Multiphase vs Multicomponent 구분

요약

• ANSYS CFX에서 두 개 이상의 유체를 다룰 때, Multiphase(다상 유동)와 Multicomponent(다성분 혼합)는 완전히 다른 설정입니다.
• 잘못 선택하면 물리 현상을 제대로 표현하지 못하거나, 불필요하게 계산 비용이 증가합니다.
• 이 글에서는 두 개념의 차이, 선택 기준, CFX-Pre에서의 설정 방법을 정리합니다.

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왜 혼동하는가?

"유체가 두 개 이상이면 Multiphase 아닌가?" — 이렇게 생각하기 쉽습니다. 하지만 CFX에서는 유체가 여러 종류라는 사실만으로 Multiphase를 선택해서는 안 됩니다. 핵심은 유체들이 서로 섞이는지 여부입니다.

• 분자 수준에서 완전히 혼합되는 경우 → Multicomponent
• 뚜렷한 경계면을 가지고 분리되어 있는 경우 → Multiphase

예를 들어, 공기 중의 수증기(습공기)는 Multicomponent이고, 물 위의 공기(자유수면)는 Multiphase입니다.

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Multicomponent — 분자 단위 혼합

Multicomponent는 여러 성분이 하나의 유동장을 공유하는 혼합물입니다. CFX-Pre에서 Material 1개에 여러 Component를 추가하는 방식으로 설정합니다.

모든 성분이 같은 속도, 같은 온도, 같은 압력을 가집니다. 별도의 운동량 방정식을 풀지 않으므로 계산 비용이 Multiphase보다 훨씬 낮습니다.

대표적인 적용 사례

• 공기 + 수증기 (습공기 해석)
• 질소 + 산소 + CO2 (혼합 기체)
• 연료 + 공기 (연소 해석의 예혼합 모델)

Component 옵션

CFX에서 Multicomponent Material을 생성할 때, 각 성분에 아래 옵션을 지정합니다.

• Fixed — 질량 분율이 고정된 성분. 공간적으로 균일한 조성을 가정할 때 사용
• Variable — 확산이나 반응에 의해 질량 분율이 변하는 성분. Transport Equation을 추가로 풀어야 함
• Constraint — Variable 성분들의 질량 분율 합이 1이 되도록 보장하는 제약 성분. Variable 성분이 있으면 반드시 하나를 Constraint로 지정해야 함

Constraint로 지정된 성분은 별도의 Transport Equation을 풀지 않고, 나머지 성분들의 질량 분율 합에서 역산됩니다. 일반적으로 가장 지배적인 성분(예: 습공기에서 Air, 혼합 기체에서 N2)을 Constraint로 지정합니다.

Inlet 경계조건 설정 시 주의

Constraint 성분은 Inlet에서 질량 분율을 직접 입력하지 않습니다. 나머지 Variable 성분의 분율만 지정하면, Constraint 성분의 분율은 자동으로 결정됩니다.

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Multiphase — 상(Phase) 분리 유동

Multiphase는 서로 섞이지 않는 두 개 이상의 상을 개별적으로 해석합니다. CFX-Pre에서 Material을 2개 이상 사용하며, 각 상에 대해 별도의 운동량 방정식을 풀 수 있습니다.

각 상은 Volume Fraction(부피 분율)으로 표현되며, 같은 공간에서 각 상이 차지하는 비율의 합은 항상 1입니다.

대표적인 적용 사례

• 물 + 공기 자유수면 (댐, 수조, 슬로싱)
• 액체 속 기포 유동 (기포탑, 에어레이터)
• 고체 입자 + 유체 (유동층, 슬러리)
• 증발/응축을 포함하는 상변화 유동

Homogeneous vs Inhomogeneous

Multiphase 설정 시 가장 먼저 결정해야 하는 옵션입니다.

• Homogeneous — 모든 상이 같은 속도장을 공유한다고 가정. 자유수면(Free Surface) 해석에서 주로 사용. 계산 비용이 낮음
• Inhomogeneous — 각 상이 독립적인 속도장을 가짐. 기포와 액체처럼 상 간 슬립(Slip)이 발생하는 경우에 사용. 별도의 운동량 방정식을 각 상마다 풀어야 하므로 계산 비용이 높음

판단 기준은 간단합니다. 두 상이 거의 같은 속도로 움직이면 Homogeneous, 상대 속도 차이가 물리적으로 중요하면 Inhomogeneous를 선택합니다.

상간 상호작용 힘 (Interphase Forces)

Inhomogeneous Multiphase에서는 상 사이의 상호작용 힘을 모델링해야 합니다.

• Drag Force — 가장 기본적인 상호작용 힘. 분산상(기포, 입자)의 형상에 따라 모델 선택. 구형 입자에는 Schiller-Naumann, 기포에는 Grace 모델이 일반적
• Non-Drag Forces — Lift Force, Virtual Mass Force, Wall Lubrication Force 등. Drag만으로 결과가 실험과 맞지 않을 때 추가 고려

Phase Change (상변화)

증발, 응축 등 상변화가 포함된 해석에서는 Phase Pair 설정에서 Mass Transfer 모델을 활성화합니다. Thermal Phase Change 모델을 선택하면 온도 기반의 증발/응축이 자동으로 계산됩니다.

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선택 판단 기준

어떤 모델을 사용할지 결정하는 핵심 질문은 하나입니다.

"해석하려는 유체들이 분자 수준에서 섞이는가, 경계면을 가지고 분리되어 있는가?"

분자 수준 혼합 → Multicomponent

• 공기 + 수증기
• 혼합 기체
• 용매 + 용질 (희석 용액)

경계면 분리 → Multiphase

• 물 + 공기 (자유수면)
• 액체 + 기포
• 고체 입자 + 유체

주의 — 상변화가 있는 경우

증발/응축이 포함된 해석은 상변화 전후로 상이 달라지므로 Multiphase로 설정해야 합니다. 예를 들어, 물이 끓어서 증기가 되는 현상은 Multicomponent가 아니라 Multiphase + Phase Change입니다.

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Multiphase 내 모델 선택

Multiphase를 선택한 후에도, 구체적인 물리 현상에 따라 적합한 모델이 달라집니다. 이 글에서는 각 모델의 용도만 간략히 정리하며, 상세 설정은 별도 글에서 다룹니다.

Free Surface (VOF)

• 섞이지 않는 유체 간 거대 경계면 추적에 특화
• Homogeneous 설정과 함께 사용
• 댐 붕괴, 슬로싱, 주조 충전, 수조 유동 등

Eulerian-Eulerian (Inhomogeneous)

• 상이 공간적으로 분산되어 공존하는 유동
• 각 상마다 별도 운동량 방정식을 풀어 상간 슬립을 표현
• 기포탑, 유동층, 에어레이터 등

Particle Transport (Lagrangian)

• 연속 유체 속 소량 입자/액적의 궤적을 개별 추적
• 분산상 부피 분율이 10% 미만인 희박 유동에 적합
• 스프레이, 집진기(Cyclone), 분진, 입자 침착 해석 등

MUSIG (Multiple Size Group)

• 기포나 액적의 크기 분포를 여러 그룹으로 나누어 해석
• 합체(Coalescence)와 분열(Breakup)에 의한 크기 변화를 모델링
• 기포탑에서 기포 크기 분포가 중요한 경우에 사용

Algebraic Slip Model (ASM)

• Inhomogeneous 모델의 간소화 버전
• 상간 슬립 속도를 대수식으로 근사하여 계산 비용을 절감
• 분산상의 농도가 낮고 슬립이 크지 않은 경우에 적합

Thermal Phase Change

• 증발, 응축, 비등 등 온도 기반 상변화를 모델링
• Multiphase Phase Pair에서 Mass Transfer 모델로 활성화
• IAPWS-IF97 물성과 함께 사용하는 경우가 많음

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결론

ANSYS CFX에서 여러 유체를 다룰 때, Multicomponent와 Multiphase의 구분은 해석 설정의 출발점입니다. 분자 수준 혼합이면 Multicomponent, 경계면이 있는 분리 유동이면 Multiphase를 선택합니다. 잘못된 선택은 물리적으로 무의미한 결과를 만들거나 불필요한 계산 비용을 유발하므로, 해석 목적과 물리 현상을 먼저 명확히 정의하는 것이 중요합니다.

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• 테스트 환경: ANSYS CFX 2020 R1 이상
• 마지막 업데이트: 2026.03

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