전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)

최종수정일 : 2024.11.04

 

CFD(Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학)의 원리

유체의 물리적인 움직임을 기술한 편미분 방정식(Navier-Stokes 방정식)을 다양한 수치적 접근 방식을 사용함.

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각 수치적 접근 방식을 사용하여 이산화하고, 대수 방정식으로 변환한 뒤에 수치 기법의 알고리즘을 사용하여 유체 유동 문제를 컴퓨터로 계산하여 분서기 및 해석하는 것

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방정식은 유체의 운동을 설명하며, 속도, 압력, 밀도, 온도 같은 다양한 물리적 특성들이 시간과 공간에 따라 어떻게 변하는지를 나타냅니다. 이 방정식을 통해 다음과 같은 정보를 계산할 수 있습니다

1. 속도 벡터 : 유체가 움직이는 방향과 크기
2. 압력 분포 : 유체의 특정 지점에서의 압력
3. 온도 분포 : 유체 내에서 발생하는 온도 변화
4. 밀도와 점도 : 유체의 밀도 변화와 점성의 영향

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CFD(전산유체역학) 기법

종류 및 설명

유한차분법(FDM) (Finite Difference Method)	연속적인 유체 흐름 방정식을 작은 격자로 나눠 차분 방정식으로 풀어내는 기법, 연속적인 공간을 작은 셀로 나누고 각 셀의 중심에서 방정식을 푸는 방식 장점: 구현이 비교적 쉽고, 계산 속도가 빠름 단점: 복잡한 형상에 적용이 어려움
유한체적법(FVM) (Finite Volume Method)	FDM과 비슷하지만, 각 셀의 경계를 기준으로 물리량을 보존하는 방식으로 방정식을 풉니다. 특히 흐름 보존 법칙을 만족하도록 설계되어, 복잡한 형상에 강점 장점: 보존 법칙을 엄격하게 지키며 복잡한 형상에 적합 단점: 구현이 다소 어려울 수 있음
유한요소법(FEM) (Finite Element Method)	연속적인 영역을 삼각형 또는 사각형과 같은 요소로 분할하고, 각 요소에 대한 방정식을 통해 유체 흐름을 계산합니다. 다양한 형태와 복잡한 경계를 다루는 데 뛰어남 장점: 복잡한 형상 및 경계 조건 처리에 유리 단점: 계산 시간이 많이 걸림
격자-볼츠만법(LBM) (Lattice Boltzmann Method)	통계역학의 볼츠만 방정식을 기반으로 하여 유체의 거시적 성질을 계산. 입자 기반 모델과 유사하지만 격자를 사용해 계산 효율을 높인 방식 장점: 복잡한 경계 및 다상 유체에 효과적 단점: 다른 전통적 방법보다 상대적으로 새로운 기법, 고속 흐름 분석에 제한
대와류 모사법(LES) (Large Eddy Simulation)	난류 모사법 중 하나로, 난류의 큰 소용돌이(대와류)를 직접 계산하고 작은 소용돌이는 모델링. 정확도가 높아, 항공기 설계와 같은 고도 난류 분석에 주로 사용. 장점: 고도의 난류 흐름을 정확하게 분석 단점: 계산 비용이 높음
직접수치모사법(DNS) (Direct Numerical Simulation)	모든 난류 구조를 직접 계산하여 유체 흐름을 정확하게 모사합니다. 난류 모델을 사용하지 않으므로 가장 정확하지만, 계산 비용이 매우 높아 실용적이지 않은 경우가 많음. 장점: 최고 수준의 정확도를 제공 단점: 실용적이지 않을 정도로 높은 계산 비용

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CFD(전산유체역학)의 응용 분야

CFD는 다양한 분야에 활용

• 자동차 산업 : 자동차의 공기역학 성능을 개선하고, 냉각 시스템 설계에 사용

• 항공 우주 : 항공기와 우주선의 설계를 최적화하고, 공기 저항과 연료 효율을 개선합니다.

• 전자 산업 : 전자 장비 내의 냉각 흐름을 분석하여 과열을 방지하고, 장비의 효율성을 높이는 데 사용됩니다.

• 의료 분야 : 혈액 흐름이나 호흡기 시스템의 유체 역학을 연구하여 더 나은 치료법과 장비를 개발합니다.

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CFD의 장점

• 비용 절감: 물리적 실험 없이도 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 상황을 분석할 수 있어 비용 절감이 가능
• 안전성: 위험한 상황에서도 안전하게 유체의 움직임을 예측
• 시간 절약: 복잡한 상황에서도 빠르게 결과를 얻어 의사결정에 도움

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CFD는 특히 빠른 계산 능력을 갖춘 슈퍼컴퓨터와 고도화된 알고리즘 덕분에 점점 더 정확하고 세밀한 분석을 제공하게 되었고, 앞으로도 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 할 것

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전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)