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CAE Expert 유동해석 CFD
비전공자를 위한 유체역학 기초 전공 지식과 해석 사례

목차


Part 1. 유체역학 기초
Part 2. 전산유체역학(CFD)
Part 3. 폐 유동 해석
Part 4. 2상 유동 해석

 

 

비전공자를 위한 유체역학 기초 전공 지식과 해석 사례 다운로드_1

 

Part 1. 유체역학 기초


유체는 액체(Liquid), 기체(Gas)와 같이 고체와는 다르게 그 모양이 정해지지 않고 흐르는 물질을 말합니다. 이러한 유체는 밀도(Density)와 점성(Viscosity), 표면장력(Surface tension)이라는 3가지 대표적인 성질을 가지고 있습니다.

 

밀도는 중력에 의해 유체의 위치를 결정하는 변수로 작용하고, 점성은 유체가 움직이는 상황에서 벽면이 유체를 잡아 당기도록 발생하는 힘을 나타내는 변수로써 이로 인해 벽면으로부터 떨어진 거리에 따른 유체 속도의 구배가 발생하고  전단응력이 만들어집니다. 이는 유체의 흐름에 대한 저항을 계산하는데 중요한 변수로 작용합니다.

 

표면장력은 모세관 현상을 설명합니다. 서로 다른 물질의 잡아당김의 정도를 결정해서 유체의 표면 모양을 결정합니다.

 

유동 현상을 지배하는 식_Incompressible Navier-Stokes Equation_시간, 대류, 압력, 마찰, 표면장력

 

Part 1에서는 위의 내용 이외에도 층류(Laminar flow)와 난류(Turbulent flow)에 대한 구분, 유동 현상을 결정하는 레이놀드 수(Reynolds number), 프라우드 수(Froude number), 웨버 수(Weber number), 본드 수(Bo number)에 대해 소개합니다.

 

Part 2. 전산유체역학(CFD)

 

흐르는 유체의 정보를 알기 위해 우리는 나비에 스토크 방정식의 해를 얻어야합니다. 하지만, 매우 단순한 형상의 관을 따라 흐르는 유체이면서 일부 변수에 대한 영향을 무시한다는 가정을 하지 않는 경우 우리는 방정식의 해를 손으로 방정식을 풀기 매우 어렵거나 불가능에 가깝습니다.

 

따라서 경우 실험적인 접근을 제외한다면 컴퓨터의 계산 능력에 의지할 수 밖에 없습니다.

 

전산 유체 역학의 필요성_Navier-Stokes Equations

 

이런 문제를 해결하기 위해 전산유체역학(CFD)는 다양한 방식으로 발전하고 있습니다. 컴퓨터가 위와 같은 상미분방정식에 대한 해를 얻기 위해서는 아래와 같은 방법이 사용됩니다.

 

유한차분법(FDM, Finite Difference Method), 유한체적접(FVM, Finite Volume Method), 유한요소법(Finite Element Method)는 모두 나비에 스톡스 방정식의 해를 얻기 위해 관심 대상을 이산화하는 공통점을 가지고 있으나 각 방식 별 특장점이 존재합니다.

 

전산 유체 역학의 종류 : FDM, FVM, FEM

 

Part 2에서는 이외에도 Q1Q1(P1P1)과 Q2Q1 요소 기법의 장단점, CFD 계산 알고리즘에 대해 소개합니다.

 

Part 3. 폐 유동 해석

 

전산유체역학(CFD)는 현재 수많은 산업 분야에서 활발히 사용되고 있습니다. 아래 그림은 인간의 기관지와 폐로 흡입되는 공기의 흐름을 파악하는 해석 결과입니다.

 

CFD의 장점은 보이는 것과 같이 실험이 불가능 또는 매우 어려운 현상에 대해서도 쉽게 해를 얻을 수 있으며, 계측 장비가 설치되지 않은 구조물 또는 현상에 대해서도 해석을 수행한 대상에 대해서 모든 위치에서 물리량 결과를 얻을 수 있다는 점입니다.

 

평소 우리가 호흡할 때 기관지 유동 및 압력

 

신선한 공기가 들어와서 전달되는 특성

 

Part 3에서는 폐 해석 사례를 통해 CFD 해석을 위한 요소망 생성(Meshing), 경계조건(Boundary condition) 정의 등 전처리 과정(Pre Process)에 대해 소개합니다.

 

Part 4. 2상 유동 해석

 

 

cfd05_02

 

2상 유동 해석은 액체와 기체와 같이 상(Phase)가 서로 다른 두 물질의 거동을 확인할 수 있는 해석 종류입니다. 액화 물질 이송 차량의 탱크 속 액체의 거동, 자유 수면의 움직임 등을 파악할 수 있는 해석 종류입니다. 2상 유동 해석의 해를 얻기 위한 방정식에 대해 소개합니다.

 

비전공자를 위한 유체역학 기초 전공 지식과 해석 사례 다운로드_1

최상헌 교수 경북대학교
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  • 05 08
  • 05 05
CAE Expert 구조해석 고체역학
설계용 구조 해석의 이해와 활용

 

목차

 

Part 1. 고체 역학과 유한 요소 해석의 기본 개념

Part 2. 해석 모델, 하중/경계 조건, 결과 분석의 올바른 사용

Part 3. 구조 해석의 분류와 올바른 해석 종류의 선택

Part 4. 선형 정적, 모드, 피로 해석의 기초 이론과 결과 분석

 

 

Part 1. 고체 역학과 유한 요소 해석의 기본 개념

 

 

고체, 고체역학, 응력

 

 

고체 역학(Solid Mechanics)는 외부 하중의 작용에 의한 고체의 변형과 운동, 응력을 연구하는 학문입니다. Part 1.에서는 구조 해석을 수행하기 위해 반드시 알고 있어야 하는 고체 역학의 필수 개념에 대해서 소개합니다. 구조 해석을 수행하는 엔지니어는 고체 역학에서 설명하는 변형률(Strain), 응력(Stress), 탄성계수(Elastic modulus), 안전율(Factor of safety) 등의 용어를 이해해야만 합니다.

 

일반적으로 구조 설계는 구조물의 안전성과 파손 여부를 판단하기 위해 항복(Yeilding)의 발생 여부와 실제 인장 시험으로 측정한 항복 응력과 실제 응력 계산에 관심을 가지고 제품의 안전성을 판단하고 평가합니다.

 

 

유한요소법

 

 

유한요소법(Finite Element Method)은 모델을 우리가 계산할 수 있도록 유한 개의 요소 단위로 분할하고 개별 요소 단위의 특성을 계산한 후 전체 요소의 특성을 모두 조합하여 전체 모델의 특성을 근사적으로 계산하는 방법입니다. 구하고자 하는 미지수가 위치의 함수로 정의되는 장(Field) 문제의 해를 계산하는 수치적인 근사해법으로 미분 방정식을 연립대수 방정식(Ku=F 행렬식)으로 변환하여 계산합니다.

 

구조 해석을 수행하기 위해 사용하는 요소의 종류(1D, 2D, 3D, 기타),  요소 생성 방법, 해석 수행 시 유의점 등을 소개합니다.

 

Part 2. 해석 모델, 하중/경계 조건, 결과 분석의 올바른 사용

 

 

해석 모델과 하중, 경계조건

 

 

해석 모델은 엔지니어가 관심을 갖는 대상 영역을 의미합니다. 해석 목적과 원하는 결과에 따라 적절하게 선택하여 유한 요소 모델로 표현해야 합니다. 이때, 해석 모델의 움직임과 변형을 유발하는 원인을 하중으로 정의하고 해석 모델의 움직임과 변형을 제한(억제)하는 조건을 경계 조건으로 정의합니다.

 

Part 3. 구조 해석의 분류와 올바른 해석 종류의 선택

 

 

구조해석의 운동방정식

 

 

구조 해석은 진동학(Mechanical vibration) 학문에서 찾아 볼 수 있는 운동방정식을 기반으로 문제를 정의합니다. 이때 운동 방정식의 각 항(관성력, 감쇠력)의 포함과 사용 방법에 의해 구조 해석의 종류를 결정해야 합니다. 일반적으로 해석 종류는 관성력과 감쇠력을 고려하지 않는 정적인 상황에 대한 계산을 실행하는 정적해석(Static analysis)와 그렇지 않은 경우에 대한 계산을 수행하는 동해석(Dynamic analysis)으로 나뉩니다.

 

Part 4. 선형 정적, 모드, 피로 해석의 기초 이론과 결과 분석

 

 

선형해석과 비선형해석의 분류

 

 

해석을 수행하는 엔지니어는 구조물의 거동에 대해 몇 가지 가정에 의해 후크의 법칙(Hook's law)을 따라 거동하는지, 후크의 법칙이 성립하지 않는 영역에 따라 거동 하는지 고려해야 합니다. 이로 인해 해석 종류는 선형, 비선형으로 나뉘게 됩니다. 모드 해석은 구조물의 고유진동수를 계산하고 각 고유진동수에서 구조물의 변형 형상을 계산합니다. 피로 해석은 피로(Fatigue)에 의한 구조물의 파손 발생 여부와 반복 하중을 받는 구조물의 사용 수명을 예측할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

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