이번 세미나는 CFD를 통한 열유체해석이 필요한 엔지니어가 반드시 알아야만 하는 기초 이론에 대해 설명합니다. 현업에서 CFD를 활용하고 있는 엔지니어에게 반드시 필요한 기초는 복잡한 방정식에 대한 풀이 방법이 아닌, 유체의 흐름을 이해하고 상상할 수 있는 "물리학(Physics)"에 대한 개념입니다.
목차
1. 유체역학 기초 이론(Basic physics of fluid dynamics)
2. CFD의 이해(Better understanding of CFD)
3. CFD 해석 절차(Analysis procedure of CFD)
1. 유체역학 기초 이론(Basic physics of fluid dynamics)
CFD 해석에서 정의하는 '유체(Fluid)'의 정의에 대해 알아보겠습니다. 유체의 정의에 대해 정확하게 이해하고 있어야만 CFD 해석의 가능 여부를 엔지니어가 직접 판단할 수 있습니다.
뉴튼 유체(Newtonian fluid)
뉴튼 유체는 전단속도(Shear rate)의 크기에 상관 없이 점도(Viscosity)가 일정한 유체를 의미합니다. 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 공기, 물, 오일, 알코올 등이 뉴슨 유체에 해당합니다. 뉴튼 유체의 경우에 액체의 거동에 따라 점성이 일정하게 유지되는 액체를 의미합니다.
반대로 치약, 마가린, 혈액, 시럽, 꿀, 페인트 등과 같은 대표적인 비뉴튼 액체의 경우에는 액체의 거동에 따라 점도가 바뀌는 특성을 가지고 있습니다. 이런 비뉴튼 액체의 경우에는 CFD 해석의 대상이 될 수 없습니다.
연속체 가정(Continuum assumption)
유체해석을 하기 위해 필요한 유체에 대한 2번째 정의는 '연속체(Continuum)'라고 가정하는 것입니다. 유체의 거동을 수학적으로 모델링 하기 위해서는 연속 매질이라고 가정해야만 합니다. 사용자가 해석하고자 하는 공간(범위)에 대해서는 유체(액체, 기체)로 가득 차있고, 이 유체는 분리되거나 빈 공간이 생기지 않는다는 가정이 필요한 것입니다.
열전달 방정식(Modes of heat transfer)
열전달 방식은 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 총 3가지입니다. 전도는 온도 차이에 의해 발생하는 열의 확산을 의미하고, 대류는 유체의 이동에 의한 직접적인 열의 전달, 복사는 전자기파에 의해 발산되는 열에너지를 의미합니다.
한국의 대표적인 난방 방식인 구들을 통해 3가지 열전달 방식을 이해해보면 다음과 같습니다. 아궁의 불에 의해 뜨겁게 가열된 공기의 이동(대류)으로 인해 직접적으로 열이 확산됩니다. 이 열은 구들장의 전도를 통해 방바닥에 열을 확산, 전달하는 과정을 의미합니다. 또한 태양 빛에 의해 따뜻한 열이 전달되는 것은 복사에 의한 열전달입니다.
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2. CFD의 이해(Better understanding of CFD)
층류와 난류
층류(Laminar flow)란 유체 입자들이 부드럽고 정렬된 형태로 물질의 혼합이 쉽게 일어나지 않으며 움직이는 흐름을 의미합니다. 반면 난류(Turbulent flow)는 유체 입자들이 불규칙하고 헝크러진 형태로 물질 혼합이 활발히 일어나는 흐름을 의미합니다.
난류는 다양한 크기의 와동으로 구성됩니다. 난류의 와동(소용돌이, Turbulent Eddy)은 시간이 지날수록 작은 크기로 나눠지며 결국 소산되어 사라집니다. 유체의 흐름에서 발생하는 수많은 작은 와동으로 구성된 난류를 모두 해석하는 것은 현실적으로 불가능에 가깝습니다.
따라서 난류의 평균적인 특성을 수학적으로 모델링한 난류 모델을 CFD 해석에 이용합니다. 난류 모델은 RANS-based 모델(Reynolds Averaged Navier-Stokes)이 대표적이며, LES, DNS 등 와동을 직접적으로 계산하는 방법들이 등장하고 있습니다.
경계층
경계층(Boundary layer)란 유체의 점성(Viscosity) 효과로 인해 벽면 근처에서 발생하는 얇은 흐름의 층을 의미합니다. 벽면에서의 유체의 속도는 0이며, 점차적으로 증가하여 본류의 속도와 같아집니다.경계층은 시작점으로부터 점차 두꺼워지며, 층류 경계층에서 난류 경계층으로 변화합니다.
난류 경계층의 경우 층류 경계층에 비해 많은 에너지를 가지고 있습니다. 경계층 바닥에서의 속도가 빨라 유동 박리를 지연시키는 특성을 가지고 있습니다. 골프공의 딤플은 난류 경계층을 의도적으로 발생 시켜 골프공의 항력(Drag force)를 감소 시키는 대표적인 예시입니다.
벽면은 와도와 난류의 주요 발생 원인입니다. 직접적으로 벽면 근처의 유체의 흐름에 대한 해를 해석하기 위해서는 수많은 요소로 모델링 되어야 하며 이는 해석 시간 증가와 컴퓨팅 파워 요구로 이어지게 됩니다. 이를 해결하기 위해 벽함수(Wall function)을 통해 벽면 근처에서의 유체의 흐름은 근사적인 해를 구해 사용합니다.
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