[STAR-CCM+] CFD 정확도를 결정하는 경계층 메시 설계

 

Prism layer mesh generation for boundary layer

 자동 메시 생성 작업 에서 프리즘 레이어 메시 생성기 와 코어 볼륨 메시 생성기를 함께 사용하여 벽면에 직교하는 프리즘 셀 레이어를 생성 할 수 있습니다 . 이러한 셀 레이어는 벽면 경계면에서의 유동 해석 정확도를 향상시키는 데 필요합니다.

 Star-CCM에서 프리즘 레이어 메셔의 설정은 메셔 > 프리즘 레이어 메셔 노드에서 접근할 수 있으며,  자동 메셔 작업 의 기본 제어 및 사용자 지정 제어에서도 확인할 수 있습니다.

기본적으로, 난류 모델은 벽 근처의 경계층을 포착하기 위해 두 가지 접근 방식을 사용합니다.

주요 난류모델별 벽면처리 방식에 따른, Y+값의 선정에 대한 참조값은 아래와 같습니다. 다만, 각각의 문제 유형에 따라서 추가적 검증과 선정이 필요합니다.

Star-CCM에서 사용하는 난류모델과 각 모델이 지원하는 벽면처리 방식은 아래의 표와 같습니다.

Y+값이 선정되면, 아래의 경계층두께(δ), 증가비(r), prism격자수(m) 등은 아래와 같이 계산이 가능합니다.

[ 결론 ]

 CFD에서 경계층은 벽근처 얇은 층으로, 속도·온도 구배와 마찰·열전달·박리 발생을 지배하므로 정확한 모사가 곧 항력·열량 예측 정확도다. 이를 위해 벽 법선 방향으로 y⁺ 기준에 맞는 첫 격자 높이, 충분한 층 수와 완만한 성장률(약 1.1~1.3), 좋은 직교성을 갖는 경계층 격자가 필수다. 경계층 두께를 충분히 포함하지 못하거나 셀 왜곡이 크면 벽 전단·난류생성·전이·박리 위치가 잘못 예측되어 전체 유동장, 성능 곡선, 구조·열응력 해석까지 연쇄적으로 오차가 커진다. 따라서 격자 의존성 검증과 경계층 격자 설계는 전문 CFD에서 가장 중요한 기본 작업이다.