플루언트 메싱을 활용한 적층제조 형상의 격자 생성

오늘날 ‘3D 프린팅’이라고 흔히 알려져 있는 ‘적층제조(Additive Manufacturing)’는 복잡한 형상을 쉽게 제작할 수 있어 많은 산업군에서 이용되고 있다. 일반적으로 적층제조 방식으로 설계된 제품들의 성능 비교를 위해 열/유동 CFD 해석이 활용되는데, 특히 앤시스 플루언트 메싱(Ansys Fluent Meshing)을 사용하는 경우, 기존 적층제조 방식으로 설계한 형상이 하나의 서피스(Surface)로만 이루어진 특정한 포맷(STL)으로 제한되는 것에 비해, 해당 포맷을 포함한 다양한 CAD 형상에 대해 사용자가 편리하게 격자를 생성할 수 있는 장점이 있다.
이번 호에서는 적층제조 방식으로 설계한 TPMS(삼중 주기적 최소 곡면 : Triply Periodic Minimal Surface) 열교환기를 예시로 격자 생성 과정에 대해 설명하고자 한다.

■ 문성식
태성에스엔이 유동 2팀 매니저로, 유동해석 지원 및 용역업무를 담당하고 있다.
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적층제조
적층제조(AM)는 3D 프린팅 기술을 바탕으로 분말형 수지, 금속 등의 재료를 한 층씩 적층하면서 제품을 제조하는 방식으로 이해할 수 있다. 과거에는 비용이 너무 많이 들거나 제조가 불가능했던 특수한 형상을 이러한 방식으로 설계할 수 있기 때문에, 자동차 대시보드 및 시제품, 건축 모형, 귀금속 디자인 등 다양한 제품들이 점점 더 많아지고 있는 추세이다.
이러한 기술 경향에 맞춰 태성에스엔이 적층제조 센터에서도 드론, 발사체 개폐밸브, 자동차 휠 등 다양한 분야에 적층제조 방식을 활용하는 연구 개발을 진행하고 있다. 또한, 그 중에서 3D 프린팅을 이용해 복잡하지만 소형화가 가능하고 열전달 성능을 높일 수 있는 TPMS 열교환기의 연구도 진행 중이다. 열교환기의 객관적인 성능 비교를 위해서는 열/유동 해석이 필수적이나, 3D 프린팅의 특성상 CAD 포맷은 STL의 형식으로 제공됨에 따라 하나의 서피스로만 이루어지게 된다. 하지만 해석을 위해서는 구분된 유동영역과 경계 조건을 적용하기 위한 각각의 면들이 필요하다. 
이번 호에서는 TPMS 열교환기에 대해 간단하게 살펴보고, 플루언트 메싱을 활용하여 STL 포맷으로 제공된 TPMS 열교환기를 예시로 격자 생성 과정(형상 수정, 경계면 생성 및 유동영역 추출)에 대해 알아보도록 하겠다. 

TPMS 열교환기란
삼중 주기적 최소 곡면(Triply Periodic Minimal Surface : TPMS)을 이용한 열교환기는 Sin과 Cos의 조합에 따라 다양한 TPMS 곡면을 가질 수 있다.(그림 1) 이러한 TPMS 곡면을 활용하여 3차원 공간을 2개의 공간으로 분할할 수 있다. TPMS로 분리된 두 공간에서 서로 다른 2개의 유체가 섞이지 않고 흐르기 때문에 완벽한 3차원 열전달이 가능하다.

 

그림 1. Triply Periodic Minimal Surfaces

TPMS 열교환기는 기존 판형 열교환기(전열판과 전열판이 적층 및 브레이징되어 간접 열교환이 이루어지는 2차원 유로가 형성)의 구성과 유사하다고 볼 수 있다.(그림 2)
하지만 TPMS 구조로 인해 유체의 흐름이 2차원에서 3차원으로 확장되고 열교환 면적이 극대화되는 효과를 가져온다. 따라서 제한된 제품의 체적에서 추가적인 압력 강하 없이 열전달 성능을 크게 향상시킬 수 있는 장점을 갖는 열교환기가 될 수 있다.