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유동의 미학 : 흐름이 빚어내는 궁극의 효율

작성자: 반디통 | Feb 26, 2026 11:42:55 PM

전산유체역학(CFD)이라는 이름이 어렵게 느껴지시나요? 쉽게 말해 컴퓨터로 하는 가상 실험입니다.

 

우리가 자동차를 새로 만들었다고 상상해 봅시다. 이 차가 공기 저항을 얼마나 받는지 알기 위해 실제로 차를 깎아 만들고, 거대한 터널(풍동 실험실)에 넣어 바람을 쏘아보는 건 엄청난 돈과 시간이 듭니다. 하지만 CFD를 쓰면 컴퓨터 속 가상 공간에 똑같은 차를 띄워 놓고, 마우스 클릭 몇 번으로 바람을 불게 할 수 있습니다. 

 

엔지니어들은 CFD를 이론, 실험에 이은 제3의 실험실이라고 부릅니다. 눈에 보이지 않는 공기의 흐름과 열의 이동을 모니터 속에서 훤히 들여다볼 수 있기 때문입니다. midas NFX를 켜고 가장 먼저 마주하는 질문은 시간을 어떻게 할 것인가? 입니다. 이것은 마치 사진을 찍을 때 사진 한 장(스냅샷)으로 남길지, 아니면 동영상으로 기록할지를 정하는 것과 같습니다. 복잡한 현상을 단순하게 평균만 볼지(정상 상태), 아니면 변화하는 과정을 다 지켜볼지(과도 상태) 결정하는 첫 단추죠.

 

이 장에서는 엔지니어가 가장 먼저 결정해야 할 정상(Steady)과 과도(Transient)가 도대체 무엇인지, 공학적 관점에서 알아보겠습니다. 

 

 

 

 

1.1. 유동 해석, 왜 시간으로 나누는가? : 해석의 전략적인 선택 

 

자연계에 존재하는 모든 흐름은 한순간도 멈춰 있지 않습니다. 창밖의 바람은 매 순간 방향이 바뀌고, 수도꼭지에서 나오는 물줄기도 자세히 보면 미세하게 떨리고 있습니다. 하지만 엔지니어링의 세계에서는 100점짜리 완벽한 정답보다 제때 나오는 실무적인 해답이 더 중요할 때가 많습니다.

 

매 0.001초마다 변하는 배관 내부의 흐름을 1년 치나 계산하려면, 슈퍼컴퓨터로도 상당한 시간이 소요됩니다. 그래서 우리는 해석을 시작하기 전, 현상을 바라보는 안경(관점)을 골라야 합니다. midas NFX의 해석 제어 설정에서 이 첫 번째 전략적 결정을 내리게 됩니다.

 

⇒ 관점 A (Steady, 정상 상태): 사진 한 장으로 요약 자잘한 변화는 무시하고, 최종적으로 안정된 평균 상태만 딱 한 장의 결과로 보겠다는 전략입니다. 계산이 매우 빠르고 효율적이므로 가성비와 빠른 의사결정이 필요할 때 최우선으로 고려합니다.

 

⇒ 관점 B (Transient, 과도 상태): 동영상으로 기록 시간에 따라 변하는 과정 그 자체가 중요하므로, 동영상처럼 매 순간의 물리적 변화를 추적하겠다는 전략입니다. 계산이 오래 걸리고 데이터도 방대하지만, 시간에 따른 상세한 거동을 파악할 수 있습니다. 

 

 

 

 

이 선택은 단순히 옵션 하나를 체크하는 문제가 아닙니다. '계산 비용(시간)'과 '결과의 디테일(정보)' 사이에서 무엇을 얻고 무엇을 포기할지 저울질(Weighing)하는 엔지니어의 첫 번째 전략적 판단입니다. 

 

 

1.1.1. 정의 : 정지가 아닌 '동적 평형' 상태

 

많은 엔지니어들이 정상 상태(Steady State)라는 용어를 접하면, 유체가 흐르지 않고 멈춰 있는 상태 (Static)라고 오해하곤 합니다. 하지만 유체역학에서 정의하는 정상 유동이란, 물은 끊임없이 흐르고 있지만 들어오는 양과 나가는 양이 완벽하게 똑같아서, 겉보기에 아무런 변화가 없는 상태를 말합니다. 즉, 시간(t)이 흘러도 압력이나 속도 같은 물리량이 특정 지점에서 변하지 않는 동적 평형(Dynamic Equilibrium) 상태입니다. 

 

 

 

[ 직관적 비유 ]

장노출 야경 사진 (Long Exposure) 어두운 밤, 고속도로를 향해 카메라 셔터를 10초 동안 열어 두고 찍은 사진을 상상해 보세요. 개별 자동차(유체 입자)는 쌩쌩 달리고 있어 한순간도 멈춰 있지 않습니다. 하지만 빛의 궤적(유선, Streamline)이 담긴 사진 속에 찍힌 긴 빛의 선 자체는 움직이지 않고 고정된 모양을 하고 있습니다. CFD에서의 정상 해석은 개별 자동차를 추적하는 것이 아니라, 바로 이 고정된 빛의 궤적을 단 한 번의 수치적 수렴을 통해 찾아내는 과정입니다. 

 

 

1.1.2. 정상상태 해석적 배경 : 방정식 속의 시간 지우기

 

CFD 해석을 수행한다는 것은 결국 유체의 운동량 보존 법칙인 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 푸는 과정입니다. 각 항이 물리적으로 어떤 힘을 의미하며 midas NFX가 이를 어떻게 처리하는지 이해해야만 해석 결과가 타당한지 판단할 수 있습니다.   

 

 

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