TwinMesh 소개

ANSYS CFX가 가장 적극적으로 사용되는 분야는 유체기계의 설계와 분석을 위한 CFD해석입니다. 일반적인 펌프와 압축기의 경우 BladeModeler를 이용한 형상모델링과 TurboGrid를 이용한 격자생성, Turbo Pre와 Turbo Post의 기능을 이용하면 거의 자동화된 해석 프로세스를 갖출 수 있을 정도로 개발되어 있어서 ANSYS CFX를 이용 하는데 큰 어려움이 없습니다. 하지만 펌프와 압축기와 같이 일정한 형태의 blade가 회전하는 방식이 아닌 체적변화에 의해 유체를 이송하는 방식인 용적형 유체기계는 시간에 따라 모양이 변하는내부공간의 격자처리가 어렵기 때문에 쉽게 적용하기 힘든 분야로 남아 있습니다. 이와 같은 용적형 유체기계에 대해 CFX를 이용하여 해석할 수 있는 방법은 크게 3가지가 있습니다. 제일 쉬운 첫번째 방법은 Immersed Solid Method를 이용한 해석방법 으로 격자생성 및 해석이 쉬운 반면 비압축성에만 적용이 가능하고 cavitation 등 풍부한 CFX의 해석모델을 적용하는데 제한이 있다는 단점이 있습니다. 두번째로 Remeshing을 이용한 방법으로 내부공간에 따른 격자의 변화에 맞추어 격자를 재생성 하는 과정이 수반되기 때문에 setup이 복잡해 지고 유동해석에 소요되는 solving 시간외에 해석 과정 중에 격자 재생성에 시간이 소요되기 때문에 해석 시간이 과다하게 소요되는 단점이 있습니다. 세번째 방법은 기존에 TASCFlow에서도 적용된 방법으로 해석에 필요한 모든 격자를 미리 생성한 다음, CFX의 mesh read function을 이용하여 순간순간 필요한 격자를 읽어 들여 해석하는 방법입니다. 이 방법은 Remeshing과 같이 해석하는 과정에서 격자를 생성할 필요가 없어서 유동해석에 필요한 solving 시간만 소요되는 반면에 setup 전에 격자생성에 많은 시간이 소요되는 단점이 있습니다. 하지만, 미리 생성된 격자를 사용하기 때문에 해석 도중에 격자에 의해서 해가 발산하는 현상은 발생하지 않아 해석의 안정성과 순수한 solving 시간 면에서 Remeshing 기법보다 장점이 많습니다.

TwinMesh는 회전형 용적식 유체기계를 해석하는데 필요한 격자와 setup을 쉽게 처리할 수 있도록 개발된 software로 CFX Berlin에서 개발되었습니다. TwinMesh는 위에서 설명한 3번째 방법을 적용하기 쉽도록 해석에 필요한 격자생성프로그램과 생성된 격자를 이용하여 거의 자동으로 CFX Pre setup을 수행하는 프로그램입니다. 해석격자의 생성은 필요한 용적형 유체기계의 template이 미리 준비되어 있어서 TwinMesh가 요구하는 case와 rotor의 curve만 준비하면 해석에 필요한 Hexahedral 격자를 회전하는 각도에 맞추어 생성할 수 있습니다. 격자생성과정은 상당히 자동화 되어있지만, 고품질의 격자를 얻기 위해서는 ICEM CFD에서 Hexa 격자의 node개수와 분포를 설정하는 방법과 비슷하게 격자를 조절할 수 있습니다. 이와 같은 방식으로 격자를 생성하면 용적형 유체기계에 존재하는 수십 micron 이하 수준의 leakage에 10~20개의 격자를 집중하여 해석할 수 있으므로 누설유량의 평가 및 Torque의 예측이 ANSYS CFX에서 일반적인 유체기계를 해석할 때의 정확도와 같은 수준으로 확보될 수 있습니다.

• 이가 맞물리는 복잡한 형상(Complex Geometries)

  - Interlocking rotors (often screwed)

• 형상이 변하는 내부 공간(Size-changing working chambers)

• 매우 좁은 간극(very small clearances between)

  - the lobes (radial)
  - rotors and casing (axial and radial)

• 복잡한 유동현상(Complex Flow Characteristics)

  - Cavitation (Multiphase)
  - Non-Newtonian fluid
  - Compressibility
  - Real-gas properties
  - Turbulence
  - Viscous heating, etc.

• CFD 해석을 수행할 때 이와 같은 문제점을 극복하기 위해서는 고품질의 격자 필요.

• 해석공간을 모사할 수 있는 격자가 필요(Representation of the flow volume)

  - 좁은 간극에서 유동 특성을 모사할 수 있는 격자(High resolution mesh to consider the flow characteristics)

  

• 용적식 기계의 해석에 적합한 격자생성(Numerical optimal type of elements)

  - Hexa격자가 Tetra격자보다 좁은 틈 등의 격자생성에 유리함(Hexahedral elements better than tetrahedral elements)

• CFX에서 권장하는 기준에 맞는 고품질의 격자생성이 필요(High mesh quality)

  - Minimum element angle(18도 이상 권장)
  - Volume change (2:1이하 권장)
  - Aspect ratio (1000:1 이하 권장)

  

• CFD를 시도해 볼 수 있는 빠른 격자생성이 필요(Fast mesh generation)

  - 격자생성에 시간이 많이 걸리므로 가능한 자동화된 격자생성(Small manual effort)
  - 가능하면 격자를 수정할 수 있는 기능(Manual modifications should be possible depending on the rotor curvature)

• 시간에 따라 변하는 내부 체적을 따라 가는 격자생성(Change of the flow volume with time)

  - 아래 그림과 같이 시간에 따라 일관되게 전진하는 격자를 이용해야 함.
  즉, 시간에 따라 격자가 smooth하게 변해야 함. (Ensure continuous mesh movement, avoid jumping nodes)

  

사용자에게 필요한 점

• 작동 조건에 따른 효율, 유량변화 등 성능분석 능력: Analyse the impact of changing operation requirements (fluids, flow rate)

• 내유유동특성, 누설유량 및 맥동현상 분석 능력 : Understand machine behavior in detail, leakage and losses, clearance flow and pulsation behavior

• 적절한 시간내에 해석결과를 얻을 수 있는 능력 : Produce fast and reliable answers!

• 키메라격자(Overlapping meshes)

  - 벽면처리, gap분석이 어려움(insufficient wall treatment and gap resolution, large models, sometimes no compressible fluids /multiphase)

• Remeshing

  - solving 중에 격자를 생성하기 때문에 interpolation error가 발생하고 안정성에 문제가 있음.
  Tetra 격자를 사용할 경우 gap 을 모사하기 위해 많은 격자를 사용해야함(too large models, interpolation errors, stability issues)

• Handmade HexGrids

  - 사용자가 직접 필요한 모든 time step의 hexa 격자를 생성하면 해석에는 문제가 없지만, 격자생성에 시간이 많이 소요됨
  (efficient meshes, but too high manual mesh generation effort)

  

• 위와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방법이 TwinMesh를 이용해 고품질의 Hexahedral 격자를 생성하여 ANSYS CFX를 이용하여 해석하는 방법임.

• 아래와 같이 TwinMesh환경에서 고품질의 격자를 생성한 후 자동으로 CFX Pre setup을 완료함.

• Robust한 CFX를 solver와 다양한 해석모델을 이용하여 정밀한 유동분석 및 성능평가가 가능함.

• TwinMesh + ANSYS CFX allow for reliable CFD analysis of rotary pd machines such as:

  - Rotary screw compressors and expanders,
  - Gear pumps, gerotor pumps
  - Lobe pumps and lobe blowers,
  - Progressive cavity pumps,
  - Scroll compressors