CFD 전산유체역학 간략 소개

- CFD(Computational Fluid Dynamics) 전산유체역학에 대해 열과 유체(액체, 기체)에 대해 공부한 사람들은 한번씩 들어본 단어라고 생각되어집니다. 수학 난제 중 하나인 Navier-Stoke 방정식을 수학적으로 풀지 못해 컴퓨터를 이용해서 수치해석이라는 답에 근사하게 찾아가는 방식으로 이렇게 얘기만 듣는걸로도 머리가 딱딱 아픈 학문이라고 보면 됩니다...^^

머리가 아픈 딱딱한 학문이기 때문에 이론적인 부분은 따로 심도있게 공부하시고 여기서는 최대한 쉽고 간단하게 열유체 유동에 대해서 어떻게 컴퓨터를 이용해서 해석을 하는지에 대해 설명을 드리도록 하겠습니다.

 

- CFD(Computational Fluid Dynamics) : 유체 현상을 기술한 비선형 편미분방정식인 나비에-스토크 방정식(Navier-Stokes Equations)을 FDM (Finite Difference Method), FEM (Finite Element Method), FVM(Finite Volume Method), LBM(Lattice Boltzmann Method) 등의 방법들을 사용하여 이산화하여 대수 방정식으로 변환하고, 이를 수치 기법(numerical methods)의 알고리즘을 사용하여 유체 흐름, 열 전달, 물질 전달, 화학 반응 및 관련 현상을 예측하는 과학 (말이 조금 어렵죠? 쉽게 풀어서 말씀드리면, 수학적으로 답이 딱 나오는게 아니어서(수학 난제이므로 풀지 못하기 때문에...) 답에 최대한 근사하게 수렴해가는 과정이라고 보시면 됩니다)

 

1단계 : 모델링(Modeling)

 - 우선 유동에 대해 해석을 하기 위해서는 해석을 할 모델을 모델링해야합니다. 2차원 모델로 하시는 경우도 있고, 3차원 모델로 하시는 경우도 있습니다.(해석할 공간을 도메인(Domain)이라고 하고 고체와 다르게 유체가 다니는 공간을 모델링 하여야 함)

3차원 모델링

2단계 : 격자생성(Meshing)

 - 3차원 모델을 작은 조각으로 나누어주는 과정(이산화과정(Discretization))

Mesh(grid)작업

 

이산화 과정(Discretization)

3단계 : 경계조건 입력(Boundary Condition)

 - 시뮬레이션을 돌리기 위해서는 경계조건을 입력해주어야 합니다. 유체가 어디로 들어와서 어디로 나가는지? 유체가 물인지, 기름인지, 공기인지? 수소인지? 입구와 출구의 속도 또는 압력이 어떤지? 내부의 초기조건이 어떻게 되는지 등등에 대해서 조건을 입력해주어야 합니다.

경계조건(Boundary Codition)

4단계 : 해석(Solving)

 - FDM (Finite Difference Method), FEM (Finite Element Method), FVM(Finite Volume Method), LBM(Lattice Boltzmann Method) 등의 Solver의 해석 방법을 어떤걸 채택해서 문제를 풀어 해답에 가깝게 수렴하는 과정입니다.

- 일반적으로 FDM, FEM, FVM방식이 많이 쓰이고, LBM 방식은 최근에 많이 사용되는 방식입니다. 상용코드(프로그램)로 많이 쓰이는 방식은 FEM, 또는 FVM이나 FEM은 주로 고체쪽에서 많이 사용되어지고, 유체쪽은 FVM이 주로 많이 사용됩니다. 최근 LBM을 이용한 상용코드(프로그램)도 나오는 추세입니다.

 

- FDM : 미분항을 Taylor 급수전개를 이용하여 표현하는 방법입니다. 즉, 이산화에 요구되는 정확도에 맞추어 격자점이나 그 인접 격자점의 Taylor 급수전개에 의한 관계식을 조합하고 미분항을 근사적으로 표현합니다. 이를 통해 편미분 방정식을 푸는 것을 유한차분법이라고 합니다

 

- FEM : 계산 영역을 요소로 알려진 더 작은 유한 크기의 하위 영역으로 나누어 편미분 방정식을 푸는 데 사용되는 수치해석 기법입니다. FEM은 이러한 요소에 대한 보간함수로 솔루션을 표현하여 도메인을 이산화합니다. 이 방법은 총 퍼텐셜 에너지를 최소화하는 원리 또는 변동 원리를 기반으로 합니다.

 

- FVM  : 계산 영역을 이산 제어 볼륨 또는 셀로 나누어 편미분 방정식을 풀기 위한 수치 기법입니다. FVM은 제어 체적 면에 걸친 플럭스 보존에 중점을 두고 지배 방정식의 적분 형식에 중점을 둡니다.

 

- LBM : 유체의 흐름을 격자를 따라 이동 하는 가상 입자를 분포 함수로서 표현하는 방법이다. LBM 은 기존의 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics; CFD)에 비해 이산화가 간단하고 병렬 연산에 용이 하며 유체역학적 문제를 해결함에 있어 가장 최신 방식이라고 할 수 있다.

 

5단계 : Post-processing(시각화 및 결과값 도출)

 - Solver로 수렴이 된것을 확인했다면, 그에 따른 해석의 결과값을 도출하고 시각화 하는 단계입니다.

 

 

- CFD 상용프로그램 : CFD는 일반적으로는 C언어, Fortran등으로 코딩을 할 수 있으나, 어려움이 많으므로 현재 상용코드로 사용할 수 있는 프로그램 들이 많이 있다. 

대표적인 프로그램들에 대해 소개합니다. 더 많은 프로그램들이 있으나 제가 아는 한도의 프로그램들에 대해서 소개하는 것입니다.

http://www.kw-tech.co.kr/ 경원테크 사이트인데...여기서 CFD-ACE에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.


http://www.cfdrc.com/  CFD-ACE 본사 사이트(영어)



http://http://www.ansys.com FLUENT, CFX, ICEM-CFD, Ensight가 다 ANSYS 안에 통합(영어)


http://www.flow3d.com/ FLOW-3D란 프로그램에 대한 사이트(영어)


http://www.cd-adapco.com/ STAR-CD 본사 사이트(영어)


http://www.icemcfd.com/ 여기는 ICEM-CFD에 관련하여 소개한 사이트입니다...


http://www.ablemax.co.kr/  ADINA관련 한국사이트입니다


http://www.adina.com/  ADINA 본사 사이트입니다


http://www.3ds.com/ko/ 다쏘시스템 xflow란 LBM기반의 프로그램

 

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