13가지 필수 CFD 응용: 항공우주, HVAC, 전자 분야 성능 향상

전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)은 유체 흐름(속도, 밀도, 화학적 조성 등) 문제를 해결하기 위해 데이터 구조를 사용하는 과학입니다.

이 기술은 공동 현상 방지, 항공우주 공학, HVAC 공학, 전자 제조 등 다양한 분야에서 사용됩니다.

오늘날 사용 중인 가장 일반적인 CFD 시뮬레이션 응용 분야 목록은 다음과 같습니다.

1. 공동 현상 방지를 위한 CFD 시뮬레이션

공동 현상(cavitation)은 액체 내에서 증기 기포가 형성되는 현상으로, 프로펠러 같은 객체가 액체를 통과할 때 발생합니다. 공동 현상은 프로펠러, 노즐, 터빈, 여수로, 밸브에 손상을 줄 수 있습니다.

공동 현상은 광범위한 엔지니어링 영역에 영향을 미치는 중요한 유체 역학 문제입니다.

가장 큰 문제는?

물리적 스트레스 테스트 중 공동 현상으로 인한 구성요소 손상을 감지하기가 매우 어렵습니다. 손상이 점진적이며 임계 임계값에 도달할 때까지 명백한 효과가 나타나지 않기 때문입니다.

예를 들어, 프로펠러의 공동 현상 손상을 측정하는 한 가지 방법은 진동과 소음을 측정하는 기기를 사용하는 것입니다. 하지만 대부분의 기기는 이러한 유형의 손상을 정확하게 측정할 만큼 충분히 민감하지 않습니다.

그러나 CFD를 통한 공동 현상 시뮬레이션은 엔지니어가 물리적 세계에서 측정하기 어려운 미세한 임계값을 설정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 매우 세분화된 수준에서 측정하여 대체 제품과 설계를 비교하여 프로젝트의 유연성, 내구성, 안전성을 개선할 수 있습니다.

2. CFD를 사용한 회전 기계 시뮬레이션

압축기, 증기 펌프, 가스 터빈, 터보 익스팬더 같은 회전 기계는 한 가지 공통점이 있습니다: 구조에 작용하는 순환 하중입니다.

미로 씰(labyrinth seals)은 다양한 유형의 회전 기계에서 누설 흐름을 줄이는 데 사용됩니다. 씰을 통과하는 가스는 종종 불안정한 로터 진동으로 이어지는 구동력을 생성합니다.

여기서 필수적인 것은 불안정성을 생성하는 동적 로터 힘을 결정하는 것입니다.

다시 한 번, 지속적인 프로토타이핑과 물리적 스트레스 테스트에 투자하는 대신, CFD 시뮬레이션을 사용하여 다양한 설계 변수를 테스트하여 회전 기계의 가장 이상적인 구성을 찾을 수 있습니다.

3. 층류 및 난류 흐름을 위한 CFD 시뮬레이션

난류는 공기, 물 또는 기타 액체의 갑작스럽고 격렬한 움직임입니다. 조종사들이 직면하는 가장 재앙적이고 예측 불가능한 기상 현상 중 하나입니다. 사실 극심한 난류는 항공사 조종사가 비행기를 제어하는 것을 불가능하게 만들 수 있으며 승객에게 심각한 부상을 입힐 수도 있습니다.

CFD 시뮬레이션은 난류 모델을 사용하여 CAD 엔지니어링 설계에 대한 난류의 영향을 예측합니다.

난류 시뮬레이션을 위한 가장 일반적인 모델 중 하나는 ANSYS의 Generalized k-omega(GEKO)입니다. GEKO는 모델 캘리브레이션을 유지하면서 사용자가 시뮬레이션의 개별 매개변수를 조정할 수 있게 하여 다양한 애플리케이션에 난류 모델을 맞춤화하는 데 도움을 줍니다.

4. 난방, 공조, 환기(HVAC) 분야의 CFD 시뮬레이션 응용

우리의 일상생활에서 간과되는 고정물임에도 불구하고, 우리 집과 사무실에 공기를 펌핑하고 조절하는 HVAC 시스템은 집중적인 엔지니어링과 계획이 필요합니다.

공간 공기를 효과적으로 조절하고, 방을 통해 공기가 흐르게 하며, 높은 실내 공기 질(IAQ)을 보장하기 위해 HVAC 제품은 유체 역학의 물리학을 활용해야 합니다.

HVAC 디퓨저, 공기 처리 장치, FTU를 만드는 것은 일반적으로 공기를 효과적으로 순환 및 조절하고 IAQ 표준을 충족할 수 있는지 확인하기 위해 엄격한 테스트가 필요합니다.

따라서 많은 HVAC 장비 제조업체는 새로운 설계의 프로토타이핑과 검증을 가속화하기 위해 CFD 시뮬레이션으로 전환했습니다. CFD 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 다양한 공간과 구성에서 제품의 잠재적 성능을 분석할 수 있습니다.

5. CFD를 사용한 배터리 시뮬레이션

표면적으로 배터리 설계 공정은 항공우주와 HVAC 설계와 공통점이 거의 없어 보입니다. 공기 흐름이 제품의 핵심 기능에서 중요하고 명백한 역할을 하기 때문입니다.

하지만 배터리 설계는 화학, 전기, 열, 유체 공학을 포함한 여러 엔지니어링 관행을 요구하는 다학제적 공정입니다. 따라서 CFD 시뮬레이션은 배터리의 성능과 안전을 최적화하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다(물리적 테스트에 더 적은 시간과 리소스 사용).

Simulia 같은 CFD 소프트웨어는 배터리 제조업체가 3D로 시각화하고 급속 방전, 과도한 주변 가열, 과충전과 관련된 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이는 배터리 수명뿐만 아니라 소비자 안전에도 영향을 미칩니다.

6. CFD를 사용한 공기역학 시뮬레이션

공기역학은 공기가 객체(항공기나 자동차 등) 주위를 어떻게 흐르는지 연구하는 것입니다.

이는 아마도 CFD의 가장 잘 알려진 응용 분야일 것입니다. 자동차 설계자, 항공우주 엔지니어, 스포츠 장비 제조업체 모두 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 공기의 항력과 마찰을 줄이고 제품의 효율성을 개선합니다.

많은 물리적 프로토타입에 투자하지 않고 공기역학적 제품을 설계할 수 있게 하는 것 외에도, 시뮬레이션은 엔지니어가 설계를 아주 작은 변화로 테스트하여 성능을 극대화할 수 있게 합니다. 생산에 들어가기 전에 수십 번 또는 수백 번 테스트할 수 있습니다.

7. CFD에서의 열전달 및 열관리 시뮬레이션

열전달 및 열관리는 열이 고체-유체 설계(뜨거운 액체를 이송하는 파이프 등)를 통해 어떻게 이동하는지 측정하는 분야이며, 열전도, 대류, 복사 원리를 사용하여 설계를 최적화하는 방법입니다.

열관리는 적당한 열이나 냉기가 필요한 설계의 구조적 무결성과 안전을 보장하는 데 필수적입니다. 또한 열이나 연소를 동력으로 사용하는 설계의 성능과 효율을 최적화하는 데 사용될 수 있습니다.

대부분의 전문 CAD 소프트웨어 패키지(솔리드웍스 등)는 열전달 모델 시뮬레이션에 대한 네이티브 지원을 가지고 있습니다.

CFD 시뮬레이션은 자동차 엔진 설계부터 커피 머신 설계까지 모든 것의 열전달을 최적화하는 데 사용됩니다. 또한 이 목록에 언급된 다른 많은 시뮬레이션 유형(예: HVAC)에도 필수적입니다. 여기서 열전달은 제품 핵심 기능의 필수적인 구성요소입니다.

8. CFD를 사용한 파이프 및 밸브 시뮬레이션

유체 흐름은 파이프와 밸브에 엄청난 압력을 가할 수 있으며, 적절히 고려되지 않으면 치명적인 변형과 실패로 이어질 수 있습니다.

따라서 정유소, 천연가스 파이프라인, 주거용 배관은 모두 안전성을 달성하고 고가 장비의 장기적 손상을 방지하기 위해 유체 흐름에 최적화되어야 합니다.

CFD 시뮬레이션의 부상 이전에는 이러한 최적화는 시행착오가 필요했습니다. 파이프 시스템은 최선의 추측 추정으로 구축되었고, 실패 후 개선되거나 수정되었습니다.

CFD 시뮬레이션으로 엔지니어는 파이프 시스템 전체의 성능을 모델링하거나 단일 구성요소(밸브 등)를 분리하여 실패 가능성을 줄일 수 있습니다. CFD 시뮬레이션은 사후에 노후 인프라의 실패를 조사하는 데도 사용될 수 있어 엔지니어에게 무슨 일이 일어났는지 더 정확한 그림을 제공합니다.

9. CFD를 사용한 전자 냉각 시뮬레이션

오늘날 사용되는 모든 전자제품은 어떤 형태의 열관리(히트싱크, 통풍구, 팬, 열 구성요소 또는 이들의 조합)가 필요합니다. GPU와 CPU 같은 칩이 과열되면 오작동하기 때문입니다. 이러한 구성요소는 성능을 유지하기 위해 상대적으로 시원하게 유지되어야 합니다(보통 85°C 미만).

광범위한 시뮬레이션이나 테스트 없이 전자제품 제조업체는 과열로 인해 실패하는 제품(휴대폰, 장난감, 컴퓨터 칩 등)을 시장에 자주 출시하게 될 것입니다.

CFD 시뮬레이션은 구성요소(히트싱크, 팬 등)의 가장 이상적인 배치를 테스트하고 구성하여 민감한 칩이 과열되지 않도록 하는 데 사용될 수 있습니다.

10. 터보머시너리 CFD 시뮬레이션

터보머시너리는 로터에서 유체(압축기나 터빈 등)로 에너지를 전달하는 기계를 설명하는 기계 공학 개념입니다.

항공기 제트 엔진은 터보머시너리의 일반적인 예입니다. 배기 가스에서 추력을 생성하는 가스 터빈이기 때문입니다.

CFD 소프트웨어는 전처리, 모델링, 메싱부터 후처리까지 터보머시너리의 설계와 최적화에 광범위하게 사용됩니다.

11. 고유변학 물질 CFD 시뮬레이션

고유변학 물질은 힘과 응력이 가해질 때 액체처럼 행동할 수 있는 고체입니다. 이러한 물질의 예로는:

• 플라스틱
• 폴리머
• 유리
• 금속
• 시멘트

블로우 몰딩, 열성형, 압출 같은 기술을 사용하여 제조업체는 이러한 고체를 최종 제품으로 성형할 수 있습니다.

CFD 시뮬레이션의 적용을 통해 제조업체는 유변학 물질 설계 공정을 가속화하면서 에너지 및 원자재 수요를 최소화할 수 있습니다. 제조 다이의 형상을 변경하고, 과잉 재료를 줄이고, 유변학 설계를 빠르게 프로토타이핑함으로써 비용 절감을 식별할 수 있습니다.

12. CFD를 사용한 반응 흐름 및 연소 시뮬레이션

화학적으로 반응하는 흐르는 유체(연소 엔진의 경우 등)는 시뮬레이션에서 "반응 흐름(reacting flows)"으로 언급됩니다.

이러한 유형의 흐름은 엔지니어에게 어려운 물리학 문제를 나타냅니다.

화학 벤치 스케일(밀리미터)에서 반응성 유체의 거동을 예측하는 것은 한 가지이지만, 난류를 고려하면서 솔루션 레벨(입방 리터)에서 그렇게 하는 것은 엄청나게 어렵습니다.

그럼에도 불구하고 이것은 중요한 문제입니다.

반응 흐름의 근본적인 화학과 물리를 이해하는 것은 자동차, 항공우주, 에너지 부문에서 에너지 효율, 연료 유연성, 배출 감소 증대에 중추적입니다.

이것은 CFD 시뮬레이션이 뛰어난 영역입니다. 복잡한 다중 물리 문제인 반응 흐름을 처리할 수 있어 제조업체에게 수동으로 계산하기 거의 불가능한 제품에 대한 통찰력을 제공합니다. 비용이 많이 드는 물리적 테스트 없이 말이죠.

13. CFD 시뮬레이션을 사용한 비압축성 및 압축성 흐름

압축성 흐름은 밀도가 일정하지 않은 유체 흐름을 말합니다.

즉, 압력 변화에 따라 밀도가 압축되거나 분해될 수 있는 산소 같은 유체는 압축성 흐름을 가집니다.

비압축성 흐름은 압력에 관계없이 밀도 변화가 무시할 수 있는 유체를 말합니다.

파이프를 통해 흐르는 물은 압력이 밀도에 무한소 영향을 미치기 때문에 비압축성 흐름을 가집니다.

두 유형의 흐름 모두 제조업체와 엔지니어에게 독특한 과제를 제시합니다. 예를 들어 공기역학을 작업하는 엔지니어는 객체가 다른 속도로 이동할 때 산소의 압축성을 분석에 고려해야 합니다. 반대로 비압축성 유체로 작업하는 산업은 격렬하고 강력하며 혼돈스러운 난류 흐름을 계산에 고려해야 합니다.

항공우주의 경우처럼 단일 분석에서 두 유형의 계산이 모두 결합되어야 하는 경우 테스트와 계획은 엄청나게 복잡해질 수 있습니다.

이것이 CFD 시뮬레이션이 많은 현대 제조업체에게 절대적인 필수품인 이유입니다. SimScale 같은 소프트웨어는 서로 다른 유체에 고유한 속성을 할당하여 비압축성 및 압축성 흐름을 하나의 시뮬레이션에서 분석할 수 있게 합니다.

마무리 생각

시뮬레이션의 출현 이전에는 세계의 많은 실용적인 물리학 문제가 비용이 많이 들고(시간이 많이 걸리는) 물리적 테스트로 해결되었습니다. 엄격한 테스트를 생략한 기업들은 장기적으로 제품 실패와 리콜(평판 손상)로 훨씬 더 큰 대가를 치렀습니다.

하지만 시뮬레이션 모델링의 출현으로 모든 산업의 엔지니어와 설계자들은 거의 모든 조건에서 제품을 테스트할 수 있는 저렴한 방법을 얻었습니다.

특히 전산 유체 역학은 유체 흐름, 난류, 열전달이 중요한 계산인 제품의 설계를 테스트하고 개선할 수 있게 합니다.

하지만 테스트는 방정식의 일부일 뿐입니다.

CFD 분석으로 표시된 문제를 수정하기 위해 CAD 설계를 빠르고 효율적으로 업데이트할 수 있는 것은 여전히 설계자들에게 문제입니다. 종종 많은 수동 재작업이 필요하기 때문입니다.

대부분의 CFD 소프트웨어는 CAD 모델을 업데이트하지 않습니다. 대신 설계자가 설계를 수동으로 변경해야 하는 "벡터 필드"를 보여주어 모델을 최적화하는 데 필요한 변형을 나타냅니다.

이 수동 재설계 공정은 스페이셜의 BRep 모핑 툴셋을 사용하여 자동화할 수 있습니다. 벡터 변형 필드(이전과 이후 점 세트)가 주어지면, 이 툴셋은 어떤 BRep 지오메트리든 자동으로 모핑할 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 시뮬레이션 결과를 설계에 쉽게 반영할 수 있습니다.