[FloEFD] Simcenter FLOEFD 설계 엔지니어를 위한 CFD

 

설계 엔지니어를 위한 CFD 기술 원리

 전산 유체 역학(CFD)은 매우 어려울 수 있습니다. 오해는 마세요. 저도 CFD가 제공하는 아름다운 이미지들을 누구보다 좋아합니다. 하지만 CFD는 물리적, 수치적 복잡성으로 가득 차 있어 설계자와 엔지니어들이 활용하기에 상당한 어려움을 안겨줍니다. CAD 형상 불러오기, 메시 생성, 경계층, 난류 모델, 솔버 설정, 수렴, 컴퓨터 자원 등을 생각해 보세요.

다행히 해결책이 있습니다. 바로 Simcenter FLOEFD입니다!

 Simcenter FLOEFD 덕분에 설계 엔지니어를 위한 CFD(전산 유체 역학)가 현실이 되었습니다. 

 Simcenter FLOEFD는 설계 중심의 CFD 시뮬레이션 소프트웨어로, 제품 설계 단계에서 CFD 시뮬레이션을 조기에 적용할 수 있도록 다양한 첨단 기술이 원활하게 연동됩니다. 다시 말해, CFD를 설계 초기 단계에 적용할 수 있도록 지원합니다. CFD 설계 초기 단계 적용에 필요한 모든 기술을 자세히 설명하는 백서를 참조해 보세요 . 이번 블로그 시리즈에서는 주요 기술 몇 가지를 간략하게 소개하고 실제 적용 사례를 보여드리겠습니다.

 Simcenter FLOEFD를 설계 자급 사용자 가 활용할 수 있도록 하는 것은 바로 기반 기술입니다 . 설계자급 사용자는 제품 설계 초기 단계에서 신속하고 정확하게 트렌드를 분석할 수 있습니다. 엔지니어링 급 사용자는 Simcenter FLOEFD의 활용 범위를 확장하여 제품을 더 큰 생태계 내에서 고려하고, 제품 운영 환경에 대한 최신 정보를 바탕으로 제품 또는 시스템의 성능을 지속적으로 개선할 수 있습니다. Simcenter FLOEFD는 엔지니어가 근본 원인 분석과 같은 일상적인 엔지니어링 작업에 CFD를 활용할 수 있도록 지원합니다. 분석가 급 사용자는 설계 및 엔지니어링 팀이 신뢰할 수 있는 CFD 결과를 도출하여 전체 제품 개발 팀이 원활하게 협업하고 생산성을 향상시킬 수 있다는 확신을 가질 수 있습니다. 이제 이러한 기술에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

CAD 내장형

 Simcenter FLOEFD는 Siemens NX, SolidEdge, CATIA 및 Creo를 비롯한 시장에서 가장 인기 있는 MCAD 시스템에 내장되어 있습니다. 이를 통해 사용자는 익숙한 환경에서 CAD 모델을 직접 조작하여 모델 설정(전처리) 및 결과 분석(후처리)을 수행할 수 있습니다. 하지만 이것이 전부는 아닙니다.

 CAD 내장이란 단순히 CAD 인터페이스 내의 보기 좋은 리본이나 툴바, 또는 멋진 이미지를 위해 간단하게 CFD 시뮬레이션을 수행하는 편리한 도구를 의미하는 것이 아닙니다. 이 경우 CAD 내장이란 CAD 커널에 직접 연결되어 형상을 설명하는 배경 정보에 접근하고, 그 결과 원의 반지름, 파이프의 직경, 벽 사이의 거리 등과 같은 기하학적 특징을 완벽하게 파악하는 것을 의미합니다.

 이것이 바로 SmartCells ™ 기술 의 핵심 요소입니다 . 이에 대해서는 나중에 더 자세히 설명드리겠습니다. CAD에 내장되어 있다는 또 다른 장점 은 오류가 쉽게 발생할 수 있는 중립 CAD 형식으로 형상을 변환할 필요가 없다는 것입니다. Simcenter FLOEFD의 CAD 내장형 설계에 대한 좋은 예는 이 시리즈의 2부를 참조하십시오.

침수 경계 절단 셀 직교 격자

 CFD는 상당히 복잡한 메쉬 구조를 가질 수 있습니다 . 사용자는 유동 문제의 유형과 형상에 따라 사용할 메쉬 유형을 선택해야 합니다. 반면 Simcenter FLOEFD는 직교 좌표계에 기반한 경계 몰입 격자라는 단 한 가지 유형의 메쉬만 사용합니다. 이러한 격자 선택은 수치 해의 안정성과 견고성을 확보하기 위한 의도적인 결정입니다.

 직교 격자의 사용을 "유용하게" 하기 위해, "절단 셀"(고체-유체 경계를 포함하는 셀)의 벽면 처리를 위한 혁신적인 솔루션을 고안해야 했습니다. 아래의 2배 스케일 벽면 함수 설명 부분을 참조하십시오. 이러한 격자 선택의 추가적인 이점은 Simcenter FLOEFD에서의 메싱이 옥트리 세분화를 기반으로 하는 예측 가능하고 제어 가능하며 체계적인 프로세스라는 점입니다. 옥트리 세분화에서 한 단계의 세분화는 셀을 세 방향으로 절반씩 나누어 8개의 새로운 셀을 생성합니다(따라서 옥트리 라고 함 ). 

 메시 세분화는 정점, 모서리, 면 또는 부피(물리적 구성 요소 또는 가상 영역 기반)와 같은 기하학적 특징을 기준으로 이루어질 수 있습니다. 또한 작은 솔리드 특징이나 곡률과 같은 스케일을 기준으로 메시를 세분화할 수도 있어, 중요한 부분에 집중하여 메시를 세분화하는 매우 유연하고 경제적인 방법입니다. 더 나아가, 사용자가 제한된 총 셀 개수 내에서 메시를 최적화하기 위해 솔버가 메시 세분화에 집중할 부분을 결정하도록 하는 솔루션 적응형 세분화 (SAR) 방식도 있습니다. 이를 가장 잘 보여주는 예는 물론 충격파입니다. 

 하지만 장점은 여기서 끝나지 않습니다. Simcenter FLOEFD는 이러한 견고한 메싱 방식을 통해 복잡하고 심지어 "정밀하지 않은" CAD 데이터에도 매우 잘 대응합니다. 여기서 복잡한 CAD 란 임의의 복잡한 형상을 의미하지만, 특히 작고 복잡한 기하학적 디테일이나 좁은 채널이 많은 경우를 말합니다. "정밀하지 않은" CAD란 형상 정의가 불량한 경우, 예를 들어 중립 형식으로의 내보내기 과정에서 발생하는 작은 흠집이나 보이지 않는 표면 불순물 등을 의미합니다. Simcenter FLOEFD의 견고한 메싱 방식( SmartCells 와 함께 사용 )은 메쉬 생성 및 첫 번째 계산 실행에 필요한 CAD 데이터 정리 및 준비 작업을 최소화하며, 솔버 오류 없이 원활하게 계산을 수행할 수 있도록 해줍니다.

 이쯤에서 CFD와 CAD의 완벽한 조합은 Simcenter FLOEFD for NX라고 말씀드리고 싶습니다. Siemens NX는 Simcenter FLOEFD가 활용할 수 있는 고품질 CAD 형상을 생성합니다. 또한 동기식 기술 덕분에 Siemens NX는 뛰어난 CAD 정리 도구 역할도 합니다. 이 두 가지를 결합하면 CFD의 장점을 모두 누릴 수 있어 훨씬 더 즐거운 경험이 됩니다.

스마트셀

Simcenter FLOEFD는 최소한의 시간과 사용자 노력으로 실용적인 엔지니어링 결과를 도출할 수 있습니다(솔버 충돌도 발생하지 않습니다. 이 점을 이미 말씀드렸는지 모르겠습니다). 아래 이미지는 비교적 간단한 형상에 SmartCells를 적용한 사례를 보여줍니다. 산업 현장에서 SmartCells를 활용한 실제 사례는 이 시리즈의 3부를 참조하십시오 .

 지금까지 SmartCells 라는 용어 를 몇 번 보았는데 , 이제 그 의미를 자세히 살펴보겠습니다. SmartCells는 Simcenter FLOEFD가 CAD 모델에서 얻을 수 있는 정보를 기반으로 계산을 조정할 수 있도록 하는 기술을 설명합니다. 예를 들어 두 벽 사이의 유동을 생각해 보겠습니다. SmartCells는 주어진 채널 내의 속도 프로파일을 수치적으로 해석하기에 메쉬 해상도가 충분한지 여부를 자동으로 판단합니다. 셀 수가 부족하면 솔버는 해당 영역의 열 전달 및 전단 응력에 대한 표준 공학 교과서 계산을 자동으로 적용합니다. 이를 " 얇은 채널 기술 "이라고 합니다. 또한, 일반적인 메시 생성기가 표면을 패싯으로 분할하는 곡면도 생각해 볼 수 있습니다.

 Simcenter FLOEFD에서는 실제 형상을 알고 있으므로 해당 셀 내에서 경계층 계산을 그에 맞게 조정할 수 있습니다. 바로 이 점에서 Simcenter FLOEFD는 다른 일반적인 "CAD 내장" 소프트웨어와 확연히 다른 CAD 내장형 소프트웨어입니다. 이러한 특징 덕분에 (CFD 기준으로) 매우 거친 메쉬를 사용하더라도 형상을 정확하게 표현할 수 있어 높은 기하학적 정확도를 유지할 수 있다는 중요한 이점이 있습니다.

 Simcenter FLOEFD는 최소한의 시간과 사용자 노력으로 실용적인 엔지니어링 결과를 도출할 수 있습니다(솔버 충돌도 발생하지 않습니다. 이 점을 이미 말씀드렸는지 모르겠습니다). 아래 이미지는 비교적 간단한 형상에 SmartCells를 적용한 사례를 보여줍니다. 산업 현장에서 SmartCells를 활용한 실제 사례는 이 시리즈의 3부를 참조하십시오 .

스마트셀: 가열된 실린더 위로 흐르는 유체

스마트셀: 가열판을 통과하는 유동형 셀

향상된 난류 모델링

 Simcenter FLOEFD의 향상된 난류 모델링 접근 방식은 1) 자체 개발한 수정된 k-ε 난류 모델과 2) 아래에서 설명할 2단계 벽 함수를 통합합니다.

1) 독자적인 수정 k-ε 난류 모델

 Simcenter FLOEFD에 사용된 수정된 k-ε 난류 모델은 기존의 표준 k-ε 난류 모델 과 차별화되는 다양한 개선 사항을 제공합니다 . 예를 들어, 일반적인 k-ε 모델로는 계산이 불가능한 사이클론 분리기와 같은 회전 흐름이 지배적인 상황을 계산할 수 있습니다. 

 또한 Simcenter FLOEFD는 동일한 메쉬 해상도를 사용하여 층류에서 전이류, 난류로의 전환을 자동으로 처리할 수 있으므로 사용자가 어떤 벽면 처리 및 관련 경계층 메싱 전략을 사용할지 미리 계산할 필요가 없습니다. 이 기능은 유속 및/또는 기하학적 치수의 변화 범위가 다양하여 설계 공간에 층류와 난류가 모두 포함될 수 있는 매개변수 연구를 수행할 때 매우 유용합니다.

2) 2단계 벽 기능

 Simcenter FLOEFD의 향상된 난류 모델링 기능 중 하나는 경계층 계산입니다. 바로 이 부분이 Simcenter FLOEFD와 다른 기존 CFD 도구들을 차별화하는 핵심 요소입니다. 2단계 벽 처리 방식을 통해 Simcenter FLOEFD는 경계층을 "얇은"(셀 크기 >> 경계층 두께) 또는 "두꺼운"(셀 크기 << 경계층 두께) 경계층으로 계산할 수 있습니다. 이는 임의의 복잡한 기하학적 형상을 표현하기 위해 분할 셀 직교 격자를 사용할 때 필수적인 기능입니다. 경계층 계산에 대해서는 여러 가지 설명이 있지만, 간단히 말하자면 해석적 방법과 준해석적 방법(경험적 개선 사항 포함)을 혼합하여 사용하며, 단일 2단계 벽 함수 계산 내에서 다양한 난류 모델을 결합합니다. 솔버는 사용자의 개입 없이도 적절한 계산 방식을 자동으로 적용합니다. 아주 간단하게 작동합니다!

 Simcenter FLOEFD의 향상된 난류 모델링이 실제로 매우 유용하고 강력하다는 것을 입증하기 위해, 본 시리즈 4부 에서 제가 직접 수행한 벤치마크 결과(Ahmed et al., 1984)를 아래 이미지에서 발췌하여 보여드리겠습니다. Simcenter FLOEFD의 향상된 난류 모델링은 기존 CFD에서 각기 다른 난류 모델이 필요한 다양한 유동 현상에 걸쳐 정확하고 일관된 결과를 제공할 수 있음을 분명히 보여줍니다.

 Simcenter FLOEFD는 다양한 대체 난류 모델과 비교하여 향상된 난류 모델링 성능을 보였습니다.

결론

 여기서는 Simcenter FLOEFD를 다른 CFD 소프트웨어와 차별화하는 주요 기술들을 간략하게 소개했습니다. Simcenter FLOEFD는 신뢰할 수 있는 결과를 매번 도출하는 데 필요한 CFD의 복잡하고 미묘한 부분들을 대부분 제거합니다. 현실 세계에서는 다양한 난류 모델을 테스트하고, 매개변수 연구에서 발생하는 기하학적 변화에 맞춰 메시 생성기를 스크립팅 또는 프로그래밍하거나, 수렴 문제 해결에 매달릴 시간이 부족합니다. Simcenter FLOEFD에서는 이러한 CFD 관련 복잡한 작업들이 깔끔하고 사용자 친화적인 환경에 통합되어 있습니다. 따라서 사용자는 시뮬레이션 결과에 영향을 미치는 모든 수치 계산에 직면할 필요가 없습니다. 사용자는 형상, 재료, 환경 및 경계 조건 등을 정확하게 설정하는 기본적인 사항에만 집중하면 되고, 나머지는 Simcenter FLOEFD가 처리합니다. 이처럼 설계 엔지니어에게 CFD를 도입함으로써 제품 개발 속도를 높여 오늘날의 생산성 요구 사항을 충족하고 그 이상을 달성할 수 있습니다.