CFD 시뮬레이션 및 모델링의 13가지 주요 응용

전산 유체 역학(CFD)은 데이터 구조를 사용하여 속도, 밀도 및 화학 조성과 같은 유체 흐름 문제를 해결하는 과학입니다.

이 기술은 캐비테이션 방지, 항공 우주 공학, HVAC 엔지니어링, 전자 제품 제조 등과 같은 분야에서 사용됩니다.

다음은 오늘날 사용되는 가장 일반적인 CFD 시뮬레이션 응용 프로그램의 목록입니다.

1. 캐비테이션 방지를 위한 CFD 시뮬레이션

캐비테이션은 액체 내에서 증기 기포가 형성되는 것으로, 물체(예:프로펠러)가 액체를 통과할 때 발생합니다. 캐비테이션은 프로펠러, 노즐, 터빈, 배수로 및 밸브에 손상을 줄 수 있습니다.

캐비테이션은 광범위한 엔지니어링 영역에 영향을 미치는 중요한 유체 역학 문제입니다.

가장 큰 문제는?

물리적 스트레스 테스트 중에 구성 요소에 캐비테이션으로 인한 손상을 감지하는 것은 매우 어렵습니다. 손상이 점진적이고 임계 임계값에 도달할 때까지 명백한 영향을 나타내지 않기 때문입니다.

예를 들어, 프로펠러의 캐비테이션 손상을 측정하는 한 가지 방법은 진동과 소음을 측정하는 기기를 사용하는 것입니다. 그러나 대부분의 장비는 이러한 유형의 손상을 정확하게 측정할 만큼 충분히 민감하지 않습니다.

그러나 CFD를 통한 캐비테이션 시뮬레이션은 엔지니어가 물리적 세계에서 측정하기 어려운 작은 임계값을 설정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그들은 프로젝트의 유연성, 내구성 및 안전성을 향상시키기 위해 대안 제품과 디자인을 비교하기 위해 매우 세분화된 수준에서 측정할 수 있습니다.

2. CFD를 사용한 회전 기계 시뮬레이션

압축기, 증기 펌프, 가스터빈 및 터보 팽창기와 같은 회전 기계에는 한 가지 공통점이 있습니다. 바로 구조물에 작용하는 주기적 하중입니다.

Labyrinth 씰은 누설 흐름을 줄이기 위해 다양한 회전 유형의 기계에 사용됩니다. 씰을 통과하는 가스는 종종 불안정한 로터 진동으로 이어지는 구동력을 생성합니다.

여기서 중요한 것은 불안정성을 유발하는 동적 로터 힘을 결정할 수 있어야 한다는 것입니다.

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

3. 층류 및 난류 유동에 대한 CFD 시뮬레이션

난기류는 공기, 물 또는 기타 액체의 갑작스러운 격렬한 움직임입니다. 조종사가 직면하는 가장 재난적이고 예측할 수 없는 기상 현상 중 하나입니다. 사실, 극도의 난기류는 항공기 조종사가 비행기를 조종하는 것을 불가능하게 만들고 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 GEKO(Generalized k-omega)입니다. GEKO는 사용자가 모델 보정을 유지하면서 시뮬레이션의 개별 매개변수를 조정할 수 있도록 하여 난류 모델을 다양한 응용 분야에 맞게 조정할 수 있도록 지원합니다.

4. CFD 시뮬레이션의 난방, 공조 및 환기(HVAC) 응용

일상 생활에서 간과되고 있는 설비임에도 불구하고 가정과 사무실에 공기를 공급하고 조절하는 HVAC 시스템에는 집중적인 엔지니어링 및 계획이 필요합니다.

공간의 공기를 효과적으로 조절하고 실내를 흐르는 공기를 유지하며 높은 실내 공기질(IAQ)을 보장하기 위해 HVAC 제품은 유체 역학의 물리학을 활용해야 합니다.

HVAC 디퓨저, 공기 처리 장치 및 FTU를 만들려면 일반적으로 공기를 효과적으로 순환 및 조절하고 IAQ 표준을 충족하는지 확인하기 위해 엄격한 테스트가 필요합니다.

따라서 많은 HVAC 장비 제조업체는 CFD 시뮬레이션으로 전환하여 프로토타이핑 속도를 높이고 새로운 설계를 검증하고 있습니다. CFD 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 다양한 공간과 다양한 구성에서 제품의 잠재적 성능을 분석할 수 있습니다.

5. CFD를 사용한 배터리 시뮬레이션

액면 그대로 배터리 설계 프로세스는 항공우주 및 HVAC 설계와 거의 공통점이 없는 것 같습니다. 여기서 기류는 제품의 핵심 기능에서 중요한(그리고 분명한) 역할을 합니다.

그러나 배터리 설계는 화학, 전기, 열 및 유체 공학을 비롯한 여러 엔지니어링 관행이 필요한 다학문 과정입니다. 따라서 CFD 시뮬레이션은 배터리의 성능과 안전성을 최적화하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다(물리적 테스트에 더 적은 시간과 리소스를 사용함).

Simulia와 같은 CFD 소프트웨어는 배터리 제조업체가 3D로 시각화하고 배터리 수명뿐만 아니라 소비자 안전에도 영향을 미치는 급속 방전, 과도한 주변 가열 및 과충전과 관련된 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

6. CFD로 공기 역학 시뮬레이션

공기 역학은 공기가 물체(항공기 또는 자동차와 같은) 주위로 흐르는 방식에 대한 연구입니다.

자동차 설계자, 항공우주 엔지니어 및 스포츠 장비 제조업체가 모두 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 공기의 항력과 마찰을 줄이는 동시에 제품의 효율성을 향상시키기 때문에 CFD의 가장 잘 알려진 응용 프로그램일 것입니다.

많은 물리적 프로토타입에 투자하지 않고 공기역학적 제품을 설계할 수 있는 것 외에도 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 설계에 대한 아주 작은 변경 사항을 테스트하여 성능을 극대화할 수 있습니다. 생산에 들어가기 전에 수십 또는 수백 번입니다.

7. CFD의 열 전달 및 열 관리 시뮬레이션

열 전달 및 열 관리는 고체-유체 설계(예:뜨거운 액체를 전달하는 파이프)를 통해 열이 이동하는 방식과 열 전도, 대류 또는 복사의 원리를 사용하여 설계를 최적화하는 방법을 측정하는 분야입니다.

열 관리는 적당한 열 또는 냉기가 필요한 설계의 구조적 무결성과 안전성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 또한 열이나 연소를 동력으로 사용하는 설계의 성능과 효율성을 최적화하는 데 사용할 수도 있습니다.

SolidWorks와 같은 대부분의 전문 CAD 소프트웨어 패키지는 열 전달 모델 시뮬레이션을 기본적으로 지원합니다.

CFD 시뮬레이션은 자동차 엔진 설계에서 커피 머신 설계에 이르기까지 모든 분야에서 열 전달을 최적화하는 데 사용됩니다. 또한 이 목록에 언급된 수많은 다른 시뮬레이션 유형(HVAC 등)에도 매우 중요합니다. 여기서 열 전달은 제품의 핵심 기능의 필수 구성요소입니다.

8. CFD를 사용한 파이프 및 밸브 시뮬레이션

유체 흐름은 파이프와 밸브에 엄청난 압력을 가할 수 있으며 적절하게 고려되지 않으면 심각한 변형 및 고장으로 이어질 수 있습니다.

따라서 정유 공장, 천연 가스 파이프라인 및 주거용 배관은 모두 유체 흐름에 최적화되어 안전을 달성하고 값비싼 장비에 대한 장기적인 손상을 방지해야 합니다.

CFD 시뮬레이션이 등장하기 전에 이러한 종류의 최적화에는 시행착오가 필요했습니다. 배관 시스템은 최상의 추정치로 구축되었으며, 실패 후 개선되거나 수정되었습니다.

엔지니어는 CFD 시뮬레이션을 통해 전체 파이프 시스템의 성능을 모델링하거나 단일 구성요소(예:밸브)를 분리하여 고장 가능성을 줄일 수 있습니다. CFD 시뮬레이션은 또한 노후화된 인프라의 고장을 사후 조사하는 데 사용할 수 있어 엔지니어에게 무슨 일이 일어났는지 보다 정확하게 파악할 수 있습니다.

9. CFD를 사용한 전자 냉각 시뮬레이션

오늘날 사용되는 모든 전자 장치에는 열 관리(방열판, 통풍구, 팬, 열 구성 요소 또는 조합)가 필요합니다. GPU 및 CPU와 같은 칩이 과열되면서 오작동하기 시작하기 때문입니다. 이러한 구성 요소는 성능을 유지하기 위해 비교적 낮은 온도로 유지해야 합니다(보통 85°C 미만).

광범위한 시뮬레이션이나 테스트 없이 전자 제품 제조업체는 과열로 인해 실패한 제품(예:전화, 장난감, 컴퓨터 칩 등)을 시장에 자주 출시할 것입니다.

CFD 시뮬레이션은 민감한 칩이 과열되지 않도록 구성 요소(방열판, 팬 등)의 가장 이상적인 배치를 테스트하고 구성하는 데 사용할 수 있습니다.

10. 터보기계 CFD 시뮬레이션

터보 기계는 로터에서 유체(예:압축기 또는 터빈)로 에너지를 전달하는 기계를 설명하는 기계 공학 개념입니다.

항공기 제트 엔진은 배기 가스에서 추력을 생성하는 가스 터빈이기 때문에 터보 기계의 일반적인 예입니다.

CFD 소프트웨어는 전처리, 모델링, 메싱에서 후처리에 이르기까지 터보 기계의 설계 및 최적화에 광범위하게 사용됩니다.

11. 고유변성 재료 CFD 시뮬레이션

고 유변학 물질은 힘과 응력이 가해질 때 액체처럼 거동할 수 있는 고체입니다. 이러한 자료의 예는 다음과 같습니다.

• 플라스틱
• 폴리머
• 유리
• 금속
• 시멘트

중공 성형, 열성형 및 압출과 같은 기술을 사용하여 제조업체는 이러한 고체를 최종 제품으로 성형할 수 있습니다.

제조업체는 CFD 시뮬레이션을 적용하여 유변학 재료 설계 프로세스를 가속화하는 동시에 에너지 및 원자재 수요를 최소화할 수 있습니다. 그들은 제조 다이의 모양을 변경하고, 과잉 재료를 줄이고, 유변학적 설계를 신속하게 프로토타이핑하여 비용 절감을 확인할 수 있습니다.

12. CFD로 반응 흐름 및 연소 시뮬레이션

화학적으로 반응성이 있는 흐르는 유체(예:연소 엔진의 경우)는 시뮬레이션에서 "반응 흐름"이라고 합니다.

이러한 유형의 흐름은 엔지니어에게 어려운 물리학 문제를 나타냅니다.

화학 벤치 규모(밀리미터)에서 반응 유체의 거동을 예측하는 것은 한 가지입니다. 그러나 난류를 고려하면서 용액 수준(입방 리터)에서 예측하는 것은 매우 어렵습니다.

그럼에도 불구하고 중요한 문제입니다.

반응 흐름의 기본 화학 및 물리학을 이해할 수 있다는 것은 자동차, 항공 우주 및 에너지 부문에서 에너지 효율성, 연료 유연성 및 배출량 감소를 높이는 데 중요합니다.

이것은 CFD 시뮬레이션이 뛰어난 영역입니다. 반응 흐름과 같은 복잡한 다중 물리학 문제를 처리할 수 있어 값비싼 물리적 테스트 없이 수동으로 계산하기 거의 불가능한 제품에 대한 통찰력을 제조업체에 제공할 수 있습니다.

13. CFD 시뮬레이션을 사용한 비압축성 및 압축성 흐름

(출처:SimScale)

압축성 흐름은 밀도가 일정하지 않은 유체 흐름을 나타냅니다.

다시 말해, 압력 변화에 따라 밀도가 압축되거나 압축 해제될 수 있는 산소와 같은 유체는 압축성 흐름을 가지고 있습니다.

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

파이프를 통해 흐르는 물은 비압축성 흐름을 가지고 있습니다. 압력은 밀도에 극미한 영향을 미치기 때문입니다.

두 가지 유형의 흐름 모두 제조업체와 엔지니어에게 고유한 과제를 제시합니다. 예를 들어 공기 역학을 연구하는 엔지니어는 분석 시 산소의 압축률(물체가 다른 속도로 이동하는 경우)을 고려해야 합니다. 반대로, 비압축성 유체를 다루는 산업은 폭력적이고 강력하며 혼란스러운 난류를 계산에 고려해야 합니다.

그리고 두 가지 유형의 계산을 단일 분석으로 결합해야 하는 항공우주의 경우 테스트와 계획이 엄청나게 복잡해질 수 있습니다.

이것이 CFD 시뮬레이션이 많은 현대 제조업체에게 절대적으로 필요한 이유입니다. SimScale과 같은 소프트웨어를 사용하면 엔지니어가 다른 유체에 고유한 속성을 할당하여 하나의 시뮬레이션에서 비압축성 및 압축성 흐름을 분석할 수 있습니다.

마무리 생각

시뮬레이션이 도래하기 전에는 세계의 많은 실제 물리학 문제가 값비싼(그리고 시간이 많이 소요되는) 물리적 테스트로 해결되었습니다. 엄격한 테스트를 거친 제품을 보유한 회사는 장기적으로 제품 고장 및 리콜(및 평판 손상)으로 훨씬 더 많은 비용을 지불했습니다.

그러나 시뮬레이션 모델링의 출현으로 모든 산업 분야의 엔지니어와 설계자는 거의 모든 조건에서 제품을 테스트할 수 있는 저렴한 방법에 액세스할 수 있게 되었습니다.

특히 전산 유체 역학을 통해 엔지니어는 유체 흐름, 난류 및 열 전달이 중요한 계산인 제품 설계를 테스트하고 개선할 수 있습니다.

그러나 테스트는 방정식의 일부일 뿐입니다.

CAD 설계를 빠르고 효율적으로 업데이트하여 CFD 분석에 의해 표시된 문제를 수정하는 것은 설계자에게 여전히 문제입니다. 이는 종종 많은 수동 재작업이 필요하기 때문입니다.

산업 전반에 걸쳐 시뮬레이션을 대규모로 채택하려면 시뮬레이션 애플리케이션을 사용하기 쉬워야 합니다.

CAD 및 시뮬레이션 작업을 하는 디자이너 또는 엔지니어라면 시뮬레이션 출력을 기반으로 제품을 재설계하는 데 필요한 작업량에 대해 잘 알고 있을 것입니다. 대부분의 CFD 소프트웨어는 CAD 모델을 업데이트하지 않습니다. 대신 모델을 최적화하는 데 필요한 변형을 보여주는 "벡터 필드"를 제공합니다. 그런 다음 디자인을 수동으로 변경하는 것은 디자이너의 책임입니다.

이 수동 재설계 프로세스는 Spatial의 BRep 모핑 도구 세트를 사용하여 자동화할 수 있습니다. 벡터 변형 필드(이전 및 후 포인트 세트)가 주어지면 이 도구 세트를 사용하면 모든 BRep 지오메트리를 자동으로 모핑할 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 시뮬레이션 결과를 쉽게 설계에 반영할 수 있습니다.