[STAR-CCM+] CFD 시뮬레이션, 이제는 눈으로 설득하는 시대 : Ray Tracing이 바꾼 산업 현장

 

CFD 시각화를 위한 표준 뷰부터 시작합니다. 먼저, 어떤 종류의 정보를 전달할지 결정해야 합니다. 무엇에 관심이 있나요? 시뮬레이션의 핵심을 보여주는 수치는 무엇인가요?

• 정상 상태의 단상 유동의 경우, 압력과 속도가 적절한 방법일 수 있습니다. 압력 계수가 0인 등가면이나 단면적의 총압 계수를 나타내는 등가면이 적합할까요?
• 복합 열전달, 태양 복사열, 객실 쾌적성 등을 고려하시나요? 열과 온도는 원하는 대로 조절하세요.
• 심하게 불안정한 현상, 복잡한 난류 모델, LES, IDDES? 보여주세요. Q-기준, 와도, 나선도는 어떻습니까?
• 다상 유동인가요? 한 상이 끝나고 다른 상이 시작되는 지점을 보여줘야 합니다. 자유 액체 표면, 부피 분율 등

하지만 이번 사용 사례는 기차용 기후 풍동입니다. 이 경우, 어떤 기차든 상관없는 것이 아니라, Siemens Mobility에서 자체 제작한 Velaro 제품군에 속하는 모델입니다. 정상 상태 시뮬레이션이고 아직 온도를 측정하는 단계가 아니므로, 압력이 중요한 요소입니다.

장면을 열고 도메인 중앙에 첫 번째 평면 섹션을 만듭니다. 이 파생된 부분을 빈 장면으로 드래그 앤 드롭하고 압력을 선택한 후 결과를 확인해 보세요.

음, 보시다시피 아무것도 보이지 않습니다. 적어도 이 그림은 전체 영역을 보여주긴 하지만, 보이는 정보는 거의 쓸모가 없습니다. 일반적인 CFD 시각화와는 달리, 이 이미지의 장점은 80%가 녹색이 아니라는 것입니다.

왜 모든 CFD 시각화가 녹색인가요?

위 단계를 수행하면 대부분 녹색으로 표시된 CFD 시각화 결과를 얻게 됩니다. 그 이유는 자동 설정 때문입니다.

표시할 부품과 수량을 선택했습니다.

소프트웨어는 해당 수량의 최대값과 최소값을 찾습니다. 이 한계값은 저울의 끝을 정의합니다. 그렇지 않다면 소프트웨어가 이 한계값이 당신이 찾는 한계값이 아니라는 것을 어떻게 알 수 있겠습니까?

이 그림에서는 이미 레이블 개수를 너무 많이 조정해서 어떤 숫자가 어떤 위치에 속하는지 알아보기 힘들 정도입니다. 하지만 중요한 것은 두 극점이 전체 스케일을 정의한다는 것입니다. 저는 개인적으로 스칼라 값이 도메인 전체에 고르게 분포된 시뮬레이션을 본 적이 없습니다. 극점을 나타내는 점은 거의 없고, 대부분의 값은 중간에 있을 가능성이 높습니다. 더 나은 방법은 컬러맵의 구분할 수 없는 중간에 위치하는 것입니다.

하지만 그것만으로는 잠재적으로 훌륭한 CFD 시각화를 친환경적으로 만들기에 충분하지 않습니다. 또 다른 잘못된 선택이 필요합니다. 옛날 옛적에 엔지니어들은 이렇게 말했습니다.

"오, 좋네요. RGB 색상 코드가 있군요. 100% 파란색, 100% 초록색, 100% 빨간색까지 완전히 채도가 높은 모든 색상을 사용하죠."

(기계 엔지니어가 아니라 소프트웨어 엔지니어요! 제 자존심에 아주 중요하거든요!)

녹색 중앙과 중앙에 위치한 다수의 값을 결합하면 대부분 녹색으로 구성된 CFD 시각화가 생성됩니다. 다행히 기차가 오른쪽으로 약간 치우쳐 있어서 CFD 시각화가 노란색입니다. 하지만 여기서는 정보를 읽을 수 없습니다.

자신의 한계를 알아라!

한계를 적절한 값으로 조정하면 CFD 시각화를 통해 이해하기 쉬운 정보를 전달할 수 있습니다. 이제 고기압과 음압 영역을 볼 수 있습니다. 컬러맵의 모든 색상이 그림에 반영됩니다.

그리고 현명하게도 힘(면적으로 나뉜)의 균형을 맞추기로 했습니다. 압력 0이 기준값이며, 이제 컬러맵이 이를 나타냅니다. 불안정한 시뮬레이션을 처리할 때 최소값과 최대값을 적절하게 설정하는 것도 매우 유용합니다.

훌륭한 시뮬레이션이지만, 한계가 고정되어 있지 않습니다. 이 CFD 시각화에서 정보를 얻으려면 변화하는 컬러맵 한계와 변화하는 그림을 동시에 따라가야 합니다. 상한값도 고정되어 있다면 더 쉽지 않을까요? 이 림이 냉각되는 모습도 볼 수 있을 겁니다. 하지만 색상에 대해서는 나중에 더 자세히 다루겠습니다. 아마도요.

Natura non facit saltus . 여러분의 CFD는 그렇습니다.

CFD 메시의 각 셀은 스칼라당, 시간 단계당 하나의 값만 가질 수 있습니다. 이것이 이산화의 본질입니다. 자연은 그렇지 않습니다. 자연에는 고압을 가진 유한한 체적이 없고, 그 다음 유한한 체적에는 일정하게 낮은 압력이 존재합니다. 하지만 CFD 시각화는 이를 보여줍니다. 부드러운 블렌딩을 소개합니다.

"네, 하지만 제 CFD 결과는 그렇지 않습니다."라고 말할 수도 있고, 아니면 당신의 CFD 결과보다 실제 결과에 더 가깝다고 주장할 수도 있습니다.

당신은 녹색면의 힘을 모르죠!

불연속적인 단계에 대해 말씀드리자면, 당신의 컬러맵에도 불연속적인 단계가 있습니다. 그리고 압력 한계에 균형을 맞추셨으니, 중립적인 면을 강조해 보시는 건 어떨까요?

2/5 라고 해서 32가지 색상 레벨이 항상 옳은 선택은 아닙니다. 진정한 중립 색상이 있다면, 눈에 띄게 하세요! 색상 레벨 개수를 홀수로 변경하면 CFD 시각화에서 기준점으로 사용할 고유한 색상이 하나 생깁니다.

눈은 당신을 속일 수 있습니다. 눈을 믿지 마세요.

다음으로, 저 초록색 부분을 없애야 합니다. 화면에서 벗어나 얼굴에 바로 닿는 걸 이미 눈치채셨나요?

새로운 "밝은" 색상 표준은 더 평화롭고 녹색이 덜할 수 있지만, 과연 좋은 걸까요? 그리고 기기가 의도한 대로 사실적으로 표현해 주나요? 디스플레이가 DCI-P3 색상 보정을 받았고 특정 브랜드의 RGB 스펙트럼의 99%를 커버할 수 있나요?

모니터는 빨간색, 초록색, 파란색을 각각 100%씩 표시할 수 있지만, 이 모든 색을 똑같이 본다고 할 수 있을까요? "정상적인"(이게 뭐든 간에...) 색각을 가진 사람조차도 화면에 표시되는 1,600만 가지 색상 중 1,000만 가지 이상을 볼 수 없습니다. 그리고 이건 가시성에 대한 논의일 뿐, 지각에 대한 논의는 아닙니다. 그래서 여기 좀 더 인간적이고, 균일하게 지각되는 컬러맵이 있습니다.

이 방법이 시각적으로는 효과적일 수 있습니다. 하지만 개선할 수 있습니다. 아니면 이 CFD 시각화가 마음에 드시나요?

실제로 필요한 색상은 몇 가지인가요?

하나. 아니면 둘.

아니요, 농담이 아닙니다. 값이 변하는 단일 스칼라의 경우 채도나 명도가 변하는 색상은 하나만 필요합니다. 하지만 중간에 중립적인 기준이 있는 스케일이 있으므로 두 가지 색상을 사용해야 합니다. 예를 들어, 차가운 색-중성색-따뜻한 색(31가지 색상 레벨에 주목하세요)처럼요.

여기서는 좀 복잡해집니다. 빨간색은 "음수"로 이해될 수도 있지만, "따뜻함" = 고온으로 이해될 수도 있기 때문입니다. 이 컬러맵을 반전해야 한다고 생각하시나요?

아니면 회사 브랜딩에서 두 가지 색상을 골라 중립적인 배경을 중심으로 차이점에 조금 더 집중해 보세요.

시뮬레이션에 대한 컨텍스트입니다.

시뮬레이션을 설명해야 한다면 주의를 잃은 것입니다.

시뮬레이션이 기차에 관한 것이라면 기차를 보여주세요.

그것이 무엇인지, 그리고 그 너머에 무엇이 있는지 보여주세요!

"하지만 노력이..."라고 말씀하시는 게 거의 들리는 것 같습니다. 지금까지 시뮬레이션에 얼마나 많은 노력을 하셨죠? 어쨌든 당신 말이 맞습니다. 노력은 노력입니다. 하지만 노력 때문에 후처리 과정을 건너뛰는 것은 마지막 1km가 노력이라고 해서 마라톤을 포기하는 것과 같습니다. 그리고 당신을 도울 수 있는 성능 보충제를 소개합니다.

레이 누구인가요?

업데이트 2506에서는 Simcenter STAR-CCM+에 GPU 기반 레이 트레이싱이라는 새로운 하이퍼드라이브가 탑재되었습니다.

질문하시기 전에 말씀드리자면, 이건 옴니버스가 아닙니다. 유니티도 아니고, 언리얼도 아닙니다.

Studio Scene이라고 불리는 이 기능은 Simcenter STAR-CCM+ 업데이트 2506부터 기본 제공됩니다. 구매하지 않고 직접 구축하세요. 이 GPU 기반 레이 트레이싱 솔루션은 더욱 빠르고 사실적인 CFD 시각화를 위해 자체 코딩된 솔루션입니다. 높은 상호작용성을 제공하며, 전용 라이선스가 필요하지 않고 기존 씬과 함께 사용할 수 있습니다.

하드웨어가 부족하다는 게 불편하네요.

이 새로운 기능을 활용하려면 무엇이 필요할까요? 레이 트레이싱은 GPU의 레이 트레이싱 코어("RT")를 통해 실행됩니다. 이 수치는 여러 사이트, 제조업체 사이트 또는 techpowerup.com 과 같은 타사 사이트에서 확인할 수 있습니다 .

또한 최소 4GB VRAM부터 시작하는 GPU 메모리가 필요합니다. 200달러 미만부터 시작하는 새 하드웨어라면 특별한 것은 없습니다.

그럼, 어떤 기분인가요?

여러분과 저에게 가장 큰 변화는 사용 중 상호작용성일 것입니다. 화면을 탐색하고 변경할 수 있으며, 디스플레이, 소재, 부품 표시 여부, 스칼라 등을 사용자 지정할 수 있습니다.

완성된 CFD 시각화가 실시간으로 나타날 거라고 기대하지는 마세요. 하지만 제 RTX 3070에서도 전체 열차 모델을 지연 없이 작업할 수 있습니다. 물론, 길 안내를 하는 동안 모든 반사광이 즉시 나타나지는 않습니다. 물론 조명은 시간이 좀 걸리죠. 하지만 이건 시작에 불과합니다. 그리고 RTX 3070은 2025년 현재 최신이자 최고의 그래픽 카드는 아닙니다.

CFD 시각화 품질은 더 이상 다중 매개변수 조정이 아니라, 매우 낮음부터 매우 높음까지 다섯 가지 옵션으로 제공됩니다. 그리고 이는 기본적으로 레이 트레이싱이 얼마나 오래 실행되는지에 대한 "단지"입니다.

빛이 있는 곳에는 항상 반사가 있기 마련입니다.

레이 트레이싱은 도구일 뿐입니다. 실제처럼 보이게 하려면 더 많은 아이디어가 필요합니다. 예를 들어, 반사면은 반사될 부분이 있을 때 훨씬 더 보기 좋습니다! 라이브 작업을 더욱 쉽게 하기 위해 Studio Scene은 사실적인 소재를 선택하거나 추출할 수 있는 광범위한 시각적 소재 데이터베이스를 제공합니다.  

카메라 뒤 배경에 믹싱 탱크 어셈블리의 "복사본"을 몇 개 추가하기만 하면 됩니다. 어떻게요? 간단한 변형을 사용하면 됩니다!

(런타임 및 리소스에 대한 참고 사항: 이 CFD 시각화는 해당 RTX3070에서 4K로 렌더링되었으며 완료하는 데 프레임당 약 20초가 걸렸습니다.)

전체 이야기를 말해 보세요.

마지막 팁: 한 걸음 더 나아가세요. 전체 기하학을 추가하고, 주제에 대한 시각적인 엘리베이터 피치를 제공하세요. 대본을 다듬고, 기하학을 일부 잘라내고, 카메라 움직임을 조정하세요. 직접 만든 시뮬레이션으로 스스로에게 깊은 인상을 남길 기회를 만들어 보세요!

제 동료들이 작업한 내용을 몇 가지 소개합니다. 시뮬레이션 자체에는 터널이 필요하지 않았습니다. 승객도 필요 없습니다.

하지만 당신의 자부심이 필요합니다. 동료들의 부러움, 고객의 기쁨, 상사의 놀라움, CEO의 호의가 필요합니다.

Simcenter STAR-CCM+ 2506은 2025년 7월 초에 출시될 예정입니다.

[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/cfd-visualization-raytracing/