복잡한 그리드 생성을 위한 더 많은 유연성 - 다상 유동 모델을 위한 느슨한 결합 인터페이스(Loose Contact Interface)

다중 재료 영역 시뮬레이션에서 표준 인터페이스는 그림 1 왼쪽에 표시된 정합 메쉬 인터페이스입니다. 여기서 첫 번째 영역은 주황색, 두 번째 영역은 파란색으로 표시됩니다. 이 인터페이스는 각 경계 면이 정확히 일치하는 그림자(shadow) 경계 면을 가지므로 열 전달 시뮬레이션에서 매우 높은 정확도를 제공합니다. 두 면은 동일한 면적을 가지며, 인접 영역의 면과 겹치거나 틈이 없습니다. 모든 그림자 경계면은 동일한 경계 영역과 재질 영역에 속합니다. 하지만 이 인터페이스를 사용하는 메쉬 생성은 전체 메쉬를 한 번에 생성해야 하기 때문에 유연성이 떨어집니다.

그림 1 오른쪽에 표시된 느슨한 결합 인터페이스는 이와 매우 다릅니다. 여기서는 한 영역의 경계 면이 여러 개의 그림자 경계 면과 연결될 수 있습니다.  일반적으로 두 영역의 경계 면은 면적이 다르고, 그림자 경계 면은 서로 다른 경계 영역 또는 심지어 서로 다른 재질 영역(그림 1 오른쪽의 녹색 영역)에 속할 수도 있습니다. 이 인터페이스는 팀이나 겹침(interpenetration)을 허용하며, 동일 재질 영역 내의 접촉 인터페이스도 지원합니다.  이러한 메시 구조에서는 열 전달 정확도가 다소 낮을 수 있지만, 각 메시 파트를 독립적으로 생성할 수 있어 메시 생성 과정에서는 매우 높은 유연성을 제공합니다.

CFD 유동 해석기(CFD flow solver) 인터페이스에서 에너지 균형을 계산합니다. 정합 메시와 느슨한 결합 메시 모두 인터페이스 경계 면에서 열유속(heat flux)을 균형 맞추는 방식으로 인터페이스 온도를 계산합니다. 다상 시뮬레이션에서는 예를 들어 오일과 증기 등 서로 다른 상의 열유속뿐만 아니라, 비등(boiling)이나 응축(condensation)으로 인한 상 변화에 따른 열 방출까지 고려해야 합니다. 느슨한 결합 인터페이스는 재질 영역 간의 열 저항을 지원하므로, 인터페이스에서 온도 차이가 발생할 수 있습니다. 이 기능은 다음과 같은 다상 모델에서 구현되어 있습니다:

• 상변화가 없는 일반 다상 유동(대류 열전달만 고려)
• 일반 벽 비등 모델 (General Wall Boiling Model)
• 액침 퀀칭 모델 (Immersion Quenching Model)
• 제트 충돌 모델 (Jet Impingement Model)
• RPI 비등 모델 (RPI Boiling Model)
• 벽 응축 모델 (Wall Condensation Model)

느슨한 결합 인터페이스는 그림 2와 같이 FAME의 메쉬 과정 중에 정의됩니다. FIRE M Solver GUI에서는 별도의 설정이 필요하지 않습니다.

다상의 새로운 느슨한 결합 인터페이스는 일반 벽 비등 모델을 사용한 액침 퀀칭 시뮬레이션에 성공적으로 적용되었습니다. 표준 정합 메쉬 인터페이스를 사용한 해당 예제는 이미 AVL Resource Box에 상세한 설명과 함께 이미 제공되고 있으며, 본 문서는 해당 예제를 약간 수정한 버전입니다. CrMo 스테인리스 스틸 랙에 위치한 네 개의 스틸 기어 오일 담금질이 시뮬레이션되었습니다. 계산 메쉬에는 세 가지 도메인 인터페이스가 있습니다: 기어 - 유체, 랙 - 유체, 기어 - 랙, 모두 느슨한 결합 인터페이스로 연결됨. 기어와 랙의 초기 온도는 900°C이고, 초기 오일 및 공기 온도는 20°C입니다. 메쉬는 정적이며, 액침 과정을 모사하기 위해 초기 6초간 오일이 하단에서 4 cm/s의 속도로 유입되도록 설정하였습니다.

적용된 일반 벽 비등 모델은 막 비등, 전이 및 핵비등 상태 간의 원활한 전환을 제공하는 강력한 모델입니다. 라이덴프로스트 온도와 전이 온도(핵비등 상태에서 전이 비등 상태로의 변화)는 모델 입력값입니다. 오일 담금질과 주어진 초기 온도의 경우 주로 전이 및 핵비등이 발생할 것으로 예측되므로, 라이덴프로스트 온도는 1025 °C로 설정하였으며 이는 시뮬레이션에서 도달하지 않는 값입니다. 열전달은 전이 비등, 핵 비등, 자연대류 구간을 통해 모델링됩니다. 임계 열 유속 계수는 0.3으로 설정되었으며, 전송 온도는 525°C입니다. 일반 벽 비등 모델의 모델 매개변수화에 대한 자세한 내용과 유용한 팁은 사용자 매뉴얼에서 확인할 수 있습니다(2024 R1의 FIRE M 사용자 매뉴얼 섹션 5.5.2.4.7.1 참조). 물리적 시간은 300초였으며, 시뮬레이션은 오일러-오일러 이중 유체(Euler-Eulerian Two-Fluid) 시뮬레이션으로 수행되었습니다.

시뮬레이션 결과는 그림 3에 예시적으로 나와 있습니다. 왼쪽 그림은 기어와 랙의 고체 표면 온도 분포와 10초 후 오일 체적 분율의 등체적을 보여줍니다. 오일 담금질 공정의 초기 단계에서는 기어 옆에 있는 네 개의 상승하는 증기 기둥에서 분명히 볼 수 있듯이 증기 형성이 강합니다. 그림 3의 오른쪽에는 기어(빨간색)와 랙(왼쪽)의 평균 온도 곡선이 표시되어 있습니다. 랙의 열 질량이 더 높기 때문에 냉각 속도가 느립니다. 500°C~600°C 사이의 곡선 기울기에서 작은 변화도 관찰할 수 있습니다. 이것은 전이 비등 상태와 핵비등 상태 사이의 전환입니다. 타임 랩스 모드에서 강철 담금질 공정을 촬영한 영상이 그림 4에 나와 있습니다. 참고로, 온도 색상 막대는 더 나은 설명을 위해 각 시간 단계마다 조정됩니다.

검증을 위해 느슨한 결합 인터페이스를 사용한 시뮬레이션을 표준 적합 메쉬 인터페이스를 사용한 시뮬레이션과 비교했습니다. 운영 지점과 모델이 동일하기 때문에 시뮬레이션 결과가 매우 유사해야 합니다. 그림 5는 기어와 랙의 평균 온도를 비교한 것이고, 그림 6은 200초 후 순간 표면 온도 분포를 비교한 것입니다. 두 시뮬레이션 간에 완벽한 일치성이 있습니다. 일반 벽 비등 모델의 낮은 메쉬 의존성 때문에 결과는 거의 동일하여 구현이 올바르게 작동함을 나타냅니다.

2024년 R1 릴리즈부터 FIRE M에서는 유레리안 다상 유동(Eulerian Multiphase)에 대한 느슨한 결합 인터페이스가 지원됩니다. 이 인터페이스는 다상 유동에서의 모든 종류의 결합 열전송 문제에 적용 가능하며, 열 접촉 저항을 정확히 고려합니다. 느슨한 결합은 적합한 다중 재료 인터페이스의 강력한 대안입니다. 일반 벽 비등, RPI 벽 비등, 액침 담금질, 분사 냉각 담금질 및 벽 응축이 지원됩니다. 일반 벽 비등 모델의 낮은 메쉬 의존성 때문에, 느슨한 결합 도메인 인터페이스와 적합 도메인 인터페이스 간의 시뮬레이션 결과가 매우 잘 일치합니다. FIRE M의 일반 벽 비등 모델은 매끄러운 전송을 통해 모든 관련된 비등 영역을 포괄하는 독특한 벽면 비등 모델입니다.