[SIMULIA 제품소개] 공력 해석을 위한 PowerFLOW (Aerodynamics)
Aerodynamics Simulation
우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 자동차의 공기역학 부문을 예를 들어 공력해석에 대해 설명을 드리겠습니다. 자동차가 고속으로 주행 중 발생되는 바람에 의해 자동차에 작용하는 공기 역학적 힘, 즉 공기저항, 전/후륜 양력, Yaw각 변화에 따른 횡력 등은 자동차의 주행 성능에 막대한 영향을 미치게 됩니다. 따라서 현재 자동차 회사에서는 자동차의 공기저항 및 냉각성능을 예측하기 위해 풍동 실험이나 simulation를 이용하고 있습니다. 풍동 실험은 자동차의 공력 성능을 예측하는데 많은 시간과 비용이 드는 반면 simulation는 풍동 실험에 비해 경제적이며 설계 초기 단계에서 형상 변경에 따른 다양한 사례 해석이 용이 합니다.
SIMULIA PowerFLOW는 LBM(Lattice Boltzmann Method)를 기반으로 유동 해석을 하고 있기 때문에 기존의 FVM(Finite Volume Method)을 기반으로 하는 사용프로그램과 달리 iteration method를 사용하지 않기 때문에 계산이 빠르고, 수치적 소산이 적기 때문에 계산 결과가 정확하고 병렬화 효율이 좋다는 장점을 가지고 있습니다.
PowerFLOW는 Aerodynamics 분야에서 공기역학 효율성(Aerodynamic efficiency), 차량 핸들링(vehicle handling), 소일링 및 물 관련 해석(soiling and water management), 패널 변형(panel deformation), 주행 다이내믹(driving dynamics) 등 검증된 애플리케이션 솔루션과 best practice 방법론을 제공합니다.
<Aerodynamics Applications>
Components for Simulation
PowerFLOW는 전처리(preprocessor) 기능, 해석(simulation) 그리고 후처리(postprocessor) 기능을 모두 가지고 있습니다.
전처리 프로그램은 PowerDELTA, PowerCASE 입니다. PowerDELTA는 형상 표면의 격자를 만들어주는 프로그램이며 형상을 조건에 따라 변형할 수 있는 기능이 포함되어 있으며, PowerCASE는 해석용 모델을 구성하고, 경계조건, 계산조건 등을 입력하는 프로그램입니다.
PowerFLOW는 해석 솔버 프로그램으로 실제 유동 해석을 진행하며, 계산 과정 중 자동으로 생성되는 정육면체 격자(voxels)를 사용합니다. PowerVIZ는 해석결과를 가시화해 주는 후처리 프로그램입니다.
아래의 그림은 PowerFLOW의 전체 프로그램 구성을 나타내었습니다.
<PowerFLOW 프로그램 구성>
Features and Benefits
PowerFLOW는 실험적 방법 및 기존의 전산유체역학(CFD) 기술에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점을 가지고 있습니다.
1. Accurate, Transient Results
특허를 획득한 LBM(Lattice Boltzmann Method) 기반의 Transient 유동 해석 소프트웨어로서, 시간변동에 따른 유동 현상을 정확히 시뮬레이션 할 수 있으며, 이러한 정확성을 통해 설계 개선에 도움을 줄 수 있습니다.
2. Turbulence Models
난류의 성분을 아래 그림에서와 같이 Kolmogorov 길이 스케일로 구분할 수 있습니다. DNS 해석기법을 이용하여 모든 크기의 eddy를 계산하여 정확한 결과를 얻을 수 있지만, 계산에 소요되는 비현실적 비용으로 실용성이 없습니다. 일반적인 CFD S/W에서는 모든 크기의 eddy들을 수학적으로 모델링하여 사용하고 있습니다. PowerFLOW에서는 예측이 불가능한 큰 스케일의 eddy는 직접 계산하고, 이론적으로 예측 가능한 작은 크기의 eddy는 모델링하여 사용하는 VLES(Very Large Eddy Simulation) 난류 모델을 사용함으로써 복잡한 난류 현상을 빠르고 정확하게 해석 할 수 있으며, 고 레이놀즈 수(High Reynolds number) 문제에 대한 난류 경계층을 시뮬레이션 할 수 있습니다.
<Turbulence in PowerFLOW>
3. True Rotating Geometry
PowerFLOW는 실제 회전하는 형상을 시뮬레이션 할 수 있어 HVAC 및 냉각 팬의 소음과 성능을 실용적이고 정확하게 예측할 수 있습니다. PowerFLOW에서 제공하는 Local Reference Frame(LRF) 방법을 사용하면 회전체에 관한 해석을 시간에 따라 정확하게 할 수 있습니다.
주요 애플리케이션으로는 Fan noise and performance, Brake cooling, Wheel aerodynamics, Pumps, blowers, turbines, mixers 등이 있습니다.
4. Fast, Automated Setup with SIMULIA PowerCASE
PowerCASE는 매우 복잡한 형상을 가진 제품에 대해서도 시뮬레이션을 준비하기 위한 직관적이고 빠른 인터페이스를 제공합니다.
강력한 템플릿 기능을 이용하여 매우 복잡한 사례의 경우에도 준비 과정이 효율적으로 진행되고 기타 수십여 가지 기능들이 준비 과정을 원활하게 지원합니다.
시뮬레이션이 완료되면 PowerVIZ를 통해 결과를 신속하게 분석하고 PowerINSIGHT에서 결과 분석을 자동으로 처리하므로 사용자는 설계 대안을 평가하고 테스트하는 일에 집중할 수 있습니다.
<PowerVIZ를 이용한 결과분석> <PowerINSIGHT를 이용한 분석 자동화>
5. Digital Wind Tunnel
외부 흐름 연구를 위해 PowerFLOW에는 Aerodynamic 및 Aeroacoustic 시뮬레이션에 즉시 사용 가능한 parametric 디지털 풍동 템플릿이 제공됩니다.
Standard 디지털 풍동 템플릿은 해당 풍동에 적합하게 맞춤 구성할 수 있습니다. 디지털 풍동 모델에 포함되는 사항은 다음과 같습니다. 실제도로 조건을 더욱 정확하게 반영하기 위한 static 및 moving 지면 모델링, 경계층을 실제 시험풍동과 일치 시키기 위해 Suction 경계조건 삽입, 실험적으로 알려진 입구 속도 경계층 조건 등이 있습니다.
맺음말
각 설계 단계에서 제조업체들이 직면하는 어려움은 설계를 개선할 방법에 관한 정보가 시급하게 필요하다는 점입니다. 제품의 세부 모델이나 시제품을 제작하고 모델을 테스트하는 기존의 방법으로 공기역학 정보를 얻으려면 비용이 많이 들고 작업 과정도 어렵습니다. 제품 개발의 후반 단계에서 성능 개선을 위한 설계를 반복 시도하는 일은 시간과 비용적으로 막대한 손해를 끼치게 됩니다. SIMULIA PowerFLOW를 사용하면, 이러한 단점을 극복하며 빠르고 정확한 공력 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있습니다.
