오늘 다뤄볼 주제는 1D CFD 요소를 통한 '효율성'에 대한 것입니다. CFD 해석을 진행할 때 겪는 가장 큰 문제 중 하나는 해석에 대한 규모와 시간입니다.
크기에 상관없이 해석 제품에 대한 형상이나 조건이 복잡해짐에 따라서 표현하기 위해 해석의 규모와 시간이 기하급수적으로 증가하는 것을 경험할 수 있습니다.
3차원 모델로 접근 시 단면이 작아질수록, 대상의 길이가 커질수록 요소의 규모가 기하급수적으로 증가할 수 있습니다. 실제로 배관계통과 열교환기는 해석의 규모로 인해 전체 모델로 접근하는 것이 매우 제한되는 대상 중 하나입니다.
1D CFD 요소를 사용하는 이유는 무엇일까요?
CFD (전산 유체 역학) 해석을 진행할 때 사용자가 겪는 가장 큰 문제 중 하나는 해석에 필요한 리소스입니다. 이는 주로 모델의 규모와 해석 시간에 영향을 받으며, 평가하고자 하는 제품의 구현 정도와 모델의 복잡도에 따라 결정됩니다. 모델의 복잡도가 높아질수록 해석 시간이 증가하는 경향이 있습니다.
이를 해결하기 위해 해석 초반 단계에서 형상의 이상화 작업을 진행하는 경우가 많습니다. 관측하고자 하는 유체 흐름과 무관한 부분은 단순화하거나 제거하여 모델을 간소화하는 과정을 거칩니다.
하지만 단순한 형상이라도 대규모 배관 시스템처럼 크기가 큰 경우, 또는 열교환기 내부와 같이 미세한 직경의 관이 다수 존재하는 경우에는 단순화 작업을 하더라도 모델의 규모가 커질 수 밖에 없습니다.
이러한 경우, 1D CFD 요소를 활용하여 간단한 수 계산으로 대체할 수 있습니다. 이를 통해 복잡도나 현상을 유지하면서도 해석 시간을 단축하는 방향으로 적용할 수 있습니다.
1D CFD 해석에서 고려해야 할 사항은 어떤 것인가요?
1D CFD 요소의 장/단점은 명확하게 존재합니다. 장점은 해석 리소스가 3차원 해석에 비해 극단적으로 감소하게 되며, 단점은 유로 내부의 난류에 대해 고려가 불가능 하다는 것이기 때문에 사용하는 용도를 확인하고 적절하게 사용하는 것이 매우 중요합니다.
일반적인 경우에는 유로의 단면이 일정하고, 벽면의 거칠기가 크게 변화가 없는, 내부 난류 변화가 크지 않는 대상에서 주로 사용하게 됩니다. 보편적으로 배관계통이나 열교환기 내 냉각유로 등에서 사용하게 되며, 단순히 유체의 속도와 압력에 대해서만 계산하는 것이 아니라 인접한 솔리드와의 열교환도 계산하여 온도의 변화에 대해서도 계산이 가능합니다.
이번 예제는 온수매트에서 50도의 물이 5바의 압력으로 순환할 때는 가정한 모델입니다. 3mm 단면의 수로는 1D CFD 요소로 빠르게 유동 속도에 대해 정의하며, 열교환량을 계산하여 폴리에스터 재질의 매트에 열이 어떻게 전달되는지 확인하는 것이 주 목적입니다.
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