자료실

OpenFOAM v1.7.1 User Guide입니다.

simpleFoam을 사용한 오리피스 유동 해석 예제입니다.

CFD/CAE 전처리 프로그램인 Harpoon의 개발사인 Sharc Ltd.에서 Harpoon GUI 상에서 오픈폼(OpenFOAM)을 실행하고 후처리작업까지 할 수 있는 submarine 모듈을 개발하였습니다.

Linux OS에서 오픈폼이 설치되어 있으면 Harpoon GUI에서 격자 생성 뿐 아니라 계산과 후처리 작업까지 완료할 수 있게 되었습니다. 계산할 수 있는 문제는 simpleFoam을 사용하는 비압축성 k-epsilon 계열의 난류 모델을 사용하는 문제입니다.

Harpoon에 관해 보다 많은 내용은 http://www.nens.co.kr/product/product.html?cat=003001 에서 확인할 수 있으며 넥스트이엔에스의 곽기호대리([email protected], 070-8796-3013)에게 연락하시면 더 많은 내용을 얻을 수 있습니다.

오픈폼(OpenFOAM)이란 무엇인가, 오픈폼의 장점, 특징, 기능들, 전/후처리 과정, 관련 웹 사이트, 적용사례 등에 대한 간략한 소개 자료입니다.

2.1 Lid-driven cavity flow

본 예제는 2차원, 정온, 비 압축성 cavity 유동에 대한 pre-process, 계산 수행, post-process에 대한 예제 입니다. 해석 대상은 Figure 2.1에 나온것과 같이 정 사각 영역의 4면이 모두 벽으로 되어 있습니다. 이중 상부 벽면은 X 방향으로 1m/s의 속도로 이동하며 나머지 3개의 벽면은 고정 입니다. Tutorial의 첫 부분에서는 균일한 mesh를 이용하여 icoFoam으로 층류, 등온, 비압축성 해석을 하고 그 후 격자의 개수와 배열을 개선하여 이에대한 영향을 확인하며 최종적으로 Raynolds 수를 증가시켜 pisoFoam으로 난류, 등온, 비압축성 해석을 하게 됩니다.

Figure 2.1: Lid driven cavity 유동 해석 영역

2.1.1 Pre-processing

OpenFOAM의 해석 case는 text format으로 된 case 파일을 수정하여 작성할 수 있습니다. 이를 위해 emacs, vi, gedit, kate, nedit등의 문서 편집기를 사용하며 case 파일은 keyword로 구성된 dictionary format으로 초보자라 하더라도 이해할 수 있도록 구성되어 있습니다.

해석 case는 여타 다른 CFD package와 달리 case directory에 격자, 유동 형식, 해석 조건등의 정보를 독립적인 구조로 가지고 있으며 directory 구조및 파일에 대한 자세한 설명은 OpenFOAM Users’ Guide 4.1장을 참조 하시기 바랍니다. Case directory의 이름은 알기 쉽게 만드는 것이 좋으며 본 예제에서는 cavity라는 이름을 사용 하도록 합니다. cavity 예제 수행을 위해 사용자는 아래 명령을 사용하여 예제가 있는 경로로 이동 하여야 합니다.

cd $FOAM _RUN/tutorials/incompressible/icoFoam/cavity

2.1.1.1 격자 생성

OpenFOAM은 항상 3차원 직교 좌표계를 기준으로 해석을 수행 합니다 따라서 2차원 해석을 위해서도 격자는 3차원으로 작성 되어야 합니다. 3차원 격자의 z축 수직인 평면에 empty 라는 조건을 부여하여 2차원 해석을 수행할 수 있습니다.

Cavity 예제를 위한 해석 영역은 d = 0.1 m인 정사각형 이고 격자는 x-y 평면으로 20 x 20 로 구성되어 있습니다. 해석 영역의 block구조는 Figure 2.2 와 같이 구성 작성되어 있습니다.

Figure 2.2: Cavity 격자 생성을 위한 Block 구조

OpenFOAM에서 제공되는 blockMesh 는 case directory중 constant/polyMesh directory 내부의 blockMeshDict 파일을 참조하여 격자를 생성 합니다. 본 예제의 blockMeshDict 파일은 다음과 같습니다:

1 /*---------------------------*- C++ -*----------------------*

2 |========                                                            |

3 |\      / F ield           |OpenFOAM:The Open Source CFD Toolbox|

4 | \    /  O peration      | Version: 1.7.1                     |

5 |  \  /   A nd        | Web: www.OpenFOAM.org              |

6 |   \/    M anipulation   |                                             |

7 *----------------------------------------------------------*/

8 FoamFile

9 {

10 version 2.0;

11 format ascii;

12 class dictionary;

13 object blockMeshDict;

14 }

15// ******************************************************* //

16

17 convertToMeters 0.1;

18

19 vertices

20 (

21 (0 0 0)

22 (1 0 0)

23 (1 1 0)

24 (0 1 0)

25 (0 0 0.1)

26 (1 0 0.1)

27 (1 1 0.1)

28 (0 1 0.1)

29 );

30

31 blocks

32 (

33 hex (0 1 2 3 4 5 6 7) (20 20 1) simpleGrading (1 1 1)

34 );

35

36 edges

37 (

38 );

39

40 patches

41 (

42 wall movingWall

43 (

44 (3 7 6 2)

45 )

46 wall fixedWalls

47 (

48 (0 4 7 3)

49 (2 6 5 1)

50 (1 5 4 0)

51 )

52 empty frontAndBack

53 (

54 (0 3 2 1)

55 (4 5 6 7)

56 )

57 );

58

59 mergePatchPairs

60 (

61 );

62

63// ******************************************************* //

파일의 1~7행 부분은 베너 부분이고 FoamFile 의 정보는 중괄호로 8~14행 까지 구성되어 있습니다.

향후 Tutorial의 나머지 부분에서는 입력 파일 내용을 언급할 때 위에서 언급된 동일하게 반복되는 1~16행을 생략하고 입력 파일의 본문 부분만 수록 하도록 합니다.

입력 파일은 vertices 부분에 block 모서리의 좌표를 선언하고 blocks 부분에서 각 vertex의 connectivity를 나타내 줍니다. 본 예제에서는 1개의 block만 존재하기 때문에 이 부분이 한줄로 나타납니다. 그리고 Patches 부분에 boundary의 이름을 정의하게 됩니다. blockMeshDict 파일의 구성에 대한 자세한 정보을 위해서는 OpenFOAM Users’ Guide의 5.3절을 참고 하시기 바랍니다.

실제 격자는 blockMeshDict 파일을 작성한 후 터미널 창에서 case directory로 이동후 blockMesh 명령을 수행하면 작성 됩니다.

blockMesh

blockMesh의 작업 상태가 terminal 창에 출력 됩니다. 혹시 blockMeshDict 파일에 문제가 있는 경우 이에 대한 정보 역시 terminal창에 정보가 나타나게 됩니다. 이 예제의 blockMeshDict 파일의 경우 아무런 문제가 발생하지 않아야 합니다.

2.1.1.2 경계 조건과 초기 조건

격자 생성이 끝난 후 초기 조건과 경계 조건을 설정 하게 됩니다. 이 예제는 t=0초부터 해석을 시작하며 이에 대한 정보는 cavity directory 안에 0 directory에 저장되어 있습니다. 0 diretory 내부에는 p 와 U 두개의 파일이 있으며 각각 압력(P)과 속도(U)장을 의미 합니다. 정리 하자면 0 directory의 p 파일은 0초의 압력장 파일이며 따라서 초기 조건이 됩니다. 이 파일을 열어보면 다음과 같습니다.

17 dimensions [0 2 -2 0 0 0 0];

18

19 internalField uniform 0;

20

21 boundaryField

22 {

23 movingWall

24 {

25 type zeroGradient;

26 }

27

28 fixedWalls

29 {

30 type zeroGradient;

31 }

32

33 frontAndBack

34 {

35 type empty;

36 }

37 }

38

39 // ***************************************************** //

파일 내부에는 3가지 주요 정보가 포함되어 있습니다.

Dimensions: 이 파일이 나타내는 field의 단위를 정의 합니다. 단위 정의 방법에 대한 자세한 정보는 OpenFOAM users’ Guide 4.2.6절을 참고 하시기 바랍니다.

internalField: 유동장 내부의 filed 값을 나타냅니다. 이 값은 일정한 한가지 값이 될 수도 있고 각 위치에 대한 값의 list가 될 수 도 있습니다. 이 값을 표현하는 방법은 OpenFOAM users’ Guide 4.2.8절을 참고 하시기 바랍니다.

boundaryField: 경계 patch에 대한 경계조건을 정의 합니다. 이 값을 정의하는 방법에 대해서는 OpenFOAM users’ Guide 4.2.8절을 참고 하시기 바랍니다.

본 예제의 경계는 모두 wall이며 2개의 이름으로 구분 됩니다. 하나는 fixedWalls로 정의된 좌,우측 및 하부의 고정 벽이며 다른 하나는  movingWall 로 정의된 상부의 움직이는 벽면 입니다. 압력에 대한 벽면의 경계 조건은 zeroGradient 조건이며 이는 벽면에 수직방향 압력 구배가 0이라는 것을 의미 합니다. frontAndBack patch는 z방향에 수직인 벽면이며 2D 해석을 위해 empty 조건으로 설정해야 합니다.

본 예제의 압력 초기 조건은 비 압축성 유동이기 때문에 해석에 영향을 미치지 않으며 모든 영역이 동일한 조건이기 때문에 편의상 uniform 0을 적용 합니다.

0 directory의 u 파일을 살펴보면 dimensions 는 속도 단위로 되어 있고 초기 조건은 모든 영역에 동일하게 0m/s으로 되어있습니다. 속도의 경우는 모든 값이 (0 0 0)과 같이 3차원 vector 형식으로 표시 되어야 합니다.

frontAndBack patch에 대해서는 압력의 경계 조건과 같은 조건을 사용할 수 있습니다. fixedWalls는 no-slip조건을 가정하기 때문에 fixedValue로 uniform (0 0 0)을 적용 하고 상부의 이동하는 벽면에 대해서는 x방향 이동 속도 1 m/s를 고려하여 fixedValue로 uniform (1 0 0)을 적용합니다.

2.1.1.3 Physical properties

각 문제에 필요한 물리적 특성은 constant directory 안에 ~ Properties 라고 이름이 붙은 파일로 선언되어 있습니다. icoFoam의 경우 동점성 계수가 정의되어야 하므로 transportProperties 파일이 필요 합니다. 동점성 계수의 Keyword는 nu 입니다. 본 예제에서 Reynolds 수가 10 이고 Reynolds number는 식 (2.1)과 같이 정의되어 d = 0.1 m, |U| = 1 ms⁻¹ 인 경우  = 0.01 m²s⁻¹ 가 됩니다.

      (2.1)

따라서 transportProperties 파일의 내용은 다음과 같습니다.

17

18 nu nu [ 0 2 -1 0 0 0 0 ] 0.01;

19

20

21 // ***************************************************** //

2.1.1.4 Control

해석시 time step size, 해석 시작/종료 시간, 결과의 저장 등에 관련된 정보는 system directory안에 있는 controlDict 파일을 참조하게 됩니다. 이에 관한 자세한 정보는 OpenFOAM Users’ guide 4.3장을 참고 하시기 바랍니다.

본 예제 에서는 t=0sec에서 해석을 시작합니다. 이는 0 directory로부터 field 값을 읽어 들이는 것을 의미 합니다. Case file 및 directory의 구조에 관해서는 OpenFOAM Users’ guide 4.1장을 참고 하시기 바랍니다.

따라서 keyword startFrom 에 대한 값은 startTime으로 정의하고 keyword startTime 은 0으로 정의 합니다.

해석 종료 시점에 대해서는 cavity 내부의 유동이 정상 상태가 되는 시간을 정의해야 합니다. 층류 유동에서 유동이 정상 상태에 도달하기 위해서는 해석 영역을 10회 통과하는 것을 일반적인 기준으로 정의 하지만 이번 예제의 경우 유동의 유, 출입이 없기 때문에 상부 벽면이 10회 이동하는 시간을 기준으로 선정할 수 있습니다. 실질적으로 본 예제에 대해서는 경험적으로 0.5초 이후에 유동이 정상 상태에 이르는 것을 알기 때문에 이 값을 해석 종료 시점으로 선택합니다. 따라서 stopAt keyword 에 대한 값은 endTime으로 설정하고 endTime keyword에 대한 값은 0.5를 입력 합니다.

이제 time step을 결정해야 합니다. Time step size에 대한 keyword는 deltaT 입니다. icoFoam에서 수치 안정성을 확보하기 위해서 Courant number는 1보다 작아야 합니다. Courant number 의 정의는 식 (2.2)와 같습니다:

      (2.2)

여기서 t는 time step size 이고 |U|는 크기가 x 인 cell을 통과하는 유동 속도 입니다. 유동의 속도는 해석 영역에 걸쳐 다르지만 모든 영역에 걸쳐 C_o < 1인 조건을 만족 해야 하기 때문에 가장 불리한 조건에서의 를 선정 하여야 합니다. 즉 가장 작은 cell과 가장 빠른 유속의 조합에서의 time step size를 선정 하여야 합니다. 본 예제의 경우 상부 벽면 근처에서 1m/s의 유속이 가장 빠른 유동 속도입니다. 또한 cell의 크기는 식 (2.3)과 같이 구할 수 있습니다.

            (2.3)

따라서 전체 해석 영역에서 Courant number가 1 이하인 time step deltaT 는 식 (2.4)보다 같거나 작아야 합니다.

    (2.4)

사용자는 해석이 진행되는 동안 향후 해석 결과 처리를 위해 일정한 시간간격으로 해석 결과를 저장할 수 있습니다. writeControl keyword는 결과 저장에 대한 다양한 옵션을 제공 합니다. 본 예제에서는 writeControl keyword에 대한 값으로 timeStep를 선택하고 이는 일정한 time step마다 결과를 저장하게 합니다. 결과를 저장하는 빈도는 writeInterval keyword로 지정이 가능하고 본 예제에서는 20 time step마다 결과가 저장 되도록 20을 지정 하였습니다. 따라서 해석이 진행되는 도중 0.1초, 0.2초.. 0.5초에대한 해석 결과가 저장되게 됩니다. 각 해석 결과는 각각 독립적인 directory에 저장되며 각각의 이름은 0.1, 0.2 … 0.5가 됩니다. 각 directory에는 속도에 대한 filed를 저장한 파일 U와 압력 field file p가 포함 됩니다. 본 예제에 대한 controlDict 파일은 다음과 같습니다.

17

18 application icoFoam;

19

20 startFrom startTime;

21

22 startTime 0;

23

24 stopAt endTime;

25

26 endTime 0.5;

27

28 deltaT 0.005;

29

30 writeControl timeStep;

31

32 writeInterval 20;

33

34 purgeWrite 0;

35

36 writeFormat ascii;

37

38 writePrecision 6;

39

40 writeCompression uncompressed;

41

42 timeFormat general;

43

44 timePrecision 6;

45

46 runTimeModifiable yes;

47

48

49 // ***************************************************** /

GNU GPL(GNU 일반 공중 사용 허가서) GNU(GNU is Not Unix)는 1983년 리처드 스톨만에 의해 시작된 자유(free)소프트웨어 프로젝트입니다.
GNU 프로젝트는 소프트웨어는 누구나 자유롭게 '실행', '복사', '수정', '배포' 할 수 있고 누구도 그 권리를 제한하면 안 된다는 정신을 담고 있습니다.
자유(free) 소프트웨어의 '자유(free)'라는 단어는 무료(無料)를 의미하는 금전적인 측면의 자유가 아니라 구속되지 않는다는 관점에서의 자유를 의미합니다.
카피레프트로 불리는 이런 정신을 표현한 라이센스가 GNU GPL(GNU General Public License)입니다.
GNU GPL 라이센스의 원문의 아래의 사이트에서 확인할 수 있습니다. http://www.gnu.org/licenses/gpl.html

오픈폼(OpenFOAM : Open Field
Operation and Manipulation)은 소스 코드가 공개된 무료 전산유체역학(CFD : Computational Fluid
Dynamcis) 코드이다.

이
프로그램은
GNU GPL(일반
공중
사용
허가서
: General Public License)를
사용하기
때문에
누구나
무료로
다운로드
받아 사용할 수 있으며 전 세계의 많은 연구자들에 의해 계속 개발되고 있다.

1990년대에 영국 Imperial College의 박사과정이던 Hrvoje Jasak과 Henry Weller에 의해 FOAM이라는 이름으로 개발이 시작되었다.

2004년에 Henry Weller가 OpenCFD Ltd.라는 회사를 설립하고 OpenFOAM이라는 이름으로 프로그램을 공개하였다.

이후 오픈폼은 OpenCFD라는 회사와 OpenFOAM Extend-Project라는 비영리 커뮤니티 두 곳에 의해 개발 및 버전 관리가 이루어지고 있다.

개발 방식 OpenCFD Ltd.,OpenFOAM
Extend-Project 구성원들을 포함한 전 세계의 오픈폼 사용자들이 개발한 프로그램 중 공개 된 것들을 검증하고 정리해서 두 개의 기관에서 오픈폼 버전을 관리한다.

• OpenCFD Ltd.의 최신 버전 :
OpenFOAM-2.2.2

• OpenFOAM Extend-Proejct의 최신 버전 :
foam-extend-3.0, nick nme is Jeju

오픈폼은 source code,
application(solver & utility), library, tutorial, document, third-party가 통합되어 인터넷을 통해 배포된다. 사용자는 아래 사이트에서 내려 받아 사용할 수 있다.

• www.openfoam.org

• www.sourceforge.net

• Git repository

오픈폼의 주요 기능

*
mesh  

 
- generation : blockMesh, snappyHexMesh

  -
convert : fluent, starCCM+, starCD, plot3D, ansys, CFX4, ideasUnv, kiva,
gmsh...

*
post-processing

 
- paraview

 
- Fieldview direct reader

  -
Fieldview, VTK, Ensight, Tecplot convertor

*
solver

 
- incompressible / compressible laminar / turbulent flow

 
- heat transfer : conduction, convection, radiation, conjugated heat transfer

 
- multiphase, chemical reaction

 
- Lagrangian particle tracking

 
- electro-magnetics

 
- DNS

 
- DSMC, molecular dynamics, DEM

 
- stress analysis

 
- dynamic mesh

 
- immersed boundary method

1.1 해외 오픈폼 활용 상황

   <유럽>

• 유럽에서 개발되었을 뿐 아니라 많은 커뮤니티와 컨설팅 업체가 유럽에 있다. 현재 유럽에서 가장 많이 사용되고 있으며, 대부분의 국제 학술대회가 유럽에서 개최되고 있다.

• 유럽의 자동차 업체들은 오래전부터 오픈폼 기반의 자체 프로그램을 개발하여 작업 효율성을 높이고 상용코드를 대체하고 있다.

• 영국, 독일, 이탈리아, 스웨덴, 크로아티아, 오스트리아 등의 많은 대학에서 오픈폼을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다.

• 주요 사용자 : Audi, Volkswagen, Volvo, DLR, MAN, ABB,
Siemens, BASF, SEAT, Faurecia, BP, DNV, GL, NRCKI, ICE, OpenCFD, Wikki,
IconCFD, Engys, Zagreb Univ ,Chalmers Univ., Politecnio di Milano, Imperial
College,...

   <미국/캐나다>

• 최근 미국과 캐나다에서도 오픈폼의 비중이 매우 높아지고 있다.

• 미국 해군연구소(ONR)는 오래전부터 오픈폼을 이용한 연구가 진행되고 있으며, NASA, NIST 등의 정부 연구기관과 대학에서 많은 연구결과들이 발표되고 있다.

• 주요 사용자 : GM, Bombardier, ONR, NIST, Shell, NASA,
Hydro-Quebec, ARC, Penn State univ., Virgina Tech., Iowa univ., ...

   <아시아>

• 일본에 많은 사용자가 있으며 커뮤니티도 활발하게 운영되고 있다.

• 중국은 대학을 중심으로 많은 연구결과들이 발표되고 있으나 산업체의 활용은 낮은 것으로 보인다.

• 주요 사용자 : Hitach, JAXA, Mitsui Josen,
Mitsubishi, CFD Consulting, CAE Solutions, Sanghai Jiao Tong univ., Tokyo
univ., Osaka univ.,...

1.2 국내 오픈폼 활용 상황

2011년부터 국내에 본격적으로 소개되어 사용자들이 많아지고 있다. 많은 기관에서 개발과 검증을 진행하고 있으나 현재 활발하게 연구개발에 활용되고 있는 곳은 그리 많지 않다. 일부 대학에서 연구결과들이 발표되고 있으며 많은 대학들이 프로그램에 대한 초기 연구를 시작한 단계이다.

2. 상용코드와 오픈폼의 향후 전망

2.1 상용코드 현황

2.2 오픈폼의 장점 및 전망

• 오픈폼은 공개 소프트웨어이기 때문에 초기 개발비용만 투자하면 추후 별도의 비용이 발생하지 않는다.

• 오픈폼은 소스 코드가 공개되어 있어 해석 자동화 및
다른 프로그램과의 연동이 용이하여 연구개발 의
효율성을 높일 수 있다. 또한 이를 통해 연구부서의 성과물을 쉽게 설계 및
개발 부서로 이관하고 연구부서는 새로운 연구에 매진할 수
있다.

• 오픈폼의 개발은 전 세계의 수 많은 연구자들에 의해 개발되고 있기 때문에 상용 프로그램 보다 개발 속도가 매우 빠르다.

• 상용코드의 범용 CFD 패키지 프로그램의 개념과 다른, CFD 도구 상자(tool box) 프로그램이라는 새로운 개념은 빠르게 발전하는 CFD 기술을 도입하여 개별 산업분야에 최적화된기술개발을 가능하게 한다.

• 오픈폼은 하나의 연구실 혹은 업체에 얽매이지 않는 공유 코드로서 중요한 의미를 갖는다.

• 이와 같은 장점 때문에 상용코드 문제점 극복을 위한 대안으로 많은 이들이 오픈폼을 선택하였다.

• 과거 높은 관심을 받던 리눅스가 윈도우스에 밀려 PC에서는 많이 사라졌지만 리눅스 기반의 안드로이드는 모든 사람들의 주머니속에서 움직이고 있듯이, 오픈폼은 CFD분야의 새로운 패러다임으로 자리잡고 있다.

3. 오픈폼 관련 학술 행사 

3.1 국제행사