CFD가 처음이라면 알아야할 기초 이론

2022.07.25 반디통

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이 글은 유동 해석을 처음 접하는 분들에게 ‘유체역학’과 ‘전산유체역학’에 대한 이해를 돕고, 유체 해석을 위해서 무엇을 할 수 있고 어떻게 해야 하는지 스스로 그 길을 찾을 수 있도록 도움을 드리고자 작성되었습니다. 기초적인 내용부터 단계적인 학습을 통해 빠르게 유동 해석 전문가가 되기를 희망합니다.

 

이번 글에서는 CFD와 관련된 기본적인 용어의 정의로 시작하며, ‘유체의 거동을 어떻게 해석해야 하고, 어떤 점들을 중요하게 고려해야 하는가?’에 초점이 맞춰져 있습니다.


목차


1. 유체란?
2. 유체역학이란?
3. 유체역학에서 사용되는 기본 법칙과 지배방정식
4. 유체역학의 해석 방법


1. 유체란?


먼저 유체란 무엇인지 정의하자면, 쉬운 표현으로는 ‘액체와 기체를 통틀어 일컫는 말’입니다. 조금 더 공학적인 표현으로는 ‘아무리 작은 전단응력을 받아도 연속적으로 변형되는 물질’이라 볼 수 있습니다.

 

전단응력 shear stress, 전단변형률 shear rate
고체와 유체의 가장 큰 차이점은 외부에서 가해진 전단응력(shear stress; 옆으로 미는 힘)에 대한 거동의 차이입니다. 고체가 전단응력을 받았을 때 변형량(deformation)은 그 고체의 강성(rigidity)에 따라 달라진다면, 유체의 변형률(shear rate)은 그 유체의 점성(viscosity)에 따라 달라집니다. 유체 해석에 필요한 점성, 밀도, 비열, 표면장력 등 물성 정보에 관한 내용은 추후 별도로 다루도록 하겠습니다.


2. 유체역학이란?


유체역학은 정지상태 또는 움직이는 상태의 유체 거동을 다루는 학문으로, 응용 분야는 매우 넓습니다. 펌프, 팬, 터빈, 비행기, 선박, 풍차, 파이프, 엔진, 필터, 스프링클러, 강, 빙산, 수영, 호흡, 혈류 등이 있으며, 지구상의 거의 모든 것은 유체로 둘러싸여 있고 기계적인 작동은 유체의 영향을 받습니다.

 

작동 유체로부터의 영향을 분석 중인 자동차 산업
또한 유체역학은 기계공학에서 정역학, 동역학, 재료역학, 열역학과 함께 가장 기본이 되는 학문이며, 유체역학과 열역학은 서로 많은 부분을 공유하기도 합니다.


3. 유체역학에서 사용되는 기본 법칙과 지배방정식


사과가 나무에서 떨어지는 것은 만유인력의 법칙 때문인 것을 뉴턴이 발견하였습니다. 질량이 있는 모든 물체는 서로 잡아당기는 힘이 존재한다는 법칙이며, 지금은 흔히 알려진 대표적인 물리 법칙 중 하나입니다.

 

항공사진으로 확인하는 지구 대기의 흐름 상태
물이 위에서 아래로 흐르는 것처럼, 이러한 법칙들은 자연의 이치이자 섭리입니다. 이처럼 어떠한 상황에서도 항상 만족하는 우주상의 법칙은 아주 많으며, 그중에서 유체역학과 관련된, 유체역학의 근본이 되는 몇 가지 법칙에 대해서 알아보겠습니다. 추후 다루게 되겠지만, 유체의 거동을 해석하기 위해 사용되는 방정식들은 대부분 이러한 기본 법칙들을 바탕으로 유도되었습니다.

 

 

5. 전산유체역학이란?

 

난류 turbulent flow

 

전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)은 컴퓨터를 통해서 유체 역학 이론을 바탕으로 유체 거동을 예측하는 것을 의미합니다.

 

전산유체역학, Computational Fluid Dynamics, CFD

 

CFD의 장점은 무엇보다 비용면에서 실제 실험보다 훨씬 저렴한 경우가 많다는 것입니다. 예를 들어 터빈에 들어가는 블레이드의 형상에 따른 성능 실험을 위해서는 여러 종류의 블레이드를 설계하고 제조 과정을 거친 후 실험을 하게 됩니다. 하지만 CFD 해석은 설계 과정에서 미리 성능을 예측해 볼 수 있다는 장점이 있습니다. 그 외에도 실험에서는 관측하려는 값의 종류(온도, 속도, 압력 등)에 따라서 센서의 종류와 개수가 많을수록 많은 정보를 구할 수 있으며, 자세히 관찰하고자 할수록 더 많은 계측 비용이 발생합니다.


하지만 CFD 해석은 해석 영역 내의 모든 질점(node)에서 계산된 정보를 살펴볼 수 있다는 장점이 있으며, 공기처럼 무색무취의 기체가 어디에서 어디로 흐르는지, 얼마나 빠른지 등을 한눈에 파악할 수 있습니다. 마지막으로 고온, 고압의 상황이거나 유독성 물질에 대해서 실험 환경은 다소 위험할 수 있으나, CFD 해석을 하면 안전한 환경에서 공학적 예측을 할 수 있습니다.


유체의 거동을 예측하기 위해서는 이론적으로 접근하는 방법도 있고, 실험을 통한 방법도 고려할 수 있습니다. 하지만 이론을 통해 예측하기 위해서는 앞서 언급된 나비어·스토크스 방정식을Navier-Stokes Equation)을 풀어야 하는데,

 

미리보기는 여기까지

 

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