FLOW-3D는 자유 표면 흐름을 모델링하는데 세계에서 가장 정확한 CFD 도구로 알려져 있지만, 대부분의 연구자들은 라발 노즐 등을 시뮬레이션 할 수 있는 강력한 압축성 유동 능력을 가지고 있음을 알지 못합니다. 라발 노즐은 모래 시계 모양을 가진 중간이 좁은 관입니다. 이것은, 노즐을 통과하는 가스의 유동을 촉진하는 방법으로 사용됩니다. 이러한 노즐은 로켓 및 초음속 제트 엔진뿐만 아니라 특정 증기 터빈에도 사용됩니다.

Cavitation in Laval Nozzles

유속이 빨라질수록 유선의 휘어짐으로 인한 영향이 커지기 때문에 국부적으로 수압이 매우 낮아지는 곳이 나타난다. 압력이 증기압보다 낮아지면 액체가 기화하거나 또는 녹아 있던 공기 등이 기포로 되기 때문에 공동(空洞)이 발생한다. 이 현상을 공동 현상 또는 캐비테이션이라 한다

스크루형 추진기를 예를 들면 추진기가 엔진에 의해 회전하면 물을 뒤로 밀어내게 되고 그 반작용으로 추진력이 생겨 선박을 전진시킨다. 프로펠러는 여러 개의 날개를 갖고 있고, 이 날개들이 회전하면 한쪽 면은 물을 뒤로 밀어내고 다른 면은 앞쪽의 물을 빨아들이게 된다. 물을 밀어내는 면은 압력이 높아지고, 빨아들이는 면은 압력이 낮아지게되어 앞뒤간의 압력차가 발생하게 되고 전진 방향으로 추진력을 받게 된다. 위와 같은 방식으로 프로펠러가 움직일 때에 프로펠러 주위에서 압력이 급강하하게 되면 온도의 변화가 아닌 압력 변화에서 기인하는 물의 상변화가 발생하게 되는데 이를 캐비테이션 현상이라 한다.

아래의 실험 비교는, FLOW-3D에서 수행한 시뮬레이션이 planar-Laval nozzle을 통한 유동 실험과 잘 일치가 된 것을 볼 수 있습니다.

Helium flow through a rectangular convergent-divergent Laval nozzle is simulated using FLOW-3D. Helium at room temperature is forced through the convergent section of the nozzle using an inlet pressure of 6.9E5 N/m² while maintaining a low outlet pressure of 0.1N/m².