Dymaxion.Kim: Open Source CAE Toolchain 8 - CFD with Elmer with Transient

이번에 시도해 본 것은,

Elmer GUI 상에서

Heat Transfer 및 Navier-Stokes Equation을 연성시켜 계산하는

Multi Physics 및 천이(Transient) 현상을 모사 가능한지 확인해 보는 것이다.

사용된 모델링은 아래와 같다.

녹색 부분을 PCB라고 치고, 그 위에 동그라미와 네모로 돌출된 부분을 Heat Source라고 해 준다.

그리고 이 부분을 파낸 형상을 메쉬로 만들어서 케이스 내부 대류 공간으로 삼는다.

케이스 뒤쪽의 큰 동그라미 부분을 Inlet, 앞쪽의 사각형 배열을 Outlet으로 한다.

정확한 경계조건을 주는게 아무래서 서툴다 보니

대략적으로 수렴만 되면 다행이다 싶은 정도의 경계조건으로 주었다.

따라서 실제 물리현상을 제대로 모사한 상태라고는 보기 힘들다.

다만 경계조건을 잘 검토해서 손봐주면 충분히 가능하다는 점을 증명하는데는 충분하리라 생각된다.

난류(Turbulance)는 고려하지 않았다.

k-epsilon 모델 같은걸 쓰려면 k값을 알아야 하는데

이건 물성치도 아니고 그냥 실험값이기 때문에 열유체역학에 정통하지 못한 나로서는

이 수치를 얼마나 줘야 적절한지 감이 아직 전혀 잡히지 않는다.

case.sif 내용은 아래와 같다.







Header
  CHECK KEYWORDS Warn
  Mesh DB "." "."
  Include Path ""
  Results Directory ""
End

Simulation
  Max Output Level = 5
  Coordinate System = Cartesian
  Coordinate Mapping(3) = 1 2 3
  Simulation Type = Transient
  Steady State Max Iterations = 1
  Output Intervals = 1
  Timestepping Method = BDF
  BDF Order = 1
  Timestep intervals = 100
  Timestep Sizes = 0.05
  Solver Input File = case.sif
  Post File = case.ep
End

Constants
  Gravity(4) = 0 -1 0 9.82
  Stefan Boltzmann = 5.67e-08
  Permittivity of Vacuum = 8.8542e-12
  Boltzmann Constant = 1.3807e-23
  Unit Charge = 1.602e-19
End

Body 1
  Target Bodies(1) = 1
  Name = "Body 1"
  Equation = 1
  Material = 1
End

Solver 2
  Equation = Heat Equation
  Procedure = "HeatSolve" "HeatSolver"
  Variable = Temperature
  Exec Solver = Always
  Stabilize = True
  Bubbles = False
  Lumped Mass Matrix = False
  Optimize Bandwidth = True
  Steady State Convergence Tolerance = 1.0e-5
  Nonlinear System Convergence Tolerance = 1.0e-7
  Nonlinear System Max Iterations = 20
  Nonlinear System Newton After Iterations = 3
  Nonlinear System Newton After Tolerance = 1.0e-3
  Nonlinear System Relaxation Factor = 1
  Linear System Solver = Iterative
  Linear System Iterative Method = BiCGStab
  Linear System Max Iterations = 500
  Linear System Convergence Tolerance = 1.0e-10
  BiCGstabl polynomial degree = 2
  Linear System Preconditioning = Diagonal
  Linear System ILUT Tolerance = 1.0e-3
  Linear System Abort Not Converged = False
  Linear System Residual Output = 1
  Linear System Precondition Recompute = 1
End

Solver 1
  Equation = Navier-Stokes
  Procedure = "FlowSolve" "FlowSolver"
  Variable = Flow Solution[Velocity:3 Pressure:1]
  Exec Solver = Always
  Stabilize = True
  Bubbles = False
  Lumped Mass Matrix = False
  Optimize Bandwidth = True
  Steady State Convergence Tolerance = 1.0e-5
  Nonlinear System Convergence Tolerance = 1.0e-7
  Nonlinear System Max Iterations = 20
  Nonlinear System Newton After Iterations = 3
  Nonlinear System Newton After Tolerance = 1.0e-3
  Nonlinear System Relaxation Factor = 1
  Linear System Solver = Iterative
  Linear System Iterative Method = BiCGStab
  Linear System Max Iterations = 500
  Linear System Convergence Tolerance = 1.0e-10
  BiCGstabl polynomial degree = 2
  Linear System Preconditioning = Diagonal
  Linear System ILUT Tolerance = 1.0e-3
  Linear System Abort Not Converged = False
  Linear System Residual Output = 1
  Linear System Precondition Recompute = 1
End

Equation 1
  Name = "Equation 1"
  Convection = Computed
  Active Solvers(2) = 2 1
End

Material 1
  Name = "Air (room temperature)"
  Heat Conductivity = 0.0257
  Heat Capacity = 1005.0
  Density = 1.205
  Relative Permittivity = 1.00059
  Viscosity = 1.983e-5
  Sound speed = 343.0
  Heat expansion Coefficient = 3.43e-3
End

Boundary Condition 1
  Target Boundaries(28) = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 
  Name = "walls"
  Noslip wall BC = True
  Temperature = 293
End

Boundary Condition 2
  Target Boundaries(1) = 10 
  Name = "inlet"
  Velocity 3 = -0.01
  Temperature = 293
End

Boundary Condition 3
  Target Boundaries(5) = 15 16 17 18 19 
  Name = "outlet"
  External Pressure = 0
End

Boundary Condition 4
  Target Boundaries(1) = 40 
  Name = "pcb"
  Noslip wall BC = True
End

Boundary Condition 5
  Target Boundaries(13) = 35 36 37 38 39 41 42 43 44 45 46 47 48 
  Name = "heat_source"
  Noslip wall BC = True
  Temperature = 333
End

Solver 3
  Exec Solver = after timestep
  Equation = "result output"
  Procedure = "ResultOutputSolve" "ResultOutputSolver"
  Output File Name = "case"
  Output Format = String "vtu"
  Binary Output = True
  Single Precision = True
  Save Geometry Ids = True
End