전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)이란?

CFD는 Computational Fluid Dynamics의 약자로, 컴퓨터를 활용하여 유체의 운동을 기술하는 지배 방정식을 계산하고 시간적·공간적 변화에 따른 물리적 특성을 예측하는 학문 분야입니다.

지배방정식은 운동량 보존을 위한 Navier-Stokes 방정식, 질량 보존을 위한 연속 방정식, 에너지 보존을 위한 에너지 방정식으로 구성됩니다. 이 방정식들은 비선형 편미분 방정식으로 이루어져 있어 정확한 해를 구하기 어렵기 때문에 근사 해를 구하기 위해 수치 해석 기법이 사용됩니다.

일반적으로 유한체적법(FVM)을 사용하여 편미분 방정식을 대수 방정식으로 변환한 후, 대수 방정식의 행렬 계산을 통해 해를 구합니다. 공간을 셀이라 불리는 작은 조각으로 분할하고, 셀 중심에서의 값을 계산한 후, 보간법을 통해 면과 점에서의 값을 구합니다.

난류 유동의 문제

속도가 높고 점도가 낮을 때, 속도 변동이 심한 난류가 발생합니다. 대부분의 공학적 문제는 난류를 포함하며, 난류는 유속, 압력, 열전달, 물질 전달과 같은 물리적 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 다양한 스케일의 모든 난류 성분을 포착하려면 막대한 계산 비용이 필요하므로 모델링 방법이 사용됩니다.

가장 일반적으로 사용되는 방법은 시간 평균 난류 점도를 사용하여 난류 성분이 주류에 미치는 영향을 모델링하는 것입니다. Navier-Stokes 방정식을 시간 평균한 Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 사용하며, 별도의 난류 수송 방정식을 계산합니다. 이 경우 CFD 해석을 위한 전체 지배 방정식은 하나의 연속 방정식, 하나의 에너지 방정식, x, y, z 방향의 세 개의 운동량 방정식, 그리고 난류 모델에 따라 하나에서 여섯 개의 추가 난류 수송 방정식으로 구성됩니다.

CFD의 활용 분야 및 사례

전통적인 활용 분야

전통적인 CFD 응용 분야는 항공우주, 조선, 에너지, 환경, 건설 및 토목 공학이 포함되며, 이들 모두 제품이나 시스템의 성능이 유체 거동에 크게 영향을 받는 분야입니다. 주요 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 항공기, 차량, 선박, 잠수함, 미사일, 어뢰 등 유체력이 중요한 이동체
• 화력발전, 환경설비 등 유체의 혼합 및 화학반응이 중요한 분야
• 압축기, 터빈, 팬, 펌프 등 유체력으로 작동아흔 유체기계
• 건물, 교량 등 바람의 영향이 중요한 구조물
• 건물 내부, 수송체 내부, 클린룸 등의 환기 문제

적용 분야의 확대

다양한 산업 분야에서 제품 성능이 향상됨에 따라 열유체 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 솔루션은 전자 제품의 소형화로 인한 발열 문제, 데이터 센터의 환기/냉각 시스템, 화학 플랜트의 효율성 향상 등 다양한 과제를 해결하는 데 활용되고 있습니다.

최근 환경 및 안전 문제의 중요성이 커짐에 따라 해당 분야는 풍력, 배터리, 연료전지와 같은 대체 에너지원, 화재, 태풍, 홍수와 같은 재난 관리, 도시 풍황 조건 등으로 확대되었습니다. 산업적 응용을 넘어 혈관 흐름, 스포츠카, 드론, 자전거, 오토바이, 수영, 야구 등 의료 및 레저 분야에서의 응용도 증가하고 있습니다. 더 많은 내용 보기

CFD의 특징 – 쉽지 않은 이유

• 고해상도 격자가 필요 – 유체는 변화가 심하기 때문
• 고성능의 HPC 필요, 계산 시간이 매우 길다
• 다양한 물리 현상이 복합적으로 작용
• 눈에 보이지 않고 결과의 정확성을 판단하기 어려움
• SW 사용 비용이 매우 높다
• 체계적인 절차서가 없고, 엔지니어링 능력 및 유체역학적 지식이 필요
• 왜/어디에 필요한지, 어떻게 적용할지 판단이 어렵다

CFD 해석 방법

• 유한체적법, Finite Volume Method, FVM : 대부분의 CFD 코드가 사용하는 방법
• 유한차분법, Finite Difference Method, FDM : 초창기에 사용되었으나 지금은 거의 사용하지 않음
• 유한요소법, Finite Element Method, FEM : 구조해석에 주로 사용
• 입자법, Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH : 이 방법은 유체를 입자의 집합으로 표현하고 각 입자의 움직임을 추적하지만, 그 적용 범위는 제한적입니다.
• Lattice Boltzmann Method, LBM
• 무격자기법, Meshless : 공간 격자 없이 점 분포를 이용해서 계산. 공간 격자 생성이 필요 없어 복잡한 물체의 운동 시뮬레이션에 강력한 기능이 있습니다. 자세한 내용 보기(FAMUS)

CFD 해석 절차

CFD 해석 절차는 전처리-계산-후처리로 이루어집니다.

전처리 과정은 형상 준비, 격자 생성, 계산 조건 설정을 포함합니다. 대부분의 형상 생성은 3D CAD 프로그램을 사용하여 수행됩니다. 공간 정보 데이터는 도시나 산악 지형의 풍환경 분석에 활용될 수 있으며, 단순한 형상의 경우 3D 그래픽 데이터를 사용할 수 있습니다. 격자 생성 시에는 문제에 맞게 토폴로지, 셀 크기 및 밀도를 설계하며, 격자 생성 프로그램을 사용합니다.

격자가 준비되면 경계 조건, 초기 조건, 물리 모델, 수치 해석 기법 등을 설정하고 SMP, 클러스터, 클라우드 등을 사용하여 계산을 수행합니다.

계산이 완료된 후에는 필요한 데이터 추출, 이미지 생성, 동영상 생성, 그래프 생성, 보고서 작성 등의 후처리 단계가 수행됩니다.

CFD의 장점과 단점

• Low cost : 일반적으로 풍동 시험이나 모형 시험보다 저렴하다고 여겨지지만, 사용된 모델링 방법과 코드에 따라 항상 그런 것은 아닙니다. 그러나 실물 크기 항공기용 초음속 풍동(아래 왼쪽 그림)이나 Icing 터널(아래 오른쪽 그림)과 같은 경우에는 비용 차이가 상당할 수 있습니다.
• Speed : 모델 테스트나 성능시험에 비해 빠른 결과를 얻을 수 있으나, 문제에 따라 다를 수 있습니다.
• Simulate Real/Ideal Conditions : 실제의 극한 조건에 대한 시뮬레이션이 용이하며, 이상적인 조건을 구현할 수 있습니다.
• Comprehensive information : 실험에서 얻기 힘든 다양한 물리 정보 획득이 가능합니다.
• Users : 실험에는 시험 시설과 전문가가 필요하지만, 오픈 소스 코드를 사용하면 누구나 CFD 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.

CFD 해석 수행 방법

• 인하우스 코드 : 대학 등에서 자체 개발한 코드
• 오픈 소스 코드 : 누구나 사용 가능, 사용자 수와 병렬연산 제한이 없습니다.
• 상용 코드 : 높은 라이선스 비용이 문제가 되며 사용자 수와 병렬연산에 제한이 있습니다.
• CFD SaaS (Software as a Service): 클라우드에 접속해서 사용하며, 하드웨어 사용료를 지불해야 하며, 상용 SW는 라이선스 사용료도 지불해야 합니다.
• 전용프로그램 : 해석 프로세스 자동화를 통해 비전문가도 사용할 수 있게 직접 개발해서 사용합니다. 자세히 보기