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[Ansys Rocky Vol19] Ansys Rocky DEM-CFD Coupling
DEM(Discrete Element Method)은 입자와 입자 경계 사이의 상호 작용을 시뮬레이션 하는데 사용되는 수치 기법으로 현재 광업, 농업, 제약, 석유, 공정 등 다양한 분야에서 활용되어지고 있습니다.
Rocky DEM-CFD Coupling이란?
DEM - CFD Coupling이란 입자와 유체의 움직임을 동시에 해석하는 방법으로 공장이나 산업 현장을 보면 수많은 입자(Particle)와 유체(Fluid)가 서로 영향을 주고받는 상황을 쉽게 찾아볼 수 있습니다.
예를 들어,
공기 중에서 입자가 날아가는 현상
바람에 의해 모래나 분말이 이동하는 현상
유동층 반응기에서 공기가 입자를 띄우는 현상
배관 내부에서 분말과 공기가 함께 이동하는 현상
믹서 내부에서 입자와 유체가 섞이는 현상
입자와 유체 사이에서 발생하는 열전달
등이 있습니다. 이런 문제를 컴퓨터로 해석하려면 한 가지 방법 만으로는 부족한 경우가 많습니다.
여기서 등장하는 것이 바로 DEM-CFD Coupling이다. 쉽게 말하면, Rocky가 입자의 움직임을 계산하고, CFD가 유체의 움직임을 계산한 다음, 두 프로그램이 서로 정보를 주고받도록 연결하는 것 이라고 이해하면 됩니다.
1. 먼저 Rocky와 CFD가 무엇인지 알아보자
DEM-CFD Coupling을 이해하려면 먼저 DEM과 CFD가 각각 무엇을 하는지 알아야 합니다.
DEM이란?
DEM은 Discrete Element Method, 즉 개별 요소법입니다.
쉽게 말해서 "입자를 하나하나 따로 계산하는 방법" 입니다.
예를 들어 수천 개의 구슬이 있다고 생각해 봅시다.
DEM에서는 각각의 구슬에 대해
어디에 있는지
얼마나 빠르게 움직이는지
어느 방향으로 회전하는지
다른 입자와 부딪혔는지
벽과 충돌했는지
등을 계산합니다. Ansys Rocky는 이러한 입자의 움직임을 계산하는 대표적인 DEM 프로그램입니다. 따라서 Rocky는 다음과 같은 질문에 강합니다.
"이 입자는 어디로 움직일까?" "입자끼리 부딪히면 어떻게 될까?" "입자가 벽에 부딪히면 어떻게 튕겨 나갈까?"
2. 그렇다면 CFD는 무엇을 하는가?
CFD는 Computational Fluid Dynamics, 즉 전산유체역학입니다.
쉽게 표현하면,
"공기나 물 같은 유체가 어떻게 움직이는지 컴퓨터로 계산하는 방법" 입니다.
예를 들어 파이프 안으로 공기가 들어간다고 생각해 보겠습니다.
CFD는 파이프 내부에서
공기가 어느 방향으로 움직이는지
속도가 얼마나 되는지
압력이 어떻게 변하는지
온도가 어떻게 변하는지
등을 계산합니다.
Ansys Fluent가 대표적인 CFD 프로그램입니다.
즉,
Rocky → 입자
Fluent → 유체 라고 기억하면 가장 쉽습니다.
3. 그런데 왜 두 개를 연결해야 할까?
여기서 중요한 질문이 하나 생깁니다.
"Rocky와 Fluent를 각각 사용하면 안 되는 것일까?" 물론 각각 사용할 수도 있습니다.
하지만 현실에서는 입자와 유체가 서로 영향을 주고받는 경우가 많습니다. 예를 들어 공기가 위쪽으로 흐르고 있다고 생각해 봅시다. 그 안에 작은 입자를 넣으면 어떻게 될까요? 공기가 입자를 밀어 올립니다.
즉, 공기 → 입자에 영향 이 발생합니다. 그런데 입자가 아주 많아지면 상황이 달라집니다. 수많은 입자가 공기의 흐름을 방해하기 시작합니다. 그러면 이번에는 입자 → 공기에 영향 도 발생합니다.
결국, 공기가 입자에게 영향을 주고 입자도 다시 공기에 영향을 줍니다. 이것이 바로 CFD-DEM Coupling이 필요한 이유입니다.
4. 아주 간단한 예를 들어보자
투명한 관 안에서 공기가 위쪽으로 흐르고 있다고 생각해 봅시다. 그리고 관 안에 작은 플라스틱 입자를 넣습니다. 공기가 위쪽으로 흐르면서 입자를 밀어 올립니다. 이때 Rocky만 사용하면 입자의 움직임은 계산할 수 있지만, 공기의 흐름을 정교하게 계산하기 어렵습니다. 반대로 Fluent만 사용하면 공기의 흐름은 계산할 수 있지만, 수많은 개별 입자가 서로 부딪히고 회전하는 현상을 자세하게 표현하기 어렵습니다.
그래서 두 프로그램을 연결합니다.
Fluent : 공기의 속도와 압력 등을 계산합니다.
↓
Rocky : 그 공기 속에서 입자가 어떻게 움직이는지 계산합니다.
↓
Rocky → Fluent : 입자가 유체에 얼마나 영향을 주는지 전달합니다.
↓
Fluent : 입자의 영향을 반영해서 공기의 흐름을 다시 계산합니다.
↓
다시 Rocky로 전달
이 과정을 반복합니다.
5. 이것이 바로 DEM-CFD Coupling이다
조금 더 쉽게 그림으로 표현하면 다음과 같습니다.
Fluent : 여기 공기가 이 정도 속도로 흐르고 있어.
↓
Rocky : 그렇다면 입자는 이 방향으로 움직일게.
↓
Rocky : 그런데 입자가 너무 많아서 공기의 흐름을 방해하고 있어.
↓
Fluent : 알겠어. 그러면 입자의 영향을 반영해서 유체 흐름을 다시 계산할게.
↓
Rocky : 새로운 유체 흐름을 반영해서 입자의 움직임을 다시 계산할게.
이러한 정보 교환을 반복하면서 전체 시스템의 움직임을 계산하는 것이 DEM-CFD Coupling의 핵심입니다. 실제로 Rocky의 2-Way coupling에서는 유체의 물성, 속도, 압력, 온도 등의 정보와 입자의 상호작용 힘, 열전달량, 입자 속도, 입자 체적분율 등의 정보가 서로 교환됩니다.
6. 1-Way Coupling과 2-Way Coupling
Rocky의 CFD Coupling을 이야기할 때 가장 많이 듣게 되는 용어가 있습니다.
바로 1-Way Coupling 과 2-Way Coupling 입니다. 이름 그대로 생각하면 어렵지 않습니다.
6-1. 1-Way Coupling
1-Way Coupling은 말 그대로 한쪽 방향으로만 영향을 전달하는 방법 입니다. 예를 들어 공기가 입자에 영향을 준다고 생각해 봅시다. 공기 → 입자는 고려하지만, 입자 → 공기는 고려하지 않습니다.
즉, Fluent → Rocky 방향으로 정보가 전달됩니다.
예를 들어 공기 중에 입자가 아주 조금만 존재한다면 입자가 공기의 흐름에 미치는 영향은 작을 수 있습니다. 이런 경우에는 굳이 복잡한 2-Way Coupling을 사용할 필요가 없습니다. ANSYS 역시 입자 농도가 낮고 입자가 유체에 미치는 영향이 무시할 수 있는 경우 1-Way Coupling을 사용할 수 있다고 설명합니다.
예를 들어 바람이 부는 공간에 가벼운 입자가 몇 개 날아가는 상황을 생각해 봅시다.바람은 입자의 움직임에 큰 영향을 주지만, 입자 몇 개가 바람의 흐름을 바꾸지는 않습니다. 이 경우에는 바람 → 입만 계산해도 충분할 수 있습니다.
6-2. 2-Way Coupling
반대로 2-Way Coupling은 서로 영향을 주고받는 방식입니다. 즉, Fluent ↔ Rocky 입니다. 공기가 입자를 밀어 움직이게 하고, 동시에 입자들이 공기의 흐름을 방해합니다. 따라서 계산 과정에서 계속해서 정보를 주고받습니다. ANSYS에서는 2-Way Fluent coupling을 일반적인 CFD-DEM coupling 방법으로 설명하고 있으며, Fluent와 Rocky가 유체 흐름과 입자 관련 정보를 지속적으로 교환합니다.
6-3. 1-Way과 2-Way의 차이를 한눈에 보면
구분 | 1-Way Coupling | 2-Way Coupling |
정보 전달 | 한 방향 | 양방향 |
유체 → 입자 | O | O |
입자 → 유체 | X | O |
계산량 | 비교적 적음 | 많음 |
해석 난이도 | 낮음 | 높음 |
적합한 경우 | 입자가 유체에 거의 영향 없음 | 입자와 유체가 서로 강하게 영향을 줌 |
7. Rocky에서는 실제로 어떤 정보가 오갈까?
"서로 영향을 준다"는 것이 구체적으로 무엇을 의미하는지 궁금할 수 있습니다. CFD와 DEM 사이에서는 다양한 정보가 오갑니다. 예를 들어 Fluent에서 Rocky로는 유체속도, 압력, 온도, 유체 물성 등의 정보가 전달될 수 있습니다.
Rocky에서는 입자의 속도, 입자 체적분율, 입자와 유체 사이의 상호작용 힘, 열전달량 등의 정보가 전달됩니다. 즉, 단순히 "공기가 빠르다" 정도의 정보만 주고받는 것이 아닙니다. 입자와 유체 사이에서 발생하는 물리적인 상호작용을 서로 전달하는 것입니다.
8. 어떤 산업 분야에서 사용할까?
DEM-CFD Coupling은 다양한 산업 문제에 활용할 수 있습니다.
① 유동층(Fluidized Bed)
공기를 아래에서 불어넣어 입자를 띄우는 장치로 화학공정이나 에너지 분야 등에서 중요한 시스템입니다. Rocky와 Fluent를 이용한 대표적인 2-Way Coupling 예제도 바로 Fluidized Bed입니다.
② 분말 이송
공기를 이용하여 분말을 배관으로 운반하는 시스템을 생각할 수 있습니다. 이 경우 공기는 입자를 움직이고, 많은 분말 입자는 다시 공기의 흐름에 영향을 줄 수 있습니다.
③ 입자 분리
예를 들어 바람을 이용해 가벼운 입자와 무거운 입자를 분리하는 장치가 있습니다. 이를 Windshifter라고 합니다. ANSYS의 Rocky tutorial에서도 Fluent의 유동장과 Rocky의 입자 거동을 결합하여 이러한 문제를 해석하는 예제를 제공합니다.
④ Mixing
혼합기 내부에서 입자와 유체가 함께 움직이는 문제에도 활용할 수 있습니다. Rocky에는 Fluent와 2-Way coupling을 이용한 Mixing Tank 예제도 제공됩니다.
⑤ 열전달
입자와 유체 사이에서 열이 이동하는 문제도 해석할 수 있습니다. 예를 들어 뜨거운 입자에 차가운 공기를 흘려보내면, 입자 → 공기 방향으로 열이 이동합니다. 이러한 열전달 효과까지 coupling에 포함할 수 있습니다.
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