링 됩니다.

이젝터(ejector)에서 초음속 흐름의 속도 장에서 다이아몬드 충격파는 고 마하 수 난류흐름을 위한 인터페이스를 사용하여 모델링 됩니다.





회전 기계에서 난류를 사용하여 모델링 된 원심 펌프에서의 유동 및 압력 장.

회전 기계에서 난류를 사용하여 모델링 된 원심 펌프에서의 유동 및 압력 장.



Porous Media Flow

CFD 모듈은 세 가지 다른 다 공성 매질 유체 흐름 모델을 사용하여 다 공성 매질에서의 유체 흐름을 간단히 시뮬레이션 하게합니다.

Porous Media Flow Models

  • Darcy’s law
    • 다공성 구조물에서의 유동에 대한 강건성이 있으며 계산비용이 저렴한 기술 방법
    • 2-상 흐름 가능
  • Brinkman equations
    • 점성 전단에 의한 운동 에너지의 소실을 설명하는 Darcy’s law 의 확장 방법
    • 높은 다공성을 지닌 개방성이 높은 구조에 적합
    • Darcy’s law 인터페이스보다 더 일반적이고 계산적으로 더 많은 비용이 요구됨
  • Free and porous media flow
    • 열린 영역에서의 층류 또는 난류 유동을 갖는 다공성 영역에서의 두 가지 유동
    • 자유 유동에서는 층류 또는 난류 유동 방정식을 다공성 도메인에서는 Brinkman 방정식을 이용하여 기술합니다.
High Mach Number Flow

층류 및 난류 영역 모두에서 압축성 유체의 천이 및 초음속 흐름을 모델링합니다. 층류모델은 일반적으로 저압 시스템에 사용되며 이상 기체에 대한 운동량, 질량 및 에너지 평형에 대한 방정식을 자동으로 정의합니다. 높은 마하 수 유량(High Mach number flow)은 k-ε 및 Spalart-Allmaras 난류 모델을 사용할 수 있습니다.

COMSOL® 소프트웨어는 이상 기체에 대하여 운동량 및 질량 평형 방정식과 결합 된 에너지 방정식을 자동으로 공식화합니다. 두 경우 모두, 이러한 모델을 격자화 할 때 자동 메시 세분화는 매우 높은 속도와 압력 구 배의 영역 주변을 세분화하여 충격 패턴을 해결합니다

Fluid Flow in Rotating Machinery

믹서와 펌프 같은 회전 기계는 유체 흐름이 발생하는 공정 및 장비에서 일반적으로 존재합니다. CFD 모듈은 회전 프레임에서 유체 흐름 방정식을 기술하고 단상 층류 및 난류 유동에 사용할 수 있는 회전 기계(rotating machinery) 인터페이스를 제공합니다. 회전 시스템에 대하여 완전 시간 종속 기술을 사용하거나 고정 로터 근사 방법을 기반으로 한 평균 접근법을 사용하여 문제를 정의하고 해결합니다. 이 기능은 계산 비용이 저렴하며 평균 속도, 압력 변화, 혼합 수준, 평균 온도 및 농도 분포 등을 추정하는 데 사용할 수 있습니다.

일반적으로 말하자면, CFD 모듈은 프레임을 회전시키는 것뿐만 아니라 움직이는 프레임에서도 유체 흐름 문제를 해결할 수 있습니다. 움직이는 메시를 사용하여 설정하고 해결하기 쉬운 움직이는 프레임을 사용하면 사이에 유체 흐름이 있는 구조가 다른 구조와 관련하여 미끄러지는 문제를 해결할 수 있습니다.



Creating Real-World Multiphysics Models

많은 경우 유체 유동 모델은 열 전달, 구조 역학, 화학 반응 또는 동 전기 흐름 및 자기 유체 역학의 전자기장과 같은 다른 현상과 연계됩니다. CFD 모듈이 일반적인 커플 링을 위해 미리 제작된 다중 물리학 인터페이스를 제공하는 것처럼, COMSOL Multiphysics®의 다중 물리 현상 모델링은 단일 물리 문제와 다르지 않습니다.