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ANSYS CFX는 CFX-4와 CFX-TASCFlow를 기반으로 발전한 CFD(computational Fluid Dynamics)해석 코드이다. CFX의 앞선 해석기법과 ANSYS의 편리한 workbench 환경이 결합하여 GUI환경에서 작업하기 편하며, 빠르고 정확한 해석결과를 제공하는 강력한 CFD tool로 새롭게 개발되었다.
CFX는 ANSYS의 Workbench환경에서 CAD부터 Post까지의 모든 해석과정이 이루어진다. ANSYS DesignModeler를 이용하여 CAD software에서 작성된 형상을 import하거나, 직접 형상을 구현할 수 있으며, Workbench Meshing Application을 이용하여 간편하게 격자를 생성할 수 있다. 완벽한 GUI환경과 physics setup guide를 제공하는 CFX-Pre, robust하고 빠른 해석결과를 제공하는 AMG pressure-based coupled solver, 데이터 추출 및 그래픽처리뿐만 아니라 동영상 생성과 3-D 그래픽이미지를 제공하는 CFX-Post를 이용하여 처음 사용하는 유저도 정확한 해석결과를 손쉽게 얻을 수 있다.
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 Pre-Processor : Geometry |
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DesignModeler
ANSYS DesignModeler는 geometry생성에 편리한 여러가지 CAD 기능을 제공하는 한편, 이미 다른 CAD software에서 생성된 여러 format의 data를 import 하는 기능을 제공한다. DesignModeler는 3D CAD tool에 버금가는 CAD 기능 외에 import 된 CAD model을 수정하여 CFD에 적합한 형상을 생성하는 기능을 제공한다 |
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| Pre-Processor : Workbench Meshing for ANSYS CFX |
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ANSYS에서 version 11부터 새롭게 선보이고 있는 Workbench-based Meshing Application은 기존 구조해석분야의 ANSYS meshing과 CFX 자체의 CFX Mesh, 그리고 ICEM CFD의 Meshing 기법을 종합하여 간단하고 편리하게 만든 새로운 Meshing 환경이다.
 ANSYS 의 sweep or extruded meshing 기능
: Hexa-dominant meshing (prism or hexahedral elements)
CFX Mesh의 advancing front with inflation (AFI) meshing technology
: 경계층해석을 위한 inflation mesh (혹은 prism mesh) 생성
: Tetra mesh의 parallel processing 처리로 큰 문제를 위한 빠른 격자 생성 기능
ICEM CFD의 patch-independent meshing 기능들을 단순화 통합화하였다.
Advancing Front with Inflation Meshing
CFX-Mesh AFI는 CFX 고유의 격자생성 software로 배우기 쉽고 quality가 좋은 Hybrid격자를 쉽게 생성할 수 있다. 기존에 Workbench환경에서 독립적으로 사용되던 CFX mesh는 Workbench Meshing Application이 출시되면서 통합환경 내에서 구동되도록 바뀌었으며, 간단한 interface로 격자생성의 자동화에 유리하다. 이를 이용하여 CFX의 특화된 분야인 유체기계해석에서 BladeModeler와 연계하여 click 한번으로 blade에 대한 격자생성이 완료되도록 구성되어 있다. CFX Mesh는 AMSYS의 CAD tool인 DesignModeler와 밀접하게 연계되어 구동되는 것 외에 다른 CAD Software에서 생성된 CAD 데이터로부터 작업이 가능하므로 사용자가 보유하고 있는 다양한 CAD tool의 장점을 활용할 수 있다.
Virtual Edge/Surface Capability
대부분의 CAD에서 작성된 형상은 surface나 edge를 격자를 만드는데 필요한 것보다 필요이상으로 많이 묘사하고 있다. 그러므로, 복잡한 surface나 edge를 가지고 있는 CAD data를 그대로 이용할 경우 필요 이상으로 격자의 조밀도가 높아지거나, CAD surface가 이상할 경우 surface 격자의 quality도 저하되는 원인이 된다. 복잡한 CAD data를 CFX Mesh에서 처리해 주는 기능으로 Virtual topology 기능이 제공되고 있다. Virtual topology기능은 여러 개의 surface를 묶어 하나의 가상적인 깨끗한 surface를 만들어 주거나, 여러 개의 edge를 합쳐 하나의 edge로 만들어 주어 격자가 쓸데없이 조밀해지는 것을 방지하고, 깨끗한 virtual surface에서 surface 격자가 생성되어 격자의 quality도 높일 수 있는 기능이다. 이 기능도 자동화되어 click 한번으로 설정된 수준으로 surface들이 합쳐져서 virtual topology를 구성할 수 있으며, 필요한 경우 사용자가 직접 virtual topology를 구성할 수도 있다.
Automatically generated virtual topology is used to generate surface mesh |
Prismatic inflation
유동해석에서 벽면 근처의 급격하게 변하는 속도와 난류구배를 해석하는 것이 정확도에 큰 영향을 미치며, hexa격자의 경우 벽쪽에 조밀하게 격자를 분포시켜 벽근처해석의 정밀도를 높이고 있다. 반면, Tetra의 경우 벽면의 삼각형(triangle)격자를 유동영역으로 extrude하여 prism격자를 생성하여 이 문제를 해결하고 있다. CFX-Mesh에서는 특히, prism mesh를 생성하는 inflation 기법이 뛰어나며 AFI도 Advancing Front & Inflation의 약자로 prism mesh를 생성하는 inflation 기능의 강점을 강조하고 있다. CFX-Mesh의 inflation생성방법은 여러 가지 기법을 제공하고 있으며, 특히 reference length와 Reynolds number, y+를 설정해 주면 initial mesh의 크기가 y+에 따라 생성되는 기능을 제공한다. |
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| Pre-Processor : CFX-Pre - Physics Preprocessor |
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해석 모델에 대한 격자가 생성되면 문제를 setup하여야 하며 이때 CFX-Pre를 이용한다. CFX-Pre는 ANSYS, FLUENT, Gridgen 이외에 여러 format의 mesh를 읽어서 setup작업을 수행할 수 있다. 또한 읽어 들인 격자를 이동하거나 확대/축소하여 격자에 대한 수정작업을 할 수 있으며, 격자생성시에 설정되어 있지 않은 2D region을 설정하기 위해 격자면들을 선택하여 새로운 region을 생성할 수 있다.
CFX-Pre는 완벽한 graphic GUI환경을 제공하며 setup 과정을 쉽게 진행할 수 있는 여러 기능을 제공하고 있다. Tree 구조인 Object selector를 통해 반드시 setup해야 할 key step을 확인할 수 있으며, setup 과정에서 문제가 되는 error를 색깔로 구분하여 나타내며 자세한 내용은 message panel에 나타낸다. 이 error message를 double click하면 에러에 해당되는 부분으로 이동하여 쉽게 수정할 수 있다. 이와 같이 setup을 쉽게 할 수 있도록 구성되어 있으나, 비슷한 내용을 여러 번 setup하는 수고로움을 줄이기 위해 기존에 setup된 내용을 def, res 파일 등으로부터 읽어 약간의 수정을 통해 새로운 def 파일을 만들 수 있으므로 setup시간을 크게 단축할 수 있다.
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| ANSYS CFX을 초보적인 User도 사용하기 편하도록 쉽고 편한 GUI환경을 제공한다. ?또한, ANSYS CFX의 가장 강력한 기능은 안정적이고 빠른 solver의 제공이다. Robust하고accuracy가 높은 결과를 제공하는 solver의 기능에 만족하게 될 것이다. |
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ANSYS CFX software’s advanced CFD solver technology : 안정적이고 정확한 해석결과를 제공하는 coupled multigrid solver와 2nd order의 정확도를 제공하는 high resolution advection scheme을 default로 사용한다. |
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parallel efficiency : User의 computer resource를 최대한 사용할 수 있는 병렬계산기능을 제공한다. |
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physical models : 광범위하고 다양한 해석 모델을 제공한다. |
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flexibility of ANSYS CFX |
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| Solver : Advanced Solver Technology |
| The ANSYS CFX Solver |
ANSYS CFX의 핵심은 pressure-based coupled algebraic multigrid solver이다. 이 solver는 수렴성이 뛰어나며, CFD를 해석하기 위한 선형방정식의 정확한 해를 빠르게 구할 수 있다.
ANSYS CFX multigrid 기법은 CFX에서 20년 전부터 개발하여 사용되어 다양한 simulation에 적용되어온 기법으로 다음과 같은 장점을 갖는다. |
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Fully automatic and requires no user input |
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Fully scalable achieving linear increase in CPU time with problem size |
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Insensitive to mesh aspect ratio so it reliably converges even with high refinement of boundary layer |
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Representative of true physics |
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Easy to set up in both serial and parallel |
 ANSYS CFX: Fast, Reliable, Robust, Accurate Numerics |
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| The Coupled Multi-Grid Solver |
Navier-Stokes equations을 빠르고 신뢰성있게 푸는 것이 CFD해석에서 가장 중요하다. ANSYS CFX는 coupled multigrid의 탁월한 해석기법을 제공하고 있다.
ANSYS CFX solver는 강력하고 효율적인 CFD engine이며, 지속적으로 평가되고 향상되어왔다. 안정적인 solver를 바탕으로 다상유동, 화학 반응과 같은 복잡한 유동현상에 대해 해석이 가능하다. Coupled multigrid solver를 사용함으로써 격자가 많은 문제에 대해서도 해석시간이 크게 감소한다. |
When combined with CFX’s outstanding parallelization capability,
the speed at which multiphase flows now can be solved is revolutionary. |
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Coupled Solution |
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ANSYS CFX 는 기존의 segregated 방식과 다르게 full hydrodynamic system 을 동시에 풀기 때문에 안정적이고 신뢰성있는 해석결과를 매우 적은 iteration으로 얻을 수 있으므로 수렴이 빠르다.
coupled solver는 특히 inter-equation coupling이 현저한 유동인rotating flow with strong Coriolis terms, combusting flows , high-speed flow with strong pressure gradients의 경우에 강력한 성능을 발휘한다.
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Multigrid: Performance in Fine Grids |
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ANSYS CFX solver의 또 하나의 중요한 특징은 multigrid 기법의 사용이다. Coupled solver가 local effect에 효과적이고, multigrid solver는 'long wavelength' effect에 효과적이므로 두 기법을 동시에 사용하여 수렴성과 빠른 해석을 보장할 수 있다. Multigrid는 fine한 격자로부터 여러 단계의 coarse한 격자를 생성한 후 coarse 한 격자의 해석결과를 fine한 격자에서 이용하여 수렴을 가속하여 해석시간을 단축하는 기법이다.
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Advanced Numerics |
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ANSYS CFX는 Upwind Scheme의 사용에 있어서 default로 2nd order advection scheme를 사용하면서 안정적으로 solver가 작동하도록 하였으므로 정확한 해석결과를 얻을 수 있다. ANSYS CFX 의 default인 “high-resolution” 기법은 local 유동에 따라 가능한 Second-Order에 가깝게 advection scheme을 적용하면서, boundedness 를 만족하게 하므로 CFX의 모든 physics와 격자에 상관없이 second-order 의 해석결과를 제공한다.
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| Parallel Efficiency |
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ANSYS CFX Solver는 fully parallel화 되어있으므로 모든 physics와 mesh에 대해 parallel계산을 수행할 수 있다. 모든 single- or multiple-CPU or networked UNIX workstations and Windows NT machines, including mixed UNIX/Windows NT clusters에 대해 parallel을 수행할 수 있으며, 각각의 CPU에 적합하게 자동으로 문제를 분할하여 parallel계산이 진행된다.
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| Solver: Models |
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| ANSYS CFX는 다양한 산업분야의 유동해석에 적합한 Physical model을 제공하고 있다. CFX는 다양한 physical model을 서로 같이 사용하는데 제한이 없으므로, 복잡한 물리현상을 모델링 하는데 적합하며, 모든 격자 type을 사용하여 해석가능하다. 또한, 모든 모델이 GGI, coupled multigrid solver, High resolution scheme 등 CFX가 강점을 가지는 기능을 사용하여 해석하므로 안정적이고 정확한 해석결과를 제공한다. |
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| Multiphase Flows |
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CFX는 pressure-based coupled solver로 모든 문제를 해석한다. 다상유동의 경우에도 coupled solver로 해석하므로 coupled solver의 빠르고 안정적인 해석능력의 장점이 발휘된다. 특히, 다상유동의 경우 상과 상간의 inter-phase coupling이 중요한데 CFX의 coupled solver는 모든 상의 matrix가 coupled되어 해석되므로 근본적으로 상과 상간의 coupling을 반영할 수 있다. CFX에서 free surface와 bubbly flow, Phase change와 같은 다상유동을 해석하는 Eulerian-Eulerian 모델과 cyclone 등 입자추적에 사용되는 particle tracking model인 Eulerian-Lagrangian 모델을 제공하며, CFX의 출발점이 원자력의 다상유동분야이므로 다른 소프트웨어에 비해 multiphase flow의 해석에 강점을 가지고 있다.
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| Bubbly flows |
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bubbly flow는 액체 안에 기체 bubble이 분포하여 움직이는 유동으로 기체 bubble의 크기분포가 중요하다. bubble은 서로 합쳐지거나 깨져서 크기의 분포가 변하게 되는데, CFX에서 제공하는 MUSIG(Multiple Size Group)은 bubble의 break-up 과 coalescence 현상에 대한 해석을 효율적으로 수행할 수 있다. 이 모델은 bubble size분포를 정확히 예측할 수 있으므로, 특히gas lift reactors 나 contact tanks와 같이 bubble 크기에 따른 interfacial area가 중요한 문제에 꼭 필요한 모델이다.
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| Free surface flows |
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Sloshing 또는 filling 등의 문제를 해석하기 위해서 free surface해석기능이 사용된다. CFX는 해석을 수행할 때 default로 higher-order differencing scheme(High resolution scheme)을 사용하며, 이는 volume fraction의diffusion을 크게 감소시켜 free surface의 계면을 정확하게 예측하는데 중요한 역할을 한다. 이에 더해 CFX는 free surface의 diffusion 을 더 억제하기 위해 compressive scheme을 volume fraction방정식에 사용하므로, free surface를 좀 더 정확하게 예측할 수 있다.
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SIMULATION APPLIED TO PELTON TURBINES
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| Discrete Particle Transport |
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입자나 bubble의 분포보다 궤적의 추적이 중요한 경우 Particle transport model을 사용한다. ANSYS CFX의 particle-transport model은 particle의 궤적, erosion, age, diameter, temperature, 수분함량 등의 해석결과를 제공한다. 연소문제의 경우 coal이나 oil droplet의 궤적추적뿐 아니라 연소물질의 증발, 남아있는 char의 산화와 연소에 대한 해석기능이 제공된다. 비슷한 응용으로 spray된 물 미립자의 증발 등의 해석으로 화재진화에 사용되는 fire suppression 해석을 수행할 수 있다.
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| Rising or settling small particles or bubbles |
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작은 bubble이나 입자의 경우 주위 유체의 유동에 빠르게 적응하여 거의 같은 속도로 움직이거나, 어느 정도의 미끄럼 속도를 가지고 움직이는 경우가 있다. 대표적인 예로tundishe에서의 bubble의 유동이나 정수장에서의 입자의 침전 등을 해석하는데 이와 같은 가정을 통한 모델링 할 수 있으며, CFX의 Algebraic Slip Model(ASM)이 적합한 모델이다. ASM은 여러 상을 해석하는 것이 아니라 입자나 bubble을 유체안의 species로 보고 mass fraction에 대한transport equation 만을 해석하므로 다상유동해석보다 효율적이고 빠른 해석을 할 수 있다.
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| Interphase Mass Transfer |
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| ANSYS CFX는 상과 상간에 Interphase Mass Transfer을 해석할 수 있는 모델로 ?cavitation, condensation, evaporation, boiling 등의 해석을 수행할 수 있다. |
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| Heat Transfer |
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유체만의 열전달을 해석하기 위해서 에너지 방정식을 추가로 해석하며, 또한, 발전소등에 사용되는Pre-heaters, economizers, inter-coolers, 터빈 날개의 cooling, 자동차의 엔진블럭과 실린더헤드 등의 열전달 해석을 위해서는 유체와 고체사이의 열전달을 해석하는 CHT(conjugate heat transfer) 기능이 적용된다. 보통 고체의 구조해석이나 열전달해석에는 유체에서 사용하는 것보다 격자를 성기게 사용하므로 유체와 고체의 interface는 격자의 node점이 일치하지 않게 된다. ANSYS CFX는 이와 같은 mismatched 격자를 GGI기능을 이용하여 처리한다.
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| Radiation |
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화재, burner, furnace, solar heating 등은 일반적인 대류나 전도에 의한 열전달외에 복사에 의한 열전달을 고려해 주어야 하며 이때CFX-Radiation 기능이 사용된다.
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| Rosseland Model |
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Rosseland approximation 방법은 radiation에너지를 통과하는 매질이 radiation 에너지를 매우 빨리 흡수하여(optically thick) radiation energy의 수송방정식을 해석할 필요가 없는 경우에 사용된다. Rosseland approximation 은 추가적인 방정식을 계산할 필요없이 온도에 크게 의존하는 확산계수를 가지는 새로운 확산항을 본래의 에너지 방정식에 추가한 것으로 계산시간이 증가하지 않는 등의 이점이 있으나, optically thick한 medium에만 적용이 가능한 제한된 모델이다.
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| P-1 Model |
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Differential Approximation 또는 P1 모델(also known as Gibb’s model or Spherical Harmonics)은 보통 연소가스 medium에 대한 복사를 계산하는데 많이 사용되는 모델로 복사의 강도가 등방성이고 방향에 영향을 받지 않는다는 가정으로 RTE를 단순화 한 모델이다.
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| Monte Carlo Model |
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Monte Carlo 모델은 복사 강도가 각도에 따른 광자의 흐름에 비례한다는 가정으로 복사에너지를 전달하는 photon의 움직임에 대한 history를 추적하는 방식이다. 이때 모든 photon에 대한 평가를 할 수 없으므로, 전체 photon의 flux를 반영하는 random하게 선택된 일정 양의 photon의history를 추적하여 복사에너지를 통계학적으로 평가하므로, 해석결과의 정확도는 계산된 photon의 history가 많을수록 증가한다.
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| Discrete Transfer Model |
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| Radiation field가 계산영역에서 homogeneous 한 경우 Discrete Transfer method 를 사용할 수 있다. 이 방법은 P1등의 flux type방법과Monte Carlo 방법의 혼합된 방식으로 처음 결정된 ray tracing을 계속 사용하므로, 매번 photon의 궤적을 새로 추적하는 Monte Carlo보다 계산 속도가 빠르다. |
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| Rotating Machinery |
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CFX solver는 20여 년간 유체기계해석에 사용되어 왔으며pumps, compressors, fans, turbines, propellers, impellers, diffusers, stators, vanes 등 대부분의 유체기계에 적용되어 검증되었다. Rotor-Stator와 같이 회전하는 부분과 회전하지 않는 부분이 같이 포함된 유체기계해석에 필요한 multiple frames of reference 기능, 일반적으로 rotor의 개수와 stator의 개수가 정수배로 맞지 않기 때문에 발생하는 pitch차를 고려해 주는 pitch change기능, 수치적인 에러로 발생되는 false swirl을 방지하는 alternate rotation model, rotor-stator 간의 interaction 을 고려해주는 방법으로 steady 계산에서 적용되는 stage, frozen-rotor기능, transient 계산에서 rotor의 회전이 고려되는 transient rotor-stator interface 기능 등이 제공된다.
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| 유체기계 해석을 위해 오랫동안 개발되어온 CFX는 날개의 형상생성에 BladeModeler, 격자생성에 TurboGrid 등의 special module을 사용할 수 있는 외에 setup과 post에도 Turbo-Pre와 Turbo-Post의 기능을 제공한다. 이와 같은 유체기계에 특화된 기능을 이용하여 형상생성부터 보고서작성까지 쉽고 정확한 해석을 수행할 수 있으며, 유체기계해석에서는 타의 추종을 불허하는 성능을 발휘한다. |
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| Combustion |
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ANSYS CFX의 coupled solver는 연소에 사용되는 모든 species를 하나의 coupled system에서 해석하므로 특히 복잡한 반응해석에서 수렴이 빠르다. 주로 사용되는 반응식과 species에 대한 database를 제공하며 이를 이용하여 user가 사용하고자 하는 독자적인 library를 생성하여 사용할 수 있다. Ignition, extinction 모델과 flamelet , flamefront (flamespeed) 연소모델을 제공하며, CFX에서 사용하는 flamelet library 생성기인 CFX-RIF를 이용하여 user customized 된 flamelet library를 사용할 수 있으므로 수백개의species에 대한 수송방정식을 풀지 않고도 복잡한 반응에 대한 해석결과를 얻을 수 있다.
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| Turbulence |
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ANSYS CFX는 16개 이상의 난류모델을 제공하고 있으며, user가 정확하고 안정적인 결과를 얻을 수 있도록 여러 기법을 default로 제공하고 있다. 주로 사용되는 모델인 standard k-ε model외에 Second Moment Closure (SMC : Reynolds Stress model), Detached Eddy Simulation (DES) , Large-Eddy-Simulation (LES) 모델을 사용할 수 있다. CFX에서 개발에 중점을 두고 권장하는 SST 모델은 2-방정식 모델로 계산시간이 k-ε model과 비슷한 정도이지만 separation, natural convection, heat transfer 등의 예측에서 standard k-ε model보다 뛰어난 안정성과 정확도를 제공한다.
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ANSYS CFX 는 상용코드로는 최초로 laminar에서turbulence로 천이되는 현상을 해석할 수 있는 transition model을 개발하여 탑재하여, 층류에서 난류로 천이되는 transition location을 해석에 의해 자동으로 결정해 준다. 층류는 난류에 비해 표면에서의 저항계수가 작으므로 층류영역과 난류영역을 정확히 해석하는 것은 turbomachinery, aerospace, marine, automotive 등의 항력과 효율 등을 평가하는데 중요하다. 또한, transition은 유체기계나 항공기의 날개에서 발생하는 separation에 영향을 미치므로 실속 등을 정확히 예측에 도움을 준다.
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| Moving Mesh |
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격자의 moving과 deforming을 고려한 해석을 수행하는 방법으로, 벽면에서의 격자움직임을 모사하고 내부 격자의 변형은 자동으로 고려되는 방법과 내부 격자점의 움직임도 모두 모사하는 방법을 사용할 수 있다. 이를 이용하여 screw compressors, gear pumps, blood pumps, internal combustion engines 등의 해석을 수행할 수 있다.
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| A moving mesh example that dynamically calculates the effect of closing a butterfly valve.
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| Post-Processor |
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ANSYS CFX post-processor는 user가 사용하기 편리한 graphic GUI환경을 제공하며, contour, vector등 정성적인 평가를 위한 그래픽기능과 정량적인 평가를 위해 user가 데이터를 뽑아내기 편리한 여러 기능을 제공하고 있다. 또한, session파일을 이용하여 batch작업을 수행할 수 있으므로, 반복적인 후처리 작업을 자동화하여 작업시간을 단축할 수 있다.
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ANSYS CFX post-processing은 user가 icon을 보고 직관적으로 기능을 알 수 있을 정도로 graphic GUI환경이 완성되어 있다. Iso-surfaces, planes, vectors, surface plots , streamlines 등의 기능 및 계산영역에 새로운 region을 자유롭게 생성하여 그림을 그리거나 데이터를 추출하기 용이하며, 그래프를 그리기 위한chart 및 동영상 제작을 위한 animation 기능을 제공한다. 정량적인 비교를 위해 추출된 데이터는 csv 포맷으로 저장되어 엑셀에서 바로 읽어 데이터처리가 가능하다.
또한, 유체기계 분야에서 강점을 가지는 CFX는 Turbo-Post mode를 제공함으로써 blade-to-blade view, meridional view, blade loading chart 등 유체기계의 후처리에 적합한 기능을 제공한다. 또한 보고서 작성에 도움이 되도록 해석결과를 report로 작성해 주며, CFX에서 제공하는 정형화된 report template을 이용하여 charts, tables, figures 등 바로 제출해도 손색이 없을 정도의 보고서를 자동으로 작성해 준다.
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| Animation Output |
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Monte Carlo 모델은 복사 강도가 각도에 따른 광자의 흐름에 비례한다는 가정으로 복사에너지를 전달하는 photon의 움직임에 대한 history를 추적하는 방식이다. 이때 모든 photon에 대한 평가를 할 수 없으므로, 전체 photon의 flux를 반영하는 random하게 선택된 일정 양의 photon의history를 추적하여 복사에너지를 통계학적으로 평가하므로, 해석결과의 정확도는 계산된 photon의 history가 많을수록 증가한다.
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