캐비테이션(Cavitation) 현상은 유체의 속도 변화에 의한 압력의 변화로 인해 유체 내부에서 상변화가 발생하는 현상이다. 비압축성 유동에서 액체의 속도가 높아지면 압력이 낮아지는데 이 때 압력이 포화증기압 이하가 되면 액체 내에 증기 기포가 발생한다. 캐비테이션 현상은 관내 유동에서 노즐이나 밸브 등과 같이 유속이 크게 변하는 영역이나, 펌프, 프로펠러 등과 같이 운동하는 물체 주위에서 많이 나타난다. 발생된 기포가 소멸할 때 소음이나 진동이 발생하고 벽에 부딪히면 침식의 원인이 되기 때문에 공동현상의 수치적 모사는 여러 분야에서 많은 관심을 갖고 있다.
전산유체역학으로 캐비테이션 현상을 해석할 때 단상유동 해석과 동일한 지배방정식과 수치해석 알고리즘을 사용한다. 여기에 상변화의 영향을 고려하기 위해 질량분율에 대한 방정식을 추가하고 질량과 물성값의 변화, 중력의 영향, 기액 계면을 처리해 주어야 한다.
넥스트폼은 단상 비압축성유동 및 열전달 해석에서 OpenFOAM 성능 개선을 위해 NextFOAM을 개발하여 공개하였다. NextFOAM의 알고리즘 및 라이브러리들을 바탕으로 정상상태 및 비정상상태의 캐비테이션 현상을 모사할 수 있는 해석자를 개발하였다. OpenFOAM은 상변화 모델로 Kunz, Merkle, SchnerrSauer 모델을 제공하고 있는데 여기에 Zwart 모델을 추가하였다. 캐비테이션 해석자는 상변화와 그로인한 압력의 급격한 변화로 단상유동에 비해 안정성이 떨어진다. 이 문제를 보완하기 위해 유동이 안정화될 때까지 상변화가 발생하지 않도록 하여 공동이 계산초기에 점진적으로 발생하도록 하였다.
넥스트폼에서 수행한 몇 가지 캐비테이션 해석 사례를 소개한다... 더보기
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