산업 전반에 걸친 고충실도 CFD 시뮬레이션의 잠재력
성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술
전산유체역학(CFD) 분야는 특히 고충실도 시뮬레이션의 등장과 적용으로 새로운 변화를 겪고 있다. 이러한 첨단 시뮬레이션, 특히 대형 난류 해석(Large Eddy Simulation : LES)을 통해 여러 산업 분야에서 정밀도, 정확성, 효율성에 있어 새로운 기준을 설정하고 있다.
이번 호에서는 고충실도 CFD 시뮬레이션의 이점과 적용 사례를 살펴보며, 가장 어려운 설계 및 최적화 문제를 해결하는 데 있어 이들이 이끌어낸 혁신적인 결과를 조명하고자 한다.
■ 자료 제공 : 나인플러스IT, www.vifs.co.kr
그림 1
CFD의 새로운 시대를 열다
이 접근법은 ‘시프팅 레프트(Shifting Left)’라고 알려져 있으며, 제품 설계 주기에서 테스트 단계를 앞당겨 제품 성능과 품질을 향상시키는 것을 강조한다. 이러한 복잡한 과정에서 고충실도 CFD가 핵심 역할을 하며, 이는 항공우주뿐만 아니라 에너지 생산과 자동차 분야에서도 빠르고 신뢰할 수 있는 예측 결과를 제공한다.
항공우주
예를 들어, 항공우주 분야에서는 차세대 터보 팬 개발이 야심찬 효율 및 배출 기준을 설정하며 진행되고 있다. 이 산업은 새로운 추진 기술 개발과 전통적인 화석 연료에서 더 지속 가능한 대체 연료로의 전환이라는 중요한 변화의 한가운데에 있다. 이곳에서 성능과 효율을 최적화하는 것은 단순한 목표가 아니라 필수 요소로, 초기 설계 조정의 중요성이 강조된다.
이 접근법은 ‘시프팅 레프트’라고 불리며, 제품 설계 주기에서 테스트 단계를 앞당겨 제품 성능과 품질을 향상시키는 것을 목표로 한다. 바로 이 복잡한 과정에서 고충실도 CFD가 핵심 역할을 하며, 이는 항공우주뿐만 아니라 에너지 생산과 자동차 분야에서도 빠르고 신뢰할 수 있는 예측 결과를 제공한다.
그림 2. Goc, Moin, Bose, & Clark, 2024
항공우주 분야에서 상업용 항공기의 최대 양력 및 실속 특성을 예측하는 도전 과제는 고충실도 LES가 전통적인 CFD 방법보다 뛰어난 능력을 발휘하는 사례를 보여준다. NASA 고양력 공통 연구 모델의 사례에서 LES는 착륙 중 실제 항공기 구성을 정확하게 모사하는 모습을 보여주며 이를 입증한다. 실험 데이터와 밀접하게 일치하고 양력, 항력, 실속 발생과 같은 중요한 역학을 포착하는 LES는 항공우주 산업이 항공기 인증 과정에서 전통적인 테스트와 함께 또는 이를 대신하여 시뮬레이션을 의존하는 방향으로 나아가게 한다.
자동차 공기역학
자동차 산업이 배터리 전기차(BEV)로 전환함에 따라, 항력 최적화라는 근본적인 도전에 직면하고 있다. 고속도로에서의 추진에 필요한 에너지의 절반은 항력 극복에 소모된다. 전통적인 내연기관에서 전기 모터로 이동하면서, 항력을 최소화하는 중요성이 더욱 강조되고 있다.
그림 3. Nagaoka, 2024
고충실도 CFD 시뮬레이션은 미세한 설계 변경이 미치는 공기역학적 영향을 높은 정밀도로 예측할 수 있는 능력으로 두드러진다. 이러한 능력은 매우 귀중하며, 엔지니어가 여러 가지 설계 조정을 평가하고 각 조정이 제공하는 미세한 항력 이점을 설계 과정에서 반영하여 전반적인 효율과 주행 거리를 향상시킬 수 있게 한다.
고충실도 CFD를 활용한 SUV 공기역학 연구는 이러한 첨단 시뮬레이션의 실용적인 적용 사례를 강조한다. 정확하고 효율적인 CFD 시뮬레이션을 통해 얻은 실행 가능한 설계 지침과 실험과 유사한 통찰은 공기역학, 음향학, 열 전달 등과 관련된 중요한 예측을 용이하게 하여 여러 분야에 응용될 수 있다.
그림 4. Brès, et al., 2023
눈에 띄는 예로는 혼다(Honda)의 전면적 세단에 대한 차량 소음 예측이 있다. 고충실도 CFD 시뮬레이션은 풍동 실험과 놀라운 상관관계를 이루며, 이를 통해 차량의 음향 특성에 대한 더 빠르고 효과적인 조사가 가능해졌다.
밀레니엄 플랫폼으로 혁신 촉진
LES 응용 프로그램의 발전에서 중요한 측면은 GPU에서의 성능 및 가속 통합이다. 이는 케이던스의 ‘밀레니엄(Millennium)’ 플랫폼에서 구현된 성과로, 계산 능력과 높은 정확도를 결합함으로써 LES의 실용적인 응용 분야를 확장할 수 있다. 이러한 발전은 결과의 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라, 고충실도 시뮬레이션을 보다 광범위한 응용 분야에서 더 쉽게 접근하고 실현 가능하게 만든다.
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작성일 : 2026-01-07