7.5. Sliding Interface 기법을 사용한 Time-accurate RANS CFD 해석: XV-15 로터
XV-15 틸트로터 항공기는 프로펠러 검증 작업에 일반적으로 사용되는 연구 모델입니다. 아래 논문에서 볼 수 있듯이 이 형상에 대한 광범위한 검증을 이미 수행했습니다. Sliding mesh interface를 사용하여 프로펠러 형태의 형상에 대한 해석 절차에 대해 소개합니다.
- Rotor5: Rotor analysis under 5 hours using ultra-fast and high-fidelity CFD simulation and automatic meshing
- Assessment of Detached Eddy Simulation and Sliding Mesh Interface in Predicting Tiltrotor Performance in Helicopter and Airplane Modes
동일한 형상과 해석 케이스는 이미 Quick Start 1.7 XV-15 Rotor 예제에서 사용되었습니다. 여기서는 Sliding interface 설정에 대한 좀 더 자세한 내용을 다룹니다.
7.5.1 회전 영역과 고정 영역
회전하는 형상에 대한 계산을 수행하려면, 2 개의 해석 영역 블록이 필요합니다. 하나의 블록은 다른 하나의 블록 "내부"에 회전 영역(rotational volume)이며, 다른 하나의 블록은 고정 영역(stationary volume)입니다. 해석 격자 모델은 이와 같이 2 개의 격자 영역으로 각각 만들어야 합니다. 이 두 영역 사이의 경계면은 회전체(구, 원통 등) 형상이어야 합니다.
위 그림에 나타나 있듯이, Sliding interface를 중첩 배치(nested)하여 로터 회전과 함께 블레이드의 피치(cyclic)를 구현할 수 있습니다. 또한 고정된 자유류 영역 내부에 여러 회전 영역을 넣어 여러개의 로터 회전을 동시에 구현할 수 있습니다.
7.5.3 XV-15 해석 설정
본 예제에서 사용한 XV-15 모델의 기하학적 특징은 아래와 같습니다.
- 로터 반경: 150 inch(3.81 m)
- 블레이드 코드: 약 11 inch(0.279 m)
해석에 사용할 격자 파일 및 이와 관련된 격자 설정 JSON은 아래 링크에서 다운로드 받을 수 있습니다.
Attention
다수의 체적 영역이 포함된 경우, 격자 파일의 형식은 CGNS 이어야 합니다.
XV15_Hover_ascent_coarse_v2.cgns 격자에는 아래 내용과 관련 경계 및 zone grid connectivity가 포함되어 있습니다. 자세한 내용은 CGNS Knowledge Base 내용을 참고해 주세요.
farField
<Boundaries>:
farField
<ZoneGridConnectivity>:
innerRotating
innerRotating
<Boundaries>:
blade
<ZoneGridConnectivity>:
farField
7.5.4 Mesh.json 파일 정의
Mesh.json 파일에는 격자 전처리기가 작업을 수행하는데 필요한 정보가 들어 있습니다. noSlipWalls인 경계에 대한 정보를 제공해야 합니다. farField 경계에 대한 추가 정보를 제공할 필요는 없습니다. 이에 관한 정의는 해석 구성 파일 내에서 수행합니다. 체적 격자 구성 파일은 다음과 같습니다.
{
"boundaries" : {
"noSlipWalls" : ["innerRotating/blade"]
}
}
7.5.5 격자 파일 업로드
격자 파일과 이와 관련된 격자 구성 파일을 Web UI 또는 Python API를 통해 업로드 할 수 있습니다.
7.5.6 해석 케이스 구성 파일 정의
격자가 업로드되면 계산을 시작하기 전 마지막 단계는 Flow360에서 해석 케이스를 실행하는데 필요한 모든 정보가 포함된 해석 케이스 구성 파일을 만드는 것 입니다. 여기에 샘플 해석 케이스 구성 파일(JSON)이 제공됩니다.
제공된 해석 케이스에 대해 Flow360 입력 json 파일은 10개 객체를 가지고 있습니다: * "geometry" * "volumeOutput" * "surfaceOutput" * "sliceOutput" * "navierStokesSolver" * "turbulenceModelSolver" * "freestream" * "boundaries" * "volumeZones" * "timeStepping"
위 범주에 대부분은 자명한 것으로, 여기서는 논의하지 않습니다. 자세한 내용은 Solver Configuration 설명을 참고해주세요.
7.5.7 해석 케이스 입력 조건
해석 조건은 다음과 같습니다.
-
Airspeed = 5 m/s
-
Rotation rate = 600 RPM
-
Speed of sound = 340.2 m/s
-
Density = 1.225 kg/m3
-
Alpha = -90°, 공기가 위에서 아래로 유동 (즉, 상승 비행 조건)
기타 주요 고려사항:
- 참조 마하 수(reference Mach number)는 블레이드의 팁 마하 수로 임의로 설정됩니다.
- 해석은 시간 단계 당 3°씩, 총 5회전 하므로, 총 600 시간 단계 동안 해석이 수행됩니다.
XV-15 로터 해석을 위한 해석 설정 파일은 아래와 같습니다. 해석 조건에 제시된 값은 무차원화하여 입력되어야 합니다. 다음 설정 가이드에 상세 내용을 확인하세요.
[Note]
격자에는 존재하지만 케이스 구성에서 생략된 체적 영역은 Flow360에서 고정 유체 영역으로 자동 처리됩니다.
{
"freestream" :
{
"muRef" : 4.29279e-08,
"Mach" : 1.46972e-02,
"MachRef" : 0.70,
"Temperature" : 288.15,
"alphaAngle" : -90.0,
"betaAngle" : 0.0
},
"boundaries" : {
"farField/farField" : { "type" : "Freestream" },
"innerRotating/blade" : { "type" : "NoSlipWall" }
},
"timeStepping" : {
"timeStepSize" : 2.83500e-01,
"physicalSteps" : 600,
"maxPseudoSteps" : 35,
"CFL" : {
"type":"adaptive"
}
},
"volumeZones":{
"innerRotating":{
"referenceFrame":{
"axisOfRotation" : [0,0,-1],
"centerOfRotation" : [0,0,0],
"omegaRadians" : 1.84691e-01
}
}
}
}
7.5.8 해석 케이스 러닝
Quick Start 예제에서 언급했듯이 Web UI 또는 Python API를 사용하여 위에 업로드한 격자와 방금 다운로드한 케이스 구성 JSON 파일을 사용하여 새로운 해석 케이스를 시작합니다. 해석은 5회전을 실행하는데 약 3.5 ~ 4분이 소요됩니다.
비정상 상태 해석 케이스가 잘 수렴된 것으로 간주되려면 각 시간 단계 내에서 잔차 값이 최소 100 배 감소해야 합니다.
힘 그래프는 5회전 이후 안정화 되었습니다.
