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성공적인 설계의 시작! 수치해석 기법으로 열교환기 설계 혁신하기

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열저항 및 인쇄회로기판 기능을 통한 전자장비 열유동해석

오늘 다뤄볼 주제는 열유동해석 중 '전자장비'에 대한 것입니다. 전자장비에서는 PCB, 칩, 소자 등 다양한 부품이 존재하고 있습니다. 전자장비를 좀 더 명확하게 이해하고 이를 설계에 반영하는 것이 필요합니다. 설계를 할 때 가장 중요하게 생각하는 것은 발열부의 온도가 과연 어느 정도인가 입니다. 정확하게 이야기 한다면 Junction 온도가 어느 정도이고, 과연 성능 저하 혹은 화재의 위험이 있는지 판단하는 것이 중요합니다. 해석에서는 이를 어떻게 반영하는 것이 좋을까요?

자유수면 시뮬레이션의 세계 : 해안의 파도부터 엔지니어링 설계까지

물 표면이 변화하는 모습은 언제나 사람들에게 신비로움과 매력을 선사합니다. 바다에서의 파도, 강에서의 물견, 그리고 인공적인 환경에서 물이 흘러내리거나 튀는 모습들은 모두 복잡한 움직임의 결과입니다. 이러한 물체의 표면을 '자유수면'이라고 부르는데, 자유수면 시뮬레이션은 이러한 자연스러운 현상을 가상 환경에서 재현하고 분석하는 것을 목표로 합니다.

2D/3D 복합요소를 활용한 효율적인 해석 방법

오늘 다뤄볼 주제는 온도 분포에 따른 하중 적용 해석 시 '효율적인 요소를 선택하는 방법'에 대한 것입니다. 스티프너(Stiffener)는 기계 장비나 건축 구조물 등 다양한 산업 분야에서 구조물의 강성을 높이기 위해 사용되는 보강재입니다. 이러한 스티프너는 얇은 판재나 쉘 구조의 변형을 방지하고, 외부 하중에 대한 저항 능력을 향상 시키는 역할을 합니다. 구조물 안정성을 평가하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 그 중 하나는 열전달 해석을 통해 얻은 온도 분포를 기반으로, 열팽창으로 인한 열응력(Thermal stress)과 내부/외부 압력을 경계 조건으로 설정한 뒤 추가적인 기계적 변형과 응력을 검토하는 방식이 있습니다.

• 성공 스토리

  잘 나가는 기업은 어떻게 일할까?

  [LG전자] 모든 과정이 10-15분이면 끝나요!

  실제로 써보니 정말 쉽고 빠른 거예요. 아무리 빨라도 신뢰성에서 문제가 발생하면 안 되니까 검증도 진행했는데, 결과값이 상당 부분 정확했어요. 그러다 보니 저희 팀에서도 적극적으로 사용하게 되었죠.

• 체험존

  원하는 해석을 30초만에!

  열유동해석(강제대류) 빠르게 체험하기

  열유동해석은 기계 장비의 냉각, 가열 성능을 평가하기 위해 수행합니다. 설계 제품에 사용하는 팬(Fan)에 의해 발생하는 강제 대류(Convection)가 제품의 냉각에 충분한 성능을 발휘할 수 있는지 시뮬레이션할 수 있습니다.

• 예제 및 자료실

  내가 찾던 바로 그 자료!

  구조물의 변형과 파손 여부를 검토하고 싶다면?

  내가 설계한 제품은 얼마나 큰 힘을 버틸 수 있을까? 시제품을 만들지 않고 설계 단계에서 제품의 파손과 변형을 예측할 수 있습니다. 지금 고민하고 있는 문제를 CAE를 통해 해결하세요.

세미나통

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성공적인 설계의 시작! 수치해석 기법으로 열교환기 설계 혁신하기

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서정세 교수

• 현업 해석·설계자 필수 웨비나! 진동해석 완벽 가이드

  진동해석 실무 역량을 높이고 싶다면? 전문가와 함께 하는 반디통 CAE 웨비나! 진동해석의 기초부터 예제 해석까지! 반디통 웨비나에서 실무에 필요한 지식을 쌓아보세요🤓🩷 [ AGENDA ] 1강 : 기초 진동학 2강 : 모달 해석과 조화 해석 3강 : 수치 진동 해

  이진우 교수
• 인공지능을 활용한 형상 최적 설계 기법 알아보기!

  반디통 CAE Expert 웨비나를 통해 CAE 역량을 한층 더 업그레이드 해보세요! 😎 [AGENDA] 1강 : 격자구조 빔 형상 최적 설계 2강 : Phononic 결정 형상 최적 설계 ※해당 페이지가 잘 보이지 않는 경우 Chrome 브라우저를 이용해주세요.

  이상륜 교수
• CAE 전문가의 지식을 쏙! 배터리 열해석 초보 탈출 NO.1!

  반디통 구독자가 뽑은 가장 보고 싶은 콘텐츠 1위는? 바로 '배터리 열해석'! 가장 hot한 전기차의 배터리 열해석이 궁금하다면? 🔥 [AGENDA] 1강 : 배터리 열관리 개요 2강 : 배터리 열관리 시스템 설계 3강: 배터리 열해석 방법 및 사례

  이무연 교수
• 해석사례로 쉽게 이해하는 유동-열-구조 연성해석 활용법

  🔎해석 사례로 쉽게 이해하는 유동-열-구조 연성해석 활용법! [AGENDA] 1강 : 다분야 해석은 어떻게 하나요? 2강 : 해석사례로 이해하는 다분야 연성해석 활용법 🙋웨비나 시청 후 30초만에 설문 참여하고 따뜻한 커피 드세요!<

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해석지식통

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해석사례

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• 열저항 및 인쇄회로기판 기능을 통한 전자장비 열유동해석

  전자장비에서는 방열설계 방식에 따라 공냉, 수냉식 등 다양한 방식으로 접근합니다. 하지만 공통적으로 PCB, 소자와 같은 고체 대상에서는 적층되거나 열저항에 의한 변화값을 고려해야 정확한 물성의 반영, Junction temperature 계산이 가능합니다.

• Mooney-Rivlin 모델의 초탄성 고무 해석 방법은?

  Mooney-Rivlin 모델은 재료의 응력과 변형률 관계를 나타내는 수학적 모델로 비선형 탄성체의 특성을 말합니다. Hooke의 법칙이 적용되지 않는 재료에 주로 사용되며, 고무와 같은 연성 재료는 큰 변형을 하며 선형적으로 거동하지 않고 실제 거동에 더 가깝다고 설명할 수 있습니다.

• 데이터센터 열관리 시스템 해석접근법 이해

  ESS, 데이터센터와 같은 대상들은 밀폐된 공간에서 높은 발열량을 가진 구조체가 다수 존재하고 있습니다. 내부 공조시스템을 통한 냉각이 제대로 이루어지지 않는다면 기능의 효율 저하는 물론, 대규모 화재로 이어질 수 있는 위험성이 존재하고 있어 해석적인 검증이 필수적입니다.

• 레지스터 줄발열에 의한 온도분포 검토

  전기장 해석은 전류 밀도와 형상의 저항성에 따라 발생하는 줄발열량을 계산합니다. 외부에 공기로 인한 강제 대류 상황에서 줄발열에 따른 주요 파트의 전류 밀도 및 온도 변화를 확인하고 이해하는 것을 목적으로 합니다.

기술자료

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• 유동의 경계층 이론 : 유체와 물체가 만나는 공간의 비밀

  경계층 이론은 유체가 물체에 미치는 힘을 예측하는 데 필수적입니다. 경계층의 두께와 흐름 형태에 따라 유체와 물체의 마찰력이나 압력이 달라지기 때문에, 경계층을 고려해 설계하는 것이 중요합니다.

• 자유수면 해석과 중첩요소망 기법 : 복잡한 유체 흐름을 함께 해결하는 방법

  물의 움직임을 분석하기 위해서는 자유수면 해석이라는 기법을 사용합니다. 물과 공기 경계를 추적할 수 있는 레벨세트 기법이 자주 사용되며, 물 표면의 큰 변화가 있는 경우에도 효과적으로 시뮬레이션할 수 있습니다.

• 자유수면 시뮬레이션의 세계 : 해안의 파도부터 엔지니어링 설계까지

  '자유수면'은 공기와 물이 만나는 경계를 의미하며, 그 표면의 움직임은 매우 복잡합니다. 바람, 물의 흐름, 온도에 따라 자유수면은 계속해서 변화하기 때문에 이러한 현상을 정확히 모델링하고 예측하는 것이 중요합니다.

• 얇은 벽에서 펼쳐지는 해석의 묘미 : 박판 모델링의 유동, 열 이야기

  우리 주변의 많은 기기와 시스템은 얇은 벽, 즉 박판을 활용하여 성능을 최적화합니다. 유동 해석에서는 얇은 벽이 흐름을 차단하는 장벽으로 작용합니다. 반면 열 전달에서는 벽의 두께나 재질에 따라 열 전달에 영향을 미치게 됩니다.

반디통 용어집

CAE 입문자도 쉽게 이해할 수 있는 '알기 쉬운 기술 용어집'

• CAE
• 반도체 / 디스플레이
• 통신

폰 미제스 응력 - von Mises stress

등가응력(effective or equivalent stress)이라고도 부르며 영국의 과학자 폰 미제스(von...

Von-Mises Stress 항복조건

마찰계수 - friction coefficient

두 물체가 서로 접촉하게 되면 접촉하고 있는 면에 수직으로 침투하려는 거동에 저항하는 수직성분의 힘과 평행한...

마찰력 마찰계수

감쇠비 - damping ratio

물체의 운동을 저지시키려는 단위 속도당의 힘으로 정의되는 감쇠의 크기, 즉 감쇠계수(damping...

감쇠계수 감쇠비

탄성계수 - elastic modulus

고무줄에 힘을 가하여 잡아 당기면 길이 방향으로 늘어났다가 힘을 제거하면 초기 상태로 되돌아 간다. 하지만 진흙...

탄성 소성

프란틀 수 - Prandtl number

프란틀 수는 운동량과 열 경계층(boundary layer) 사이의 관계를 나타내는 파라미터이며 아래의 방정식으로...

CFD 동점성

공칭 응력 - nominal stress

임의 단면을 가진 가느다란 물체에 힘을 가하여 잡아당기면 물체는 힘을 받는 방향으로 늘어난다. 그리고 프와송 효과...

비선형해석 응력

유동박리 - flow separation

유동박리는 경계층의 운동에너지가 물체에 발생하는 역압력 구배(adverse pressure gradient)를...

CFD 유동박리

CFL수 - Courant - Friedrichs...

CFL수를 설명하기 위해서는 먼저 CFL 조건을 설명하여야 한다. CFL 조건은 편미분방정식을 수치적으로 수렴시키기...

CFD

서셉터 - susceptor

Si와 GaAs 등의 반도체 웨이퍼를 탑재하고, 고주파(高周波)유도, 히터 등으로 가열된 웨이퍼를 지지하는 기구의 총칭. 실제로 이용되고 있는 재질은 실리콘카바이트(SiC)로 코팅한 카본(C).

기본․공통 웨이퍼처리공정

에치백 - etch back

웨이퍼 위에 형성된 굴곡을 매립하는 것처럼 막을 씌워, 이것을 전면식각하여, 웨이퍼 표면을 평탄화하는 방법. 층간절연막의 평탄화와 콘택트의 매립 등에 이용된다.

건식식각장치 웨이퍼처리공정

RCA세정 - RCA cleaning

1970년에 미국 RCA사가 개발한 다음과 같은 공정 및 조성으로 이루어진 Si 웨이퍼 세정법. (1) 암모니아 : 과산화수소 : 물의 용적배합비=1 : 1～2 : 5～7의 세정액(SC-1액 또는 Ammonia-Hydrogen Peroxide Mixture, 줄여서 APM액)으로, 75～85。C, 10～20분의 침적처리. 유기성 오염, 및 부착입자를 제거할 수 있다. (2) 불소산수용액(1 : 99의 희석액, Diluted Hydrofluoric acid 줄여서 DHF액)으로, 실온(室溫)에서 십 몇 초간의 침적처리. 실리콘산화피막을 제거할 수 있다. (3) 염산 : 과산화수소 : 물의 용적배합비=1 : 1～2 : 5～7의 세정액(SC-2액 또는 Hydrochloric acid-Hydrogen Peroxide Mixture, 줄여서 HPM액)으로, 75～85。C, 10～20분의 침적처리. 표면금속 불순물을 제거할 수 있다.

웨이퍼처리공정 습식세정장치

SOG 도포 - spin on glass coating

층간 절연막과 평탄화를 위해 사용되는 SOG(Spin-on-Glass)막을 도포하는 것. SiOx를 알콜에 용해시킨 약액(藥液)을 사용하며, 소스라 부른다. 도포 후에, 용제가 휘발시키기 위한 베이킹(baking)과 도포된 물질이 굳게 하기 위한 베이킹(cure라고 부른다. 400。～700。C)을 실시한다. 약액의 점도가 높으므로, 노즐린스(nozzle rinse), 컵린스(cup rinse)가 필요하다.

웨이퍼처리공정 박막형성장치

위상차(位相差) - phase shift

굴절률이 다른 두 개의 물질을 빛이 통과할 때의 빛의 속도 차이에 의해 발생하는 위상의 차이. 위상 시프트 마스크의 경우, 공기와의 위상차φ는 φ=2π(n-1)/λ [λ:빛의 파장, n:시프터의 굴절률, d:막의 두께] 로 표시된다.

기본․공통 마스크제조공정

SAC식각 - self - aligned contact etching

산화막과 마주보며 높은 선택비가 가능한 스토퍼(stopper)절연막을 이용하여, 배선층과 마주보며 자기정합적으로 콘택홀(contact hole)을 만드는 기술. 정렬부정합과 레지스트의 가공부정합이 있어도, 콘택홀 면적이 안정하게 확보될 수 있다.

건식식각장치 웨이퍼처리공정

캐리어가스 - carrier gas

반도체제조에 사용되는 특수재료가스의 농도를 조절하는데 이용되는 가스, 특수재료가스가 기체의 경우 희석용으로써, 액체 또는 고체의 경우 기화․혼합용으로 사용된다. H2, N2, Ar, He등이 있다.

설비․환경공정 물

황산과산화 수소세정 피라냐세정 - sulfuric acid - hydrogen peroxide cleaning pirahna cleaning

진한 황산용액에 과산화수소를 0.25～1용 혼합한 액(Sulfuric acid Hydrogen Peroxide Mixture 줄여서 SPM액)을 130。C 내외로 가열하여, 레지스트 박리와 유기성 얼룩을 제거, 또는 표면금속불순물 제거하는 세정.

웨이퍼처리공정 습식세정장치

규격 - spec(specification)

제품을 구성하고 있는 부품 및 그 제품의 특성을 일정한 형식을 갖추어 일목요연하게 나타낸 제원을 스펙(규격,사양)이라고 한다. 우리는 구입한 컴퓨터의 제원을 스펙을 통하여 파악하게 되는데, CPU의 종류와 처리속도, 주기억장치의 용량 및 보조기억장치의 종류, 사용 그래픽의 종류, 사용 한글의 종류, 파워서플라이의 규격, 사용할 수 있는 정격 전압, 제품의 크기 등이 명시되어 있다. 따라서 제품에 대한 스펙을 살펴 봄으로써 그 제품의 특성, 품질 및 용도 등을 일괄적으로 파악할 수 있다. 또한 프로그램 상에서 처리해야 하는 자료가 있을 때, 처리할 자료의 구조에 관하여 선언하는 부분 역시 스펙이라고 한다. 이는 해당 자료를 어떻게 처리할 것인가를 파악시켜주기 때문이다.

spec 규격

매뉴얼: 수동, 취급설명서 - manual

매뉴얼'이란 수동을 의미하며, 자동이라는 의미의 '오토(auto)'와 상대적 개념을 가지고 있다. 그리고 매뉴얼은 취급 설명서의 영어 표기이기도 하다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 카메라를 살펴보면 A와 M을 선택하는 스위치가 있는데 A는 auto(자동)를, M은 manual(수동)을 나타낸다. 이때 A를 선택하면 카메라의 모든 조절 장치가 자동으로 맞추어지지만, M을 선택하면 좋은 사진을 찍기 위해서 사용자가 카메라의 조리개, 촛점, 거리 등을 일일히 맞추어야만 한다. 또한 취급하기 복잡한 가전기기나 컴퓨터 또는 소프트웨어를 구입했을 때, 포장을 풀게 되면 취급설명서가 들어 있다. 취급설명서는 기기 또는 소프트웨어를 구입한 사용자가 스스로 조작하는 방법, 즉 사용자의 손을 이용하여(수동으로) 기기나 소프트웨어를 다루는 방법이 적혀 있다. 취급설명서를 흔히 매뉴얼이라고 부르는데, 이것은 매뉴얼(수동)로 손수 조작하는 방법에 대하여 설명되어 있기 때문에 유래된 것으로 알려졌다.

취급설명서 매뉴얼: 수동

산술 - 논리연산장치 - ALU(Arithmetic and Logic Unit)

컴퓨터는 어떤 입력자료에 의해 요구되는 바를 처리, 출력하는 하나의 시스템이다. 컴퓨터가 수행하는 기본적인 기능은 크게 5가지 정도로 나누어지는 데 입력, 연산, 기억, 제어, 출력이 그것이다. 이 중에서 연산기능의 역할을 하는 부분을 중앙처리장치라고 하며 이것은 컴퓨터시스템에 있어서 가장 중요한 부분 중 하나이다. 이 중앙처리장치라는 것은 또 크게 3가지로 구성되어 있다. 산술-논리 연산장치(ALU), 제어장치, 주기억장치가 여기에 해당된다. 이 중에서서도 산술-논리 연산장치(ALU)는 컴퓨터로 하여금 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등과 같은 산술 연산을 수행하도록 하며, 또한 어떤 두 수를 비교하여 어느 것이 더 큰가, 아니면 같은가, 혹은 더 작은가 등을 결정하는 기능을 수행한다.

CAE/CAD/CAM

CAE(Computer Aided Engineering)란 컴퓨터를 이용하는 기술분야의 전반적인 것들을 총칭하는 말이다. 대규모 집적회로의 개발 등으로 전자계산기의 역할에 불과했던 초기의 컴퓨터가 그 기능이 고도화 되고 이에 따라 가격도 저렴화 되고 있다. 또한 5~6년전만 해도 대형, 중형의 컴퓨터에서나 처리할 수 있던 일들을 점차 소형 컴퓨터를 이용하여 처리하는 경향이 늘고 있다. 이에 힘입어 생산공장에서는 설계작업의 간편화, 시간의 단축, 제조공장의 효율화를 목적으로 컴퓨터 보조 설계(CAD:Computer Aided Design)와 컴퓨터 보조 생산(CAM:Computer Aided Manufacturing)의 연구가 활발히 진행되고 있다. 캐드(CAD)란 컴퓨터의 빠른 계산, 자료를 정확하고 폭 넓게 저장해 주는 능력을 이용하여 미리 저장해 둔 표준 도면을 이용, 이 중 필요한 부분만 손질하여 설계도면을 작성할 수 있게 해주는, 컴퓨터를 이용한 디자인(설계)을 말한다. 즉, 캐드는 건축, 토목, 항공기, 자동차 등의 다양한 분야에서 그려내고자 하는 것과 관련된 자료를 입력, 이를 보다 정확하게 보관 유지함으로써 실제 생산품과 거의 유사한 설계를 할 수 있도 록 최적의 설계, 수정, 분석 과정 등을 제공해 준다. 그리고 캠(CAM)이란 캐드에서 얻어지는 설계 정보와 생산에 관한 정보를 컴퓨터와 결합시켜 생산 과정을 조정, 통제하는 것이다. 또한 CAD와 CAM을 포함하여 컴퓨터를 이용한 자동설계 생산 시스템이라는 의미로 CAD/CAM 시스템이라고 부르는 경우도 있다. 이상과 같이 설계과정에서 발생한 정보를 모아서 캐드, 캠 등을 종합적으로 관리하는 생산체계를 일컬어 CAE(Computer Aided Engineering:컴퓨터 이용 공학)라고 한다.

오버레이 - overlay

컴퓨터의 주기억장치(램) 보다 용량이 큰 프로그램은 주기억장치에 입력될 수 없다. 이것은 곧 프로그램의 수행이 불가능함을 의미한다. 그러나 '오버레이'기법을 이용하면 프로그램의 수행이 가능해진다. 오버레이 기법은 용량이 큰 프로그램을 분할 가능한 몇 개의 부분으로 나눈 뒤, 각 부분의 실행이 필요할 때마다 필요한 부분만 주기억장치로 입력시켜 실행할 수 있게 하는 것이다. 이 때 분할된 각각의 부분을 '세그먼트' 또는 '모듈'이라고 하며 주 프로그램은 항상 주기억장치에 머물면서 필요한 세그먼트(모듈)를 오버레이 버퍼라는 일종의 기억장치에서 불러낸다. 특히 PC와 같이 주기억장치의 용량이 작은 컴퓨터들은 상대적으로 규모가 큰 프로그램의 수행이 불가능하다. 예를 들어 성적처리 프로그램의 용량이 사용하는 컴퓨터의 주기억 용량 보다 크면 입력이 불가능하다는 메시지와 함깨 실행을 할 수 없다. 이럴 때에 오버레이 기법을 사용하면 실행할 수 있다. 성적처리 프로그램은 학생들의 성적을 합산하는 부분, 성적순으로 학생의 순위를 정렬하는 부분, 이상과 같은 결과를 인쇄하는 부분 등으로 나누어져 있다. 이와 같은 성적처리 프로그램을 오버레이 기법을 통해 합산, 정렬, 인쇄의 세가지 세그먼트로 나누고 각 세그먼트를 차례대로 입력함으로써 수행할 수 있게 된다. 또한 주기억장치(램)에 특정의 프로그램을 상주시키고 그 프로그램을 필요에 따라 호출할 수 있는 램 상주 프로그램에서도 오버레이 기법이 사용된다. 램에 특정 프로그램이 상주되면 프로그램 용량 만큼의 주기억 용량을 사용할 수 없게 되므로 다른 프로그램의 사용에 큰 제약을 받게 된다. 따라서 오버레이 기법을 이용하여 램 상주에 필요한 주프로그램을 상주시키고 나머지 세그먼트를 필요에 따라 주기억장치로 호출함으로써 램 상주 프로그램을 수행할 수 있고 주 메모리의 용량이 줄어드는 것도 방지할 수 있다 오버레이는 유용한 기법으로 기억용량이 작은 컴퓨터에서 많은 도움을 주지만 프로그래머가 프로그램을 각 세그먼트(모듈)로 나누고 세그먼트 간의 데이터 교환을 실행시켜야 하므로 고도의 프로그램 작성 기술을 요구한다.

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전문가 칼럼

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• 재료의 원자 수준 속성을 다루는 분자동역학 시뮬레이션(2) 반도체공정 응용 사례 분석

  본 칼럼에서는 분자동역학 시뮬레이션 솔버를 구성하는 기본적인 프로그램 구조와 모델에 직접적으로 관여하는 각 구성식의 구체적인 구조에 대해 알아봅니다.

• 재료의 원자 수준 속성을 다루는 분자동역학 시뮬레이션(1) 시뮬레이션 구성식

  본 칼럼에서는 분자동역학 시뮬레이션 솔버를 구성하는 기본적인 프로그램 구조와 모델에 직접적으로 관려하는 각 구성식의 구체적인 구조에 대해 알아봅니다.

• 인공지능 응용 전산유체역학 고도화(3) Physics-informed 기법

  본 칼럼에서는 최근 CFD 분야 연구진들이 어떻게 물리 지식을 활용하여 인공지능을 더욱 똑똑하게 발전시키고 있는지 소개하고자 한다.

• 인공지능 응용 전산유체역학 고도화(2) Data-driven 기법

  본 칼럼에서는 최근 CFD 분야 연구진들이 어떻게 물리 지식을 활용하여 인공지능을 더욱 똑똑하게 발전시키고 있는지 소개하고자 한다.

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