소프트 웨 어 소 개
진봉용
(주)씨디어댑코 코리아 [email protected]
전산유체역학의 소개
전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD)은 공기나 물 과 같은 형태의 유체들의 유동과 관련하여 질량보존 방정식, 운동량 방 정식 및 에너지 방정식 등을 수치적 이산화 및 다양한 알고리즘을 이용 하여 컴퓨터를 사용하여 계산하는 학문이다. 모든 유체역학의 지배적 인 방정식은 Navier-Stokes 방적식으로 아직까지 해석적인 해는 없는 것 으로 알려져 있다. CFD 해석 기술은 이러한 비선형 방정식을 공간 및 시 간에 대한 이산화와 수치해석적인 기법을 이용하여 근사적으로 풀기 위 해 개발되어 왔으며, 컴퓨터의 성능 향상과 해석 기술 발달에 힘입어 다 양한 유동현상들을 분석할 수 있게 되었다. Navier-Stokes 방정식은 클로 드 루이 나비에르(Claude Louis Marie Henri Navier, 1785.2.10~ 1836.8.21, 프랑스 물리학자)와 조지 가브리엘 스톡스(George Gabriel Stokes, 1819.8.13~1903.2.1 영국의 수학자, 물리학자)가 처음 소개를 하였기에 이들의 이름을 인용하여 Navier-Stokes 방정식이라고 불린다. 역사적으 로 CFD 해석 기술은 Navier-Stokes 방정식에서 점성항과 와류항을 제거 하여 선형화 시킨 선형 포텐셜 방정식 푸는 패널 코드부터 점성항만 제거
전산 환경을 이용하여 관심 유동 공간에서의 물리 적 현상들을 구현하는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 분야에 대해 소개를 하며, STAR - CCM+를 활용한 설비공학 분야에서의 CFD 해석 사 례들을 소개하고자 한다.
전산유체역학의 소개 및
설비 분야에서의
CFD 해석 사례
소프 트웨
소프트웨어 소개 어 소개
한 오일러 방정식을 푸는 오일러 코드를 거쳐 현재 에 최신 CFD 코드들로 진화해 왔다. 초기 CFD 해석 은 항공분야의 공력해석에 주로 적용되었고 이후 여러 산업분야로 적용범위가 확대되어 최근에는 기 본적인 유동 현상뿐만 아니라 열전달, 화학 반응, 소 음, 다상 유동 등 다양한 물리적 현상들까지도 해석 할 수 있게 되었다. 이러한 해석 기술 발전에 힘입 어 CFD 솔루션들은 다양한 응용분야에서 제품 및 시스템의 설계, 시험, 검증 및 운영 부분까지 폭넓게 사용되고 있다.
CFD 해석 소프트웨어 STAR-CCM+의 소개
STAR-CCM+는 CD-adapco사에서 2005년 새롭 게 출시한 범용 CAE 솔류션으로서 유체유동, 열전 달, 유동소음, 다상유동, 연소, 화학반응, 전자기장 에 이르기까지 다양한 물리적인 현상들을 해석할 수 있을 뿐만 아니라 널리 사용되는 1차원 코드들이 나 구조해석 솔루션들과도 연동되는 유연한 환경을 제공하고 있다. CD-adapco는 고객의 요구사항들을
개발에 빠르게 반영하여 매년 3번의 프로그램 업그 레이드를 진행하고 있으며 폭 넓은 해석 기술들을 설비, 건축, 자동차, 항공, 국방, 조선, 중공업, 화공, 전자, 에너지 등 다양한 산업 분야에 제공하고 있다.
STAR-CCM+는 3차원 형상 처리, 격자 생성 및 해석 조건 입력을 위한 전처리(Pre-processing), 수치계산을 수행하는 솔버(Solver)와 계산 결과를 가시화해 주는 후처리(Post-processing) 과정이 하 나의 단일 플랫폼에서 사용자가 쉽게 운용할 수 있 는 통합 환경을 제공하고 있다.
CFD 해석에 있어서 형상 제작(Geometry Build
ing), 형상 정리(Geometry modification or clean-up) 및 격자생성(Mesh generation)에 해당하는 전처리 과정은 엔지니어들에게 매우 많은 시간과 노력을 요구하고 있으며, 전체 작업 시간을 결정하는 중요 요소로 작용한다. 이러한 이유로 전처리 시간을 보 다 쉽고 빠르게 할 수 있도록 STAR-CCM+에서는 자 동으로 형상을 정리할 수 있는 Auto Wrapping 기술 을 제공한다. Auto Wrapping 기술은 기존에 존재하 는 CAD 데이터 표면에 또 다른 면을 가상으로 입혀 서 이 면에 표면 격자를 생성하는 방법으로써 복잡
[그림 1] STAR-CCM+의 작업환경
한 형상을 쉽고 빠르게 정리할 수 있다.
그림 2에서 보이는 바와 같이 일반적으로 3차 원 형상 데이터를 CAE 솔루션으로 가져오게 되면 일부 형상 데이터가 손실되거나 표면의 격자질이 해석에 부적합하게 읽히는 경우가 있는데 STAR- CCM+의 Auto Wrapping 기법을 사용하면 사용자 가 수작업을 하지 않고도 자동으로 쉽게 해석에 필 요한 양질의 형상 표면(그림 3)으로 깔끔하게 정 리할 수 있다. CFD 해석 작업 중 해당 문제에 맞는 고품질의 격자는 정확한 결과를 얻기 위한 중요한 작업이다. STAR-CCM+의 가장 강력한 능력 중의 하나인 자동격자 기능은 어떤 형태의 복잡한 형상 을 대상으로도 사용자가 쉽게 자동으로 최적의 격 자를 빠른 시간에 생성할 수 있게 합니다. 아울러 STAR-CCM+는 사용자의 편리성과 효율성을 극대 화 할 수 있도록 그림 4와 같이 직관적이고 명료한 사용자 인터페이스를 제공하고 있다.
설비분야에서 STAR-CCM+를 활용한 CFD 해석 사례
대도시 초고층 건물의 유동장 해석
최근의 건설 시장은 지속적으로 대형화, 초고 층화 되어 가고 있는 추세이며, 주택의 경우에도 초고층 주상복합 아파트가 도시 주거문화의 하나 로 자리잡고 있다. 수도권 및 신도시 개발지역에서 는 신규 대지 확보가 어려워 재건축, 재개발 시의 용적률 확대를 위해 초고층 주택 건설들이 늘어가 고 있다. 과거에는 주택의 방향이 주 관심 대상이 었으나 근래에는 조망권이 우선시되어 초고층 아 파트가 다수 건설 중이거나 설계되는 예가 많아지 고 있다. 이에 측정이 어려운 도심지의 건물 군을 지나는 바람에 대하여 STAR-CCM+를 사용하여 고 층 빌딩 상공을 지나가는 유동장을 예측하였다(그 림 5).
[그림 2] CAD IMPORT [그림 3] WRAPPED SURFACE
[그림 4] Tree 구조 및 wizard 형태의 작업 환경
소프 트웨
소프트웨어 소개 어 소개
대공간 내부 공조시스템 해석
아이스 하키, 농구, 배구 등의 실내 운동 경기장 은 특성상 실내가 대공간으로 구성되고, 천장이 높 아 상하 온도 편차가 크기 때문에 경기 스테이지 및 관중에게 균일한 온도와 적정한 기류분포를 유지 시키는데 어려움이 있다. 공조방식에 있어서 일반 적으로 천장 취출 공조시스템이 널리 사용되고 있 으나 드래프트(draft) 현상 등으로 인하여 객석영역 에서의 쾌적도를 향상시킴과 동시에 에너지 절약 을 도모할 수 있는 적정 공조시스템을 구성하기 위 해서는 많은 실험과 연구가 필요하다. 이에 STAR- CCM+를 활용한 CFD 해석을 통해 관중과 스테이지 에 미치는 공기의 영향을 예측함으로써 적정 공조 시스템의 선택과 계획에 적정 풍량 산정을 위한 기 초 자료로 활용될 수 있었다(그림 6).
유리 측벽의 대공간 실내 열환경 해석
환경친화적인 분위기 및 자연 주광 도입을 위 해 유리 지붕 및 유리 측벽이 도입된 건물은 공간 적 특성에 따른 경제적, 기능적 이익을 부여할 뿐 만 아니라 시각적인 신선함을 제공한다. 또한 건물 의 환경 조절로 인하여 에너지 절약과 쾌적성을 향 상시킬 수 있다. 이러한 대공간의 미관 향상 및 에 너지 절약을 위해 근래에는 지붕 및 벽체에 재료로 유리를 많이 사용한다. 그러나 재료로 사용하게 되 는 유리의 특성상 태양복사열이나 외기조건에 의
한 실내 열환경이 급격하게 악화되는 등 외부환경 의 변화에 따른 저항력이 약해질 수 있으며 열부력 (Thermal buoyancy)이 실내공기 유동에 큰 영향을 미치게 되는 요소가 되어 거주영역이 전체 공간에 비해 줄어드는 비효율성을 가지게 된다. 따라서 이 와 같은 대공간 건축물에서의 냉/난방 환기설비설 계에는 여러 가지 상세사항이 고려되어야 한다. 특 히 대공간에서는 하절기의 경우 지붕 또는 측벽으 로부터의 복사열 및 열성층화(Thermal stratification) 등으로 인하여 재실자에게 열적 불쾌감을 유발시 킬 수 있다. 따라서 대공간 등에서 발생 가능한 기 류 및 온도 분포에 관한 특이점을 미리 예측하고, 이를 예방 또는 해결할 수 있는 공조방법 및 열환 경에 대한 세밀한 연구가 이루어져야 한다. 이에 STAR-CCM+를 활용한 CFD 해석을 시험하였으며 강연장의 열환경에 대한 해석 결과물을 바탕으로 최적의 거주 영역 위치선정 및 재실자의 쾌적성을 증대시킬 수 있었다(그림 7).
[그림 5] 대도시 초고층 건물 유동장 예측 사례 [그림 6] 대공간 내부 공조시스템 해석 사례
[그림 7] 유리측벽의 대공간 실내 열환경 해석 사례
지하철 역사 내 화재 발생시 유해가스 확산 해석 지하철 역사의 경우 공간 면적의 활용도를 높이 고 주위에 터미널, 백화점, 시장 등이 인접하게 배 치되는 구조로 되어 있기에 피난 동선이 복잡하고 다양해지는 특성이 있다. 이렇게 공간상의 심층화, 복잡화로 인하여 지하 공간에서 화제가 발생시 인 명 및 재산피해는 상당히 커질 수 있으며 이를 대비 하기 위한 대책으로 실내 공간에 대한 모델을 설계 하고 인명 안전 평가를 통한 신뢰성 있는 분석이 요 구되고 있다. 이에 CDadapco에서는 STARCCM+
를 활용하여 시뮬레이션을 통한 인명에 피해를 최 소화하기 위해 일산화탄소의 확산 속도 및 위치에 따른 농도 분포 등을 해석하여 피난 상황에서의 안 전한 이동동선 파악에 대한 의사결정에 도움을 줄 수 있었다(그림 8).
맺음말
앞에서 소개된 사례들을 통해 CFD는 실험적 접 근법 대비 시간 및 비용 측면에서 상당히 효율적이 라 할 수 있다. 이에 CD-adapco는 해석을 위한 엔 지니어들의 시간과 노력을 줄여주고 보다 빠르고 정확하게 관련 제품 및 시스템의 성능을 예측할 수
있도록 덜어 주기 위해 관련 기술 개발에 많이 인 력과 자원을 투자하고 있다. 근래 국내 CAE 시장은 급속도로 확장이 되어 가고 있으며, 이를 지원하는 CAE 관련 회사들의 기술 수준도 빠르게 향상되고 있다. 또한 국내 CAE 사용자들의 기술적 수준 또한 세계적이라 자부할 수 있으며, 이런 고급 인력들의 노력에 힘입어 한국의 기술력이 세계에서 빛을 발 휘하고 있다고 믿는다.
참고문헌
1. James Bertwistle, Wind Effects around Tall London Buildings, 2015 CD-adapco calendar contest.
2. Erwin G. Schnell, 2012, Virtual Realities in Civil En
gineering, Gruner AG, STAR Global Confer ence 2012.
3. Tunc Askan, Annual Building Energy simula tion with STAR-CCM+, STAR Global Conference 2014.
4. Prter R, Bailey, Fire, and Smoke Simulation, Gruner AG, STAR European Conference 2009.
5. James Bertwistle, Wind Effects around Tall Lon don Buildings, 2015 CD-adapco calendar contest.
[그림 8] 지하철 역사 내 화재 발생시 유해가스 확산 해석
