아음속 순항에서 초음속 여행까지
비행에는 어떤 마법이 있습니다.
이카로스와 다이달로스의 고대 신화부터 현대 항공우주의 경이로움까지, 비행은 인류가 시대를 초월하여 자유를 추구하고 지상의 한계를 초월하려는 열망을 상징해 왔습니다.
물론, 한때 꿈과 전설에 국한되었던 것이 지난 세기의 항공우주 CFD 엔지니어링에 의한 기술적 진보 덕분에 구체적인 현실로 변모했습니다.
이러한 변화는 우리의 여행 방식에 혁명을 일으켰을 뿐만 아니라 우리 사회에도 큰 영향을 미쳤습니다. 오늘날 우리의 세계는 믿을 수 없을 정도로 세계화되고 상호 연결되어 있으며, 사람과 문화가 국경과 대륙을 원활하게 넘나듭니다.
비행은 우리를 연결하는 생명선이 되어 문화 교류, 경제 성장, 국제 협력을 촉진합니다. 게다가 항공우주 공학의 발전은 인류의 발전을 새로운 차원으로 끌어올렸습니다. 우주 탐사와 위성 통신에서 효율적인 물품 운송과 인도적 지원에 이르기까지 비행은 우리 모두를 위한 더 나은 미래를 형성하는 데 필수적인 도구가 되었습니다.
이 역동적인 풍경 속에서 하늘을 가로지르는 모든 여행은 아음속 순항의 매끄러운 기류에서 초음속 여행의 강렬하고 고속 역학에 이르기까지 복잡한 기류의 신중하게 연구된 설계입니다. 오늘날 공기 역학자들의 과제는 이러한 흐름을 마스터하고 혁신의 경계를 넓히고 항공 우주 발전의 다음 물결을 여는 것입니다.
모든 속도 범위에서 흐름을 마스터하세요
분명히 항공우주 공학에서 시뮬레이션의 역할은 이 목표를 추구하는 데 필수적이며, CFD는 가만히 있지 않습니다. Simcenter STAR-CCM+의 새로운 릴리스를 통해 항공기 공기 역학 엔지니어는 가능한 것의 한계를 넓히도록 설계된 강력한 새로운 기능 모음의 이점을 누릴 수 있습니다. 개선된 난류 및 전환 모델, 견고한 초음속 흐름 시뮬레이션, 추가된 GPU 가속으로 발견할 것이 많습니다.
탑승해서 여행을 즐기세요! 우리는 천천히 시작해서 점차 고속으로 가속하면서 그 과정에서 모든 새로운 기능을 공개할 것입니다.
아음속 및 초음속 흐름의 효율적 모델링
가장 친숙한 아음속 및 초음속 비행부터 시작해 보겠습니다. 상업용 항공기가 시간을 보내는 영역입니다. 여기서는 안전과 신뢰성이 가장 중요하므로 공기 흐름의 미묘한 뉘앙스를 모두 포착하려면 엔지니어링 정확성이 중요합니다. 그리고 CFD 용어로 이의 핵심은 난류 모델링입니다.
표준 Spalart-Allmaras 난류 모델 소개
수십 년 동안 Spalart-Allmaras(SA) 난류 모델은 항공우주 산업에서 필수 레퍼런스가 되었으며, 경계층 현상을 예측하는 데 있어 전 세계 엔지니어가 그 단순성과 효과성으로 사용합니다. Simcenter STAR-CCM+ 2410에서 우리는 Spalart-Allmaras 난류 모델의 표준 공식을 도입하여 항공우주 커뮤니티에서 인정하고 NASA 난류 모델링 리소스 에서 참조하는 모범 사례에 맞춰 모델을 제공합니다 . 혁신을 추진하려면 업계를 선도하는 방법에 대한 접근성을 보장하는 것이 필수적입니다.
새로운 공식의 이점을 강조하기 위해, 우리는 널리 인정된 제6회 AIAA 항력 예측 워크숍 의 벤치마크인 유명한 NASA 공통 연구 모델(CRM) 날개-몸체 구성에 주목해 보겠습니다 .
성능을 평가하기 위해, Simcenter STAR-CCM+ 버전 2410의 표준 Spalart-Allmaras(SA) 공식을 버전 2406의 해당 공식과 비교하는 메시 수렴 연구가 수행되었습니다. 두 모델 모두 회전(R), 회전/곡률(RC), 2차 구성 관계(QCR) 수정과 함께 사용되었습니다. 이 연구의 결과는 모든 수준의 메시 세분화에서 항력 계수가 3개 일관되게 감소하여 궁극적으로 항력 계수가 0.0260으로 수렴되었음을 보여주었습니다. 결과적으로, 저희 솔루션은 SA-QCR 공식을 사용하는 워크숍 참가자의 집단적 결과와 더욱 긴밀하게 일치합니다. 오른쪽: 제6 회 항력 예측 워크숍 의 CRM 테스트 사례 . 출처: 10_DPW6 Summary-Draft-ET.pptx(nasa.gov)
Spalart-Allmaras와 호환되는 Gamma Transition 모델
더 많은 것을 말해야 합니다. 경계층(날개 표면에 가까이 흐르는 얇은 공기 조각)은 정적인 현상이 아닙니다. 실제 상황에서 난류 전이가 발생하여 층류가 난류로 전이되고 그 반대의 경우도 발생할 수 있습니다. 이러한 전이는 공기 역학적 성능에 직접적인 영향을 미치며 저속 운항이 더 빈번한 도시 항공 이동성(UAM)의 증가로 인해 점점 더 중요해지고 있습니다.
이러한 효과를 포착하는 효율성과 견고성을 높이기 위해 Simcenter STAR-CCM+ 2406은 Spalart-Allmaras와 호환되도록 Gamma Transition 모델을 확장하여 새로 개정된 공식에 부가 가치를 더했습니다. 이 모델 확장에 대한 심층 분석은 Spalart-Allmaras 난류 모델을 위한 1-방정식 로컬 상관관계 기반 전환 모델 확장 에서 AIAA 2023 항공 포럼에서 발표되었습니다 .
이 모델 확장의 효능을 증명하기 위해 Petzold & Radespiel(2013) 의 낫날개 테스트 케이스에 대한 시뮬레이션을 수행했습니다 . SST K-Omega + Gamma 모델과 SA + Gamma 모델로 얻은 솔루션을 비교해보면 SA + Gamma 모델이 전이를 정확하게 예측하고 테스트 데이터와 매우 잘 일치한다는 것이 분명하게 드러납니다. 게다가 주요 견고성과 감소된 컴퓨팅 비용이라는 이점도 있습니다.
모든 난류 전환 모델에 대한 사용자 정의 소스 용어
다양한 항공우주 엔지니어링 분야에서 단일 솔루션이 모든 요구 사항을 충족하는 경우는 드뭅니다. 그리고 전환 모델링 분야도 마찬가지로 역동적이며 지속적으로 진화하고 있으며, 학계에서 진행 중인 연구 노력을 반영합니다. 그렇기 때문에 Simcenter STAR-CCM+ 2410에는 모든 전환 모델에 대해 사용자 정의 소스 용어를 설정할 수 있는 기능이 포함되어 있어 각 애플리케이션의 고유한 요구 사항에 맞게 맞춤 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 터빈 블레이드 설계를 개발하든 날개 성능을 개선하든, 이 새로운 수준의 사용자 정의를 통해 시뮬레이션이 혁신적이고 진화하는 공기 역학 과제에 적응할 수 있습니다.
LS89 테스트 케이스 는 CFD 코드의 공기-열 예측 기능을 평가하기 위한 Von Karmann Institute의 유명한 벤치마크입니다. 이는 열 전달 계수의 코드 방향 분포 예측을 개선하는 데 있어 사용자 지정 Gamma-ReTheta 전환 모델의 효과를 보여주기 위해 아래에 나와 있습니다.
고속 흐름 시뮬레이션의 발전
초음속 및 극초음속 흐름에 뛰어들면서 도전은 더욱 두드러집니다. 충격파, 항력 상승, 가열이 모두 작용하여 이러한 효과를 높은 충실도로 시뮬레이션하는 것이 중요합니다.
평형 공기 상태 방정식의 향상된 열역학적 처리
이것이 저희가 저압 및 저온에서 평형 공기 상태 방정식(EOS)의 열역학적 처리를 개선하여 초음속 흐름 조건에 대한 정확도를 개선한 이유입니다. Simcenter STAR-CCM+ 2410의 이러한 개선은 평형 공기 EOS의 적용 범위를 늘려 속도 체계의 전체 범위에 대한 정확한 결과를 제공합니다. 개선된 동작은 비열 및 음속과 같은 열역학적 양을 더 잘 예측하고 따라서 흐름 패턴을 개선합니다. 이러한 개선의 효과를 설명하기 위해, 온도 피크가 정체 지점에 올바르게 있는 마하 6의 재진입 조건에서 HL20 차량을 특징으로 하는 예를 제공합니다.
Spalart-Allmaras 공식 재검토 – 고속 흐름
우리는 이미 새로운 Spalart-Allmaras 공식에 대해 이야기했지요? 고속 흐름의 경우 이점이 더 강력하다는 것이 밝혀졌습니다. CUBRC LENS-II 콘 플레어 모델 의 Run 28을 벤치마크로 살펴보면 , 새로운 공식은 피크와 하류 열 플럭스 모두의 예측을 분명히 개선합니다.
더욱 부드럽고 안정적인 컨버전스로 터보 엔진을 구동합니다.
속도가 높아지면 엔진에 대한 수요가 증가하고 공기 압축기는 추력을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 CFD 시뮬레이션에서 압축기를 모델링하는 것은 상당한 과제를 안겨줄 수 있습니다. 예를 들어 초기 단계에서 가스 흐름은 압력 기울기에 반하여 정착해야 하며, 이는 종종 출구 경계에서 흐름 역전으로 이어질 수 있습니다. 이러한 현상은 계산적 불안정성을 초래하고 시뮬레이션 프로세스를 복잡하게 만들 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 Simcenter STAR-CCM+ 2410은 압력 출구 경계 조건에 "차단된 역류" 옵션을 도입하여 대체 램프업 전략 없이도 더 부드럽고 안정적인 수렴을 촉진합니다. 이러한 처리 방식은 역류가 나타날 경우 자동으로 이를 방지하고 흐름이 확립되면 개방된 출구로 다시 전환합니다. 이러한 개선 사항은 일반적인 터보기계 애플리케이션에도 도움이 되어 시뮬레이션을 보다 신뢰할 수 있게 만들고 비용이 많이 드는 중단을 덜 발생시킵니다.
NASA 고효율 원심 압축기를 테스트한 결과 , 기본 압력 출구 경계를 사용한 솔루션과 비교했을 때 수렴 속도가 탁월하게 향상되었음을 보여줍니다.
솔루션 정확도를 떨어뜨리지 않고 GPU로 더욱 빠르게 작업하세요
더 빠른 시뮬레이션에 대한 증가하는 수요를 충족하기 위한 경쟁에서 성능 가속이 최우선 과제가 되었습니다. 핵심 알고리즘 개선을 통해 결합된 흐름 및 에너지 솔버의 GPU 성능은 솔루션 정확도를 손상시키지 않고 Simcenter STAR-CCM+ 2410에서 최대 2배까지 빨라졌습니다.
솔버 효율성의 이러한 도약은 더 짧은 시간에 더 많은 시뮬레이션을 실행할 수 있게 해줍니다. 간단히 말해서요. 전체 항공기 공기 역학 분석이든 자세한 구성 요소 수준 연구이든, 향상된 GPU 성능은 더 많은 설계 반복과 고품질 결과의 빠른 제공을 가능하게 하여 더 큰 혁신을 위한 길을 열어줍니다. 위에는 다양한 벤치마크가 표시되어 있으며, 이는 다가올 릴리스의 명확한 개선 사항을 강조합니다.
뛰어난 병렬 GPU 확장성
최근에 Fasten your seat belts: the coupledsolver is taking off on GPU! 에서 자세히 살펴본 High-Lift Common Research Model을 자세히 살펴보면 , 결과가 스스로를 말해줍니다. Simcenter STAR-CCM+ 2410을 사용하면 턴어라운드 시간이 30% 단축되고 다중 노드 GPU에서 뛰어난 병렬 확장성을 보입니다. 즉, 이제 1억 1,000만 셀의 항공우주 공기 역학 사례를 20분 이내에 실행할 수 있습니다.
항공우주 CFD가 새로운 높이에 도달하다
항공우주 엔지니어링은 끝없는 여정이며, 각 프로젝트는 새로운 도전과 기회를 제시합니다. Simcenter STAR-CCM+ 2410의 이러한 최신 기능을 통해 상업용 항공기를 아음속 비행에 최적화하든 고속 항공우주 엔지니어링의 한계를 넓히든 새로운 차원에 도달할 수 있는 툴박스를 확장하고 있습니다.
난류 및 전이 모델링부터 향상된 압축기 시뮬레이션과 GPU 가속 솔버까지, 저희는 여러분이 그 어느 때보다 더 빠르고 정확하게 가장 어려운 문제를 해결할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다.
항공우주 시뮬레이션의 미래는 밝습니다. 하늘을 여행하는 것과 같습니다.
[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/aerospace-cfd-engineers-new-heights/
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