전산 유체 역학(CFD) 이해

전산 유체 역학(종종 CFD로 축약됨)은 다양한 산업 및 응용 분야에서 사용됩니다.

SoC(System on Chip)를 적절히 작동할 수 있을 만큼 냉각시키는 효율적인 방법을 엔지니어링하는 것부터 경주용 자동차가 시간을 몇 초만 더 단축할 수 있도록 돕는 것까지, 전산 유체 역학은 시뮬레이션 및 최적화를 위한 강력한 도구로 남아 있습니다.

그림 1. CFD는 종종 항공우주 및 자동차 설계와 관련이 있지만 전기 모터, 로봇 공학, 배터리 및 열 관리를 비롯한 다양한 산업에 적용됩니다. 이미지 사용:Siemens 제공

전산유체역학(CFD)이란 무엇입니까?

CFD는 유체 역학 원리를 기반으로 하는 수치 시뮬레이션 및 모델링 도구입니다. 수치적 방법과 알고리즘을 활용하여 유체의 흐름과 관련된 문제를 해결합니다.

이 설명의 일부로 유체가 액체에 국한되지 않는다는 점을 고려하는 것이 중요합니다. 유체에는 공기와 같은 기체도 포함됩니다. CFD는 시스템을 통해 흐를 때 유체 흐름, 화학 반응, 상 변화, 열 및 물질 전달, 액체, 기체 및 고체를 시뮬레이션할 수 있습니다.

전산 유체 역학(CFD) 작동 원리:기본 사항

관련된 주요 지배 방정식은 연속 방정식(질량 보존), 뉴턴의 제2법칙(운동량 보존) 및 열역학 제1법칙(에너지 보존)입니다. 주요 변수는 밀도, 열전도율, 엔탈피 및 점도와 함께 속도, 압력 및 절대 온도입니다.

그림 2. 흐름 시뮬레이션은 고체, 다른 액체 및 열과 상호 작용할 때 시스템을 통과하는 유체 입자의 흐름을 보여줍니다. Autodesk에서 제공한 이미지 사용

CFD 시뮬레이션은 흐름 영역 내의 모든 지점에서 속도, 압력 및 온도를 이해하는 것을 목표로 합니다.

CFD 모델링 결과

CFD 모델링 결과는 유체 흐름의 속도(속도 및 방향)를 나타내는 유선, 온도 분포를 보여주는 맵, 단일 유체 입자의 움직임을 보여주는 입자 추적을 포함할 수 있는 유익한 시각화를 제공하기 위해 후처리될 수 있습니다(몇 가지 예를 들자면 ).

컴퓨팅 성능과 그래픽 기능이 지속적으로 증가함에 따라 시각화를 3D로 조작하고 매력적인 이미지, 비디오 및 애니메이션을 생성하여 사용자가 데이터를 해석하고 비기술적인 청중과 공유할 수 있습니다.

가장 널리 사용되는 전산 유체 역학 모델은 무엇입니까?

CFD에서 가장 널리 사용되는 모델은 FVM으로 Finite Volume Model의 약자입니다. 엄밀히 말하면 유체 체적을 유한 제어 체적으로 나누는 이산화 방법입니다. 이러한 개별 제어 볼륨은 볼륨의 중심에 위치한 노드를 중심으로 합니다.

모델 지배 방정식의 미분 형식이 통합되고 보간 프로파일을 사용하여 중심 간의 관심 변수를 얻습니다. 이산화 또는 이산화 방정식으로 알려진 결과 방정식 , 그리고 대조체적 내부의 변수에 대한 보존원리를 표현한다.

FVM은 그 다양성과 솔루션이 에너지, 종, 운동량 또는 질량과 같은 양의 보존을 만족시키기 때문에 매우 인기가 있습니다. 보존은 개별 제어 볼륨과 전체 계산 영역 모두에 대해 정확히 충족됩니다.

그림 3. CFD는 미션 크리티컬 애플리케이션에 사용되는 모듈식 섀시의 예에서와 같이 전자 제품의 열 관리에서 광범위한 애플리케이션을 찾습니다. ANSYS 제공 이미지 사용

CFD와 함께 사용할 수도 있는 다른 방법으로는 일반적으로 고체 역학과 관련된 FEM(Finite Element Method) 및 FEA(Finite Element Analysis)가 있습니다.

FDM 또는 유한 미분 방법도 있습니다. 이 특정 방법은 FVM 및 FEM만큼 CFD에 널리 사용되지는 않지만 날씨 계산, 지진학, 영화 및 TV용 특수 효과에 광범위하게 적용됩니다.

전산 유체 역학은 무엇에 사용됩니까?

일반적으로 CFD는 값비싼 프로토타입이 제조되기 전에 유체 흐름과 관련된 설계를 최적화, 분석 및 검증합니다. 이러한 프로토타입에 대해 비용이 많이 드는 물리적 테스트가 수행됩니다.

일반적으로 CFD는 다음에 사용할 수 있습니다.

<울>

배터리 시뮬레이션

전기 모터 냉각

유변학

에너지 효율성

열 관리

유체-구조 상호작용

모양 최적화

난류 모델링

공조

터빈 블레이드 최적화

항공기/항공우주 디자인

자동차 디자인

보다 구체적으로 CFD는 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

<울>

SoC를 위한 효과적인 열 관리 최적화

생체 영감을 받은 수중 로봇을 위한 운동 개발

소프트 로봇 매니퓰레이터의 설계

수냉식 전기 모터 엔지니어링

원유 오염 열전달 표면 연구

군용 통신 전자 제품을 위한 견고한 모듈식 섀시의 열 관리

레이스 카의 성능 최적화

또한 CFD를 FEA와 함께 사용하여 유체, 열역학, 열, 전기, 자기 및 구조 분석 간의 복잡한 상호 작용을 캡처할 수 있습니다.

그림 4. CFD는 온도를 제어하는 ​​데 필요한 냉각 기류와 같은 주요 특성에 대한 정보를 제공하여 데이터 센터 에너지 효율성을 최적화할 수 있습니다. Autodesk에서 제공한 이미지 사용

전산 유체 역학 소프트웨어

시장에는 다양한 CFD 소프트웨어 패키지가 있습니다. 예를 들어, ANSYS Fluent와 CFX는 잘 알려진 두 가지 CFD 소프트웨어 패키지입니다. PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM+, Flotherm 및 Autodesk CFD도 있습니다.

그러나 모든 CFD 패키지가 상업적인 것은 아닙니다. OpenFOAM은 Linux, macOS 및 Windows 10에서 실행되는 무료 오픈 소스 CFD 패키지입니다. 또한 SimScale과 같은 브라우저 기반 CFD 시스템은 다음을 기반으로 합니다. 오픈폼. CFD 솔루션 데이터에 생명을 불어넣는 Ceetron Desktop Components와 같은 강력한 후처리 도구도 있습니다.

제대로 실행되면 유체의 거동과 유체가 고체, 열, 상 변화 및 화학 반응과 상호 작용하는 방식을 나타낼 수 있습니다. CFD는 다양한 산업에서 사용되어 설계를 최적화하고 프로토타이핑 및 물리적 테스트를 위한 시간과 비용을 절약합니다. 제트 엔진 및 경주용 자동차 차체의 연료 노즐부터 소프트 로봇 및 데이터 센터 공기 냉각 시스템에 이르기까지 CFD는 엔지니어링 과정에서 몇 번이고 귀중한 것으로 입증되었습니다.