2020년까지 전산 유체 역학, 즉 깨끗한 공기를 위한 CFD는 일반 대중이 주목하지 않는 분야였습니다. 하지만 코로나바이러스 팬데믹이 최근 역사상 그 어느 때와도 달리 글로벌 커뮤니티를 행동에 나서게 했을 때, 깨끗하고 건강한 공기에 대한 필요성이 갑자기 더욱 분명해졌고 그 어느 때보다 대중의 관심이 커졌으며, 이와 함께 CFD가 주류 미디어에 등장했습니다 . COVID-19가 오래 전에 사라진 듯하고 대중의 관심도 사라진 듯하지만, 공공 시설, 사무실, 교통 수단에서 깨끗하고 정화된 공기에 대한 일반적인 필요성은 여전히 삶의 질에 중요한 요소입니다. 하지만 건강한 삶을 위해 특정 공기 질 기준이 필요한 것은 사람뿐만 아니라, 생산 위생 기준이 매우 높고 공기 오염이 해당 산업 생산 시설에 큰 피해를 줄 수 있는 제품이 많이 있습니다.
건강하고 오염되지 않은 공기를 위한 이러한 끊임없는 도전에서, 계산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션은 중요한 자산이 될 수 있습니다. Siemens의 Simcenter 포트폴리오의 CFD 시뮬레이션 소프트웨어는 산업에서 다양한 응용 분야에서 사용되어 공기가 정화되고 안전하게 호흡하고 올바르게 작동하는 제품을 효율적으로 제조할 수 있도록 합니다.
CFD 시뮬레이션이 깨끗한 공기를 보장하는 데 도움이 되는 3가지 방법
말할 것도 없이 CFD 시뮬레이션은 공중 보건 지침으로 사용될 수 없고 사용되어서는 안 됩니다. 하지만 CFD 시뮬레이션은 올바르게 적용하면 3가지 면에서 도움이 될 수 있습니다.
- 원치 않는 인간 또는 비인간적 출처의 호기, 집중 및 완화의 이동을 이해합니다.
- CFD 시뮬레이션은 물방울과 에어로졸과 공간과 시간에서의 이동을 모델링하는 여러 가지 접근 방식을 제공합니다. CFD 시뮬레이션은 이러한 입자가 어디로 이동하는지, 공기 중에 얼마나 오래 머무르는지, 어떤 표면에 영향을 미치는지 보여줄 수 있습니다.
- 이것은 일반적으로 어떤 종류의 통제된 공기 흐름(방, 자동차, 기차, 비행기, 청정실, 식품 생산 시설 등)이 있는 작은 실내 환경에서 유용할 것입니다. 실외에서는 변수의 수가 증가하고 결론을 내리는
- 안전을 위한 실내 환경 개선/재설계
- CFD 시뮬레이션은 오랫동안 실내 공기 흐름을 이해하고 편안함과 안전을 위해 HVAC 시스템과 실내 환경을 설계하는 데 사용되어 왔습니다.
- 설계 최적화와 결합된 CFD는 실내 환경에 대한 수백 가지의 '가정' 시나리오를 분석하는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 예를 들어, 여러 개의 환기 구성과 에어 커튼을 분석하여 실내에 있는 대부분의 물방울과 에어로졸이 제거되었는지 확인할 수 있습니다.
- 공기 청정기와 살균제는 물방울 농도가 높은 곳에 초점을 맞춰 설계하고 배열할 수 있습니다.
- 유해물질을 제거하고 공기를 정화하는 장비 설계
- 실내 공간을 어떻게 살균하고 정화합니까? 여기에서 CFD 시뮬레이션은 정화 장비 설계에 도움이 될 수 있습니다.
오늘날 기업들은 이러한 CFD 방법론을 사용하여 공항, 사무실, 학교 또는 기차역과 같은 공공 건물에서부터 비행기, 버스 또는 기차와 같은 대중 교통을 거쳐 웨이퍼, 식품 또는 의약품을 위한 산업 시설에 이르기까지 거의 모든 것에서 오염 입자, 유해 가스 또는 바이러스의 확산을 예측합니다. 다음 예는 Siemens 고객이 깨끗한 공기를 위한 싸움에서 CFD 시뮬레이션을 어떻게 사용했는지 보여줍니다.
(대중) 교통수단의 청정 공기를 위한 CFD
운송 산업(비행기, 기차, 자동차... 선박도)의 경우, COVID-19는 실내 공간을 더욱 집중적으로 다루었습니다. 그 이후로 모든 유형의 차량, 특히 많은 사람을 이동시키는 차량에서 깨끗한 공기를 보장하기 위한 노력이 계속되었습니다.
에어버스 - 항공기 객실 내 기침 방울 전파 이해
지멘스 와 에어버스는 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여항공기 객실에서 사람의 기침에서 나오는 입자/물방울의 이동을 파악하고 있습니다.
팀은 CFD 시뮬레이션을 사용하여 항공기 객실 내 기침 방울의 이동을 모델링했습니다. 항공기 내 방울 전파를 줄이는 데 있어서 마스크의 영향과 효과도 모델링합니다.
합동팀은 다음 세 가지 문제를 다루는 CFD 방법론을 개발했습니다.
- 평균적인 인간의 기침 물방울 시뮬레이션
- 항공기 객실 환경 모델링의 과제
- 기침방울에서 바이러스가 전파될 위험을 이해하는 데 필요한 단계
Norton Straw(현재 Digital Engineering의 일부) – 열차의 환기
영국의 롤링 스톡 소유 회사(전 세계 독자를 위한 Trains)가 Norton Straw(현재 Digital Engineering의 일부 )에 연락하여 열차 내 전송을 최소화하도록 도왔습니다. Simcenter STAR-CCM+를 사용한 CFD 시뮬레이션을 사용하여 Norton Straw의 엔지니어는 창문 열기, 승객 사이의 플라스틱 차폐, 다른 환기 공기 흐름 등 여러 완화 전략으로 인해 발생하는 열차 객실의 공기 흐름을 분석했습니다.
Simcenter STAR-CCM+ 가상 현실(VR) 을 통해서도 제공되는 시뮬레이션 결과는 제조업체가 다양한 객실 구성의 환기 효과를 평가하는 데 도움이 되었습니다.
UES/USAF – 항공기 내 생물학적 제제 수송 평가
의료 항공기에서 생물 에어로졸 오염 핫스팟을 식별하고 노출 후 오염 제거를 확인하려면 어떻게 해야 합니까?
UES, Inc.는 미국 공군 연구소의 711th Human Performance Wing(HPW)과 협력하여 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 답을 찾았습니다. Simcenter Engineering Services는 팀이 여러 승객이 탄 C-130 Hercules 항공기에서 감염된 승객의 기침을 시뮬레이션하도록 도왔습니다.
CFD 시뮬레이션의 결과는 생물 에어로졸 탐지 및 표면 오염 제거를 위한 개선된 절차 및 샘플링 전략을 안내하는 데 사용됩니다. 이를 통해 미 공군은 감염 환자 수송과 관련하여 중요한 결정을 내릴 수 있습니다.
건물 내 청정 공기를 위한 CFD
CFD 시뮬레이션이 큰 도움을 줄 수 있는 또 다른 분야는 공기 흐름과 환기를 제어할 수 있는 고정된 실내 공간입니다.
HOLT Architects/ME Engineering – CFD를 사용하여 보다 안전한 사무실 공간 만들기
HOLT Architects는 M/E Engineering 과 협력하여바이러스의 공기 중 전파를 줄이기 위한 전략에 대한 흥미로운 결과를 발표했습니다. M/E Engineering은 CFD 모델링 분야의 전문성으로 잘 알려져 있습니다. Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 HOLT architects가 뉴욕주 이타카 사무실에서 물방울 전파를 연구하도록 도왔습니다. 이 연구와 환기 시스템의 재설계는 직원들이 사무실에서 안전하게 일하는 데 도움이 됩니다.
실제 사무실 공간의 CAD 모델을 사용했습니다. COVID가 절정에 달했을 때, Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 얼굴 마스크를 착용한 경우와 착용하지 않은 경우의 여러 기침에 대한 CFD 시뮬레이션을 분석했습니다. 분석에는 사무실 배치, 가구, 공기 흐름 패턴, 장벽 및 사람들의 위치가 고려되었습니다. 사무실 공간의 마스크가 다시 과거의 일이 되더라도 이러한 종류의 환경별 기침 시뮬레이션은 HVAC 및 실내 환기 시스템을 재설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 공간(및 실내)이 작을수록 물방울 전파를 제어하는 변수가 줄어듭니다.
감염된 환자가 기침을 하면 어떻게 되나요? HVAC 시스템이 변경되면 어떻게 되나요? 창문을 열 수 있다면 어떻게 되나요? 살균/소독 장치를 어디에 두어야 하나요? CFD가 여기서 답할 수 있는 몇 가지 질문입니다.
JB&B – CFD 시뮬레이션은 창문을 여는 것이 건강한 학교의 핵심임을 보여줍니다.
엔지니어링 컨설팅 회사인 Jaros, Baum & Bolles(JB&B) 는 뉴욕 타임스와 긴밀히 협력하여 학교가 창문을 열어 교실에서 COVID-19 노출을 줄일 수 있는 방법을 보여주었습니다. JB&B의 엔지니어들은 CFD 시뮬레이션을 사용하여 감염된 학생의 오염 물질이 창문을 닫은 경우, 창문을 연 경우, 선풍기와 공기 청정기를 설치한 경우의 세 가지 시나리오에서 교실에서 어떻게 순환하는지 보여주었습니다.
뉴욕 타임스에 실린 기사는 꼭 읽어야 할 내용이며, 교실 환경에서 감염된 오염원을 최소한으로 유지하는 방법을 시각적으로 훌륭하게 표현하고 있습니다.
CFD를 이용한 살균 및 정화 장치 설계
Excelitas Noblelight – CFD 시뮬레이션을 통한 UVC 공기 청정기 개발
Excelitas Noblelight GmbH는 1904년 석영 유리 램프가 발명된 이래로 특수 광원을 개발해 왔습니다. 자외선(UV), 적외선(IR) 또는 중파장 범위이든 빛은 그들이 하는 모든 일의 핵심입니다. 이 회사는 빛의 힘을 활용하여 제조 및 공정 산업의 광범위한 과제를 해결했습니다. 또한 CFD의 도움으로 Soluva® 공기 청정기와 같은 소비자 제품을 설계하고 제조하여 의료 시설, 대중교통 및 교실에서 공기 중 바이러스를 제거합니다. 엔지니어링 시뮬레이션은 제품 개발 단계에서만 사용되는 것이 아니라 현장에서 제품을 배포하는 가장 좋은 방법을 이해하는 데에도 사용됩니다.
우리는 CFD 시뮬레이션을 사용하여 고객이 자신의 프로세스를 이해하고 UV 또는 IR 방출기를 어디에 배치해야 가장 효과적인지 확인할 수 있도록 돕습니다.
Dörte Eggers, Excelitas Noblelight의 시뮬레이션 엔지니어
Norton Straw (현재 Digital Engineering의 일부) – 새로운 공기 살균 장치
이와 유사하게, 위에 언급된 Norton Straw(현재 Digital Engineering의 일부)는 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 새로운 개념의 공기 살균 장치를 개발했습니다. 이 회사는 CFD 시뮬레이션과 설계 최적화를 사용하여 작고 가볍고 에너지 효율적인 살균 장치를 설계했습니다. 이 장치는 Innovate UK Covid Response Grant를 수상했습니다. 쉽게 제조할 수 있는 이 장치는 현재 적층 제조로 생산되고 있습니다. 이러한 공기 살균 장치로 실내 환경에서 재순환되는 공기를 처리하는 것은 철도, 자동차 및 건물 응용 분야에 대한 솔루션입니다.
오른쪽: 수상 경력에 빛나는 공기 살균 장치 내부의 플레이트 및 핀 열교환기 내부의 속도 윤곽. Simcenter STAR-CCM+를 사용한 CFD 시뮬레이션
생산 시설의 깨끗한 공기를 위한 CFD
깨끗한 환경을 위한 CFD의 적용은 인간에게 더 건강한 환경을 제공하는 데 그치지 않습니다. 또한 높은 위생 및 재료 순도 표준이 필요한 제품의 생산 라인은 유해 가스, 입자, 안개 또는 먼지가 없어야 합니다.
FS Dynamics, 리소그래피 기계의 오염을 평가하는 CFD 방법 확립
2024 Realize Live Conference Europe에서 CAE 시뮬레이션 컨설턴트 FS Dynamics는 반도체 산업의 핵심 생산 시설인 리소그래피 기계의 오염을 평가하기 위한 고충실도 CFD 방법론을 발표했습니다. 이들의 연구는 계산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 이동하는 웨이퍼가 있는 리소그래피 기계의 오염 모델링이라는 오랜 과제를 다룹니다. 전통적으로 모핑 및 리메싱 기술은 리메싱 병목 현상으로 인해 본질적으로 느리지만 공기 흐름과 오염 경로를 평가하는 동안 웨이퍼의 움직임을 포착하는 데 사용되었습니다. FS Dynamics는 낮은 오염 물질 종 농도로 인한 오염 모델링에 적합하지 않다는 가정으로 인해 이전에 간과되었던 접근 방식인 오버셋 메싱 기술을 활용하는 개선된 방법론을 개발했습니다. 기대를 뛰어넘는 새로운 CFD 접근 방식은 이동하는 웨이퍼로 오염 모델링에 적합할 뿐만 아니라 계산 시간을 크게 줄여 초고청정 리소그래피 기계에 대한 더 빠른 개발 주기와 더 민첩한 설계 반복을 가능하게 했습니다.
Creaform Engineering은 오염 없는 백신 충전 라인에 CFD를 사용합니다.
백신 및 기타 약물을 제조하기 위한 클린룸 설계는 바로 의료 기기 설계부터 제약 제조 공정에 이르기까지 CFD의 다양한 응용 분야를 다루는 편집물인 Life Sciences Special Report 의 기사 중 하나의 주제입니다. 해당 기사에서 Creaform 과 Laporte 회사 는 협력하여 백신 제조를 위한 클린룸에 대한 매우 자세한 시뮬레이션을 수행하여 클린룸 시운전 과정에서 전통적인 연기 테스트를 보완하는 예측적 통찰력을 얻었습니다. CFD 시뮬레이션은 공기 역학적 장벽의 효과를 입증하고 기계의 비멸균 구성 요소 주변의 적절한 흐름 경로를 보장하는 데 사용되었습니다. 기사에서 지적한 대로 "클린룸의 규정 준수가 문제가 되었을 뿐만 아니라 라인의 높은 생산 속도(분당 수백 개의 바이알 충전)로 인해 오염은 백신 용량의 낭비로 이어지기 때문에 상당한 재정적 및 시간적 손실을 초래할 것입니다."
Clean Air는 CFD를 사용하여 가상으로 흡연장 테스트
흄 캐비닛은 실험, 프로세스 및 스케일업 중에 공기 중 유해 물질을 생성하는 실험실에 필수적입니다. 가스, 증기 및 에어로졸을 포집하고 제거하여 안전한 수준으로 노출될 위험을 줄이도록 설계되었습니다. Clean Air Limited(Clean Air)가 흄 캐비닛을 설계, 제조 및 설치한 지 30년 동안 사람들을 보호하는 것이 항상 최우선 과제였습니다. Clean Air의 독특한 판매 포인트 중 하나는 환경 안전 및 지속 가능성 분야에서 흄 캐비닛 산업을 선도하겠다는 의지입니다.
육불화황(SF 6 )은 테스트 중에 통풍장의 효과를 입증하는 데 사용되지만, 가장 피해를 주는 온실 가스로 확인되었습니다. 유형 테스트 중에 약 3톤의 이산화탄소(CO 2 )에 해당하는 양이 방출되고, 현장 테스트 중에 또 다른 1톤이 방출됩니다. 대부분의 통풍장은 현장 테스트로 테스트되므로 통풍장당 약 1t CO 2 e, 통풍장 '유형'당 3t입니다. 탄소 발자국을 줄이기 위해 Clean Air는 Siemens 파트너인 Maya HTT와 협력하여 설계 테스트를 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션으로 대체하는 새로운 프로세스를 개발하여 환경에 영향을 미치지 않고 성능과 안전성을 보장했습니다.
CFD를 이용한 깨끗한 공기를 위한 싸움은 클린룸 문에서 끝날 수 없습니다.
그리고 이러한 사례들은 인간이 (엔지니어의 도움을 받아) 제한된 공간과 폐쇄된 시스템에서 공기 질을 개선할 수 있는 기술을 가지고 있다는 것을 격려적으로 보여주지만, 우리는 이러한 노력이 그저 충분하다는 것을 직시해야 합니다. 결국 피할 수 없는 외부 세계가 있습니다. WHO 데이터에 따르면, 놀랍게도 전 세계 인구의 99%가 WHO 지침 한도를 초과 하고 높은 수준의 오염 물질을 함유한 공기를 마시고 있으며 , 저소득 및 중소득 국가가 가장 높은 노출로 고통받고 있습니다.
따라서 깨끗한 공기를 위한 싸움(CFD를 포함하여)은 청정실 문턱에서 끝날 수 없습니다.
[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/cfd-for-clean-air/
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