전산유체역학(CFD)이란

CFD란

CFD는 Computational Fluid Dynamics의 약자로, 유체의 운동을 기술하는 지배방정식을 컴퓨터를 이용하여 계산해서 유체의 시간적, 공간적 변화에 따른 물리적 특성을 예측하는 학문이다.

지배방정식은 운동량 보존 법칙의 Navier-Stokes 방정식, 질량 보존 법칙의 연속방정식, 에너지 보존 법칙의 에너지 방정식으로 이루어진다. 이 방정식들은 비선형 편미분 방정식으로 이루어져 정확한 해를 구하기 어려워 수치 해석 기법을 통해 근사적 해를 구하게 된다.

일반적으로 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)의 이산화 기법을 사용하여 편미분 방정식을 대수 방정식으로 변환한 후 대수 연립방적식의 행렬 계산을 통해 해를 구한다. 공간을 격자라는 작은 조각으로 분할하여 격자 중심점에서의 값을 계산하고 격자면과 점에서의 값을 내삽(interpolation) 기법을 통해 찾는다.

난류 유동의 문제

속도가 크고 점성이 낮은 경우 속도 변동이 심한 난류 유동이 된다. 대부분의 공학적인 문제들이 난류 유동이며 난류는 유속, 압력, 열전달, 물질전달 등의 물리적 특성에 큰 영향을 미친다. 다양한 스케일의 난류 성분을 모두 포착하기 위해서는 엄청난 계산 비용이 요구되기 때문에 모델링 방법을 사용한다.

가장 많이 사용되는 방법은 난류 성분이 주 유동에 미치는 영향을 시간 평균한 난류 점성으로 모델링하는 방법이다. Navier-Stokes 방정식에 시간 평균 처리를 적용한 RANS,(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하고, 별도의 난류 전달 방정식을 계산한다. 전체 지배방정식은 1개의 연속 방정식, 1개의 에너지 방정식, x, y, z 방향 3개의 운동량 방정식, 난류 모델에 따라 추가되는 1~6개의 난류 전달 방정식이 된다.

CFD의 활용 분야 및 사례

전통적인 활용 분야

전통적인 CFD 활용 분야는 유체의 거동이 제품이나 시스템의 성능을 결정하는 분야들로 항공우주, 조선해양, 에너지, 환경, 건설, 토목 등이 있다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.

• 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 작동하는 유체기계
• 건물, 교량 등 바람의 영향이 중요한 구조물
• 건물 내부, 수송체 내부, 클린룸 등의 환기 문제

활용 분야의 확대

다양한 산업 분야에서 제품의 성능이 고도화 될 수록 열유체 문제의 필요성이 커지게 된다. 전자 제품의 소형화에 따른 발열 문제, 테이터센터의 환기/냉각 시스템, 화공플랜트의 효율 향상 등의 문제에 활용되고 있다.

최근에는 환경/안전 문제의 중요성이 커짐에 따라 풍력발전/배터리/연료전지 등의 대체 에너지와 화재/태풍/홍수 등 재난과 도심 풍환경 등의 분야로 확대되고 있다. 산업 분야 뿐 아리나 혈관 유동, 스포츠카, 드론, 자전거, 오토바이, 수영, 야구 등 의료와 레저 관련 활용도 많아지고 있다.

활용 사례 더 보기

CFD의 특징 및 어려움

• 고해상도의 격자가 필요 : 유체의 운동은 다양한 스케일의 변동이 있으며 미세한 스케일의 변화를 예측하기 위해서는 매우 작은 크기의 고해상도의 격자가 필요하다.
• 고성능의 HPC 필요 : 고해상도의 격자는 매우 많은 격자수를 필요로하고 이 때문에 계산 시간이 매우 길어진다. 제품의 설계 과정에 활용할 수 있는 시간 내에 결과를 얻기 위해서는 고성능의 HPC가 요구된다.
• 많은 문제들이 다양한 물리 현상이 복합적으로 작용하기 때문에 좋은 결과를 얻기 위해서는 유체역학 뿐 아니라 열전달, 다상유동, 상변화, 화학반응, 소음, 전자기장 등 여러 분야의 지식이 필요하다.
• 현상 자체가 눈에 보이지 않고, 계측이 쉽지 않아 해석 결과의 정확성을 판단하기 어렵다.
• 체계적인 절차서가 없고, 엔지니어링 능력 및 유체역학적 지식이 필요하다.
• 왜/어디에 필요한지, 어떻게 적용할지 결정이 어렵다.
• 상용 프로그램을 사용할 때 소프트웨어 사용료가 매우 높다.

CFD 해석 방법

• 유한체적법(FVM, Finite Volume Method) : 대부분의 CFD 코드가 사용하는 방법이다.
• 유한차분법(FDM, Finite Difference Method) : 초창기에 사용되었으나 지금은 거의 사용하지 않는다.
• 유한요소법(FEM, Finite Element Method) : 유동해석 보다는 구조해석에 주로 사용된다.
• 입자법(SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics) : 유체를 입자의 집합으로 표현하고 각 입자의 운동을 추적하는 방법으로 적용 분야가 제한적이다.
• 무격자 기법(Meshless CFD) : 공간 격자 없이 점의 분포를 이용해서 계산. 격자 생성 과정이 필요없고 복잡한 여러 물체의 운동을 구현하는 것이 매우 간단하다. 무격자 프로그램(FAMUS) 상세 내용

CFD 해석 절차

CFD 해석 절자는 전처리 과정(Pre-Processing) – 계산( Solving) – 후처리(Post-Processing)으로 이루어 진다.

전처리 과정은 형상을 준비하고, 격자를 생성하고, 계산 조건을 설정하는 단계로 이루어진다. 형상 제작은 대부분 3차원 CAD 프로그램을 이용한다. 도심이나 산악지형의 풍환경 해석을 위해서는 공간 정보 데이터를 활용할 수 있으며 간단한 형상은 3D 그래픽 데이터를 활용하기도 한다. 격자 생성시은 문제에 맞는 topology, 격자의 크기와 조밀도를 설계하고, 격자 생성 프로그램을 이용한다.

격자가 준비되면 경계조건, 초기조건, 물리모델, 수치해석 기법 등을 설정하고 SMP, Cluster, Cloud 등을 이용해서 계산한다.

계산 종료 후 필요한 데이터 추출, 이미지 제작, 동영상 제작, 그래프 제작, 보고서 작성 등의 후처리 절차를 거친다.

CFD의 장점

• Low cost : 일반적으로 풍동 시험이나 모델 테스트에 비해 가격이 저렴하다고 알려져 있으나 모델링 방법과 사용 코드의 종류에 따라 반드시 그렇지는 않다. 그러나 아래 왼쪽 그림과 같은 실제 크기 항공기의 초음속 풍동이나 아래 오른쪽 그림과 같은 결빙 풍동과 같은 경우에는 엄청난 비용의 차이가 있다.
• Speed : 풍동 시험이나 모델 테스트에 비해 다양한 조건에 대한 결과를 빠르게 얻을 수 있다.
• Simulate Real / Ideal Conditions : 실험으로 구현하기 힘든 극한 조건에 대한 시뮬레이션이 가능하며, 실제에 존재하지 않는 이상적인 조건을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
• Comprehensive information : 실험에서는 얻기 힘든 다양한 물리 정보의 획득이 가능하다.

CFD 해석 프로그램

• 오픈소스 코드 : 누구나 사용 가능, 사용자 수와 병렬연산 제한 없음
• 자체 개발 인하우스 코드 : 대학 등의 일부에서 직접 코드를 작성하여 사용
• 상용 소프트웨어 : 높은 라이선스 비용이 문제 – 사용자 수와 병렬연산 제한
• CFD SaaS(Software as a Service) : 클라우드에 접속해서 사용 가능, 하드웨어 사용료 지불, 상용 SW는 라이선스 사용료도 지불
• 전용프로그램 : 오픈소스를 기반으로 해석 프로세스 자동화를 통해 자체 개발된 프로그램. CFD 비전문가도 정확한 결과를 얻을 수 있도록 개발. 자세한 내용 보기

CFD의 과거, 현재, 미래

• ~1990년대 후반
  • 소수의 전문가들이 직접 코드를 만들어 사용(ih-house 코드)
  • 제한된 컴퓨팅 성능 → 물리 현상 규명을 위한 2차원 혹은 매우 단순한 3차원 문제에 적용
• 2000년 이후 ~ 현재
  • 상용 SW와 HPC 기술의 발달로 CFD 활용 확대
  • CAD를 이용한 정밀한 모델링, 클러스터를 사용한 대규모 연산 → 실제 현상에 대한 시뮬레이션
  • 다양한 물리 현상과 결합(구조, 화학반응, 입자, 소음 등), 다양한 분야로 확대
• 변화의 필요성
  • 고비용 진입 장벽, 전문가 중심 운영, 해석 요구 증가, 디지털 전환 가속, 타 기술과의 통합 요구 증대
  • CFD 민주화 : 고가, 고급 기술 의존적인 CFD 해석을 누구나 저렴하고 쉽게 사용할 수 있도록 하는 기술적, 환경적 변화(결과 정확도의 담보가 필수 요건)
• 미래
  • 오픈 소스 프로그램의 확산
  • DIY(사용자 맞춤형) CFD를 통한 사용자 확대
    • CFD 코드 개발, Workflow 최적화, Minimal User eXperience, 사용자 맞춤형 CAD
  • 데이터 기반 시뮬레이션의 확대
  • AI와 CFD의 융합