최근 4차 산업혁명과 맞물려 이미 평준화된 형상설계를 위한 기능을 넘어 구조해석, 유동해석 등의 CAE 기능을 CAD 상에서 쉽게 수행하도록 기능을 추가하는 노력들이 이어져 왔다. 그 중 CFD(전산유체역학)는 이론과 사용상의 어려움, 결과의 신뢰성 문제 등으로 여전히 높은 진입장벽이 있었다. CFD 소프트웨어의 개발은 이러한 진입 장벽을 낮추어 설계 엔지니어도 쉽게 사용할 수 있도록 하기 위해 활발하게 이루어졌다. 이러한 흐름들은 CAD에 포함되어 있어 설계자가 쉽게 사용할 수 있으면서도 결과가 검증된 CFD 코드에 대한 사용자들의 요구를 반영한 것이다.
이러한 상황에서 시메릭스(Simerics)는 Simerics for Solidworks(시메릭스 포 솔리드웍스)를 출시하였다. 시메릭스는 용적펌프 해석 분야를 위한 SimericsPD(구 PumpLinx)의 개발사이며, 특수 템플릿을 제외하고 모듈화하여 가격을 낮춘 범용 CFD 소프트웨어인 SimericsMP를 개발한 기업이다. 시메릭스는 이러한 검증된 알고리즘을 적용하여 솔리드웍스에 애드온(Add-on)하였으며, 이를 통해 설계자들은 CAD 내에서 유동해석을 하나의 기능처럼 쉽게 수행하고, 결과를 확인할 수 있게 되었다.
그림 1. SimericsMP 해석 사례, 다상유동(왼쪽) 및 대류, 복사(오른쪽)
격자(Mesh)
SimericsMP에서 사용하는 격자는 Cartesian Adaptive Mesh 방식을 사용하고 있다. 이는 유동 공간을 육면체로 분할하고, 곡면과 교차하는 셀에 대해서는 더 작게 세분화하여 곡면 표면에서는 다면체로 격자가 구성되는 방식이다. 이러한 방식의 격자 생성 방법이 가지는 가장 큰 강점은 육면체 격자(Hexahedral Mesh)의 수렴성과 신뢰성이라는 장점을 유지하면서, 사면체 격자(Tetrahedral Mesh)의 정확한 형상을 반영하는 이점을 함께 가져갈 수 있다는 점이다. 또한 매우 미세한 틈에도 유저가 원하는 개수만큼 격자를 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그림 2. 시메릭스의 격자
Cartesian Adaptive Mesh는 격자 생성의 편의성으로 많은 격자 생성기에서 구현되고 있으나, 시메릭스의 격자는 바이너리 트리(Binary-tree) 방식을 채택하여 차별성을 두고 있다. 기존 Octree 방식이 사각형을 4분할하는 방식이라고 한다면, 바이너리 트리 방식은 사각형을 2분할하는 방식이라고 볼 수 있다. 육면체로 볼 경우 Oc tree는 일률적으로 8분할이 되지만, 바이너리 트리 방식은 2, 4, 8개로 형상에 따라 유연하게 셀을 나눌 수 있어 격자의 개수가 줄어드는 장점을 가지고 있다.
인터페이스 처리 방법
많은 경우에서 유동 공간은 둘 이상의 파트가 접하고 있는 형태로 구성된다. 특히 회전하는 파트가 포함된 경우 회전체와 고정체로 나눠야 하기 때문에 인터페이스 처리는 필수적이다. 시메릭스는 펌프 해석 분야에서 검증된 만큼 독자적인 인터페이스 처리방식을 가지고 있다.
이는 바로 MGI(Mismatched Grid Interface) 방식이다. 이 방식은 인터페이스면 양쪽의 셀들을 같은 도메인 내의 인접한 셀들처럼 음해적(Implicit) 방법으로 처리하는 알고리즘을 가지고 있어, 일반적인 매핑 방식에 비해 오차가 작고 수렴성이 좋다는 특징이 있다.
그림 3. 일반적 인터페이스 처리(왼쪽)와 시메릭스의 MGI(오른쪽)
특히 MGI는 펌프해석 뿐 아니라 송풍기, 터빈 등 인터페이스 처리가 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있다.
그림 4. MGI가 적용된 해석사례. 블로어(왼쪽)와 터보차저(오른쪽)
솔리드웍스 버전에서는 여러 솔리드 보디에 관해 격자 생성 시 자동으로 도메인 간 맞닿은 면을 인식하여 MGI로 설정하는 편의 기능을 제공하고 있다.
계산 속도 및 수렴성
격자 생성의 까다로움과 함께 유동해석과 CAD의 통합에서 가장 큰 문제는 계산시간이다. 그런 측면에서 시메릭스의 격자 생성 방법은 수렴성과 계산 속도를 향상시키는데 도움을 주며, OpenMP를 사용하여 병렬연산을 진행하기 때문에 C AD에서도 빠르게 유동해석 결과를 확인할 수 있게 되었다.
유동공간 추출
유동해석에서 격자 생성과 해석의 주 대상은 설계의 대상이 되는 솔리드가 아닌 유동이 발생하는 영역이다. 이는 CAD 모델상의 빈 공간을 의미한다. 이 유동공간을 솔리드 보디로 생성하는 작업은 경험이 있는 설계 엔지니어에게 어려운 작업은 아니겠지만, 그 형상이 복잡하거나 여러 파트를 받아 불러들였을 경우 번거로운 작업이 된다. Simerics for Solidworks에서는 Create Fluid Domain 기능을 통해 이 작업을 간단하게 처리할 수 있도록 도와준다.
그림 5. 유동 도메인 생성
Create Fluid Domain 기능에서 옵션으로 제공하는 Check Leaking 기능은 선택한 면에서 유동이 누출될 가능성이 있는 틈을 체크해 준다. 면에 이러한 결함이 있는 경우 유동 공간의 생성에 실패하게 된다. 면에 존재하는 미세한 구멍이나 틈으로 인식되는 이러한 결함은 CAD에서 수정은 간단하지만 위치를 파악하는 것이 쉽지 않다. 그런 측면에서 Check Leaking 기능은 특히 외부에서 받아 온 모델에서 발생할 수 있는 면의 결함 문제를 바로잡을 수 있는 유용한 기능이다.
그림 6. Check Leaking
실시간 결과 확인 및 세팅 값 변경
시메릭스의 경우 해석이 진행되는 도중 실시간으로 결과를 확인할 수 있어, 해가 완전히 수렴되지 않은 상태에서 대략적인 결과를 예측하는 것이 가능하다.
또한, 해석이 진행되는 도중 설정 값을 변경하면 변경된 값이 실시간으로 반영된다. 이는 잘못 입력된 값의 수정이나 대략적인 결과를 보고 수정하여 새로운 해석을 진행하는 경우 유용하게 사용될 수 있다.
그림 7. 실시간 결과 확인
제품 구성(모듈)
Simerics for Solidworks는 기본이 되는 시메릭스 코어(Simerics Core)에 추가되는 모듈별로 가격을 책정하여 사용자들이 해석 대상에 필요한 모듈만을 선택할 수 있으므로, 합리적인 가격으로 구매가 가능하다.
| 모듈 | 설명 |
|---|---|
| Simerics Core | 기본적인 열/유동해석, 난류모델 제공 |
| Cavitation | 공동현상 예측, 액체에 녹아 있는 기체와 유동에 의한 압력강하에 따른 기화 동시에 고려 |
| Multiphase | 공기/물/오일 등 여러 상(phase)의 유체들이 흐를 때의 유동해석 |
| Moving/Sliding Grid & MRF | 도메인에 대한 선형, 회전, 확장 등의 움직임 세팅 가능 |
| Multicomponent Mixing | 혼합물에서 각각의 물질에 대한 유동 및 확산계수 계산 |
| Particle | 유동에 부유하는 입자거동 확인 |
| Radiation | S2S 모델에 의한 복사해석 |
| Dynamics | 유체에 의한 힘이 작용할 때의 강체 움직임 모사(1-DOF) |
| Species | 가상의 물질에 대한 농도분포 계산 |
표 1. 시메릭스 모듈
개발 및 지원 방향
시메릭스는 CAD로 통합된 버전의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 그 첫 번째인 솔리드웍스 버전 외에 크레오(Creo)에 통합된 버전을 최근 출시했고, 다른 범용 CAD에 내장된 버전도 지속적으로 개발할 예정이다.
경원테크는 시메릭스의 국내 유일한 대리점으로 열유동해석 분야에서 오래된 노하우를 가지고 있다. 이를 바탕으로 CAD 용 유동해석 툴의 도입 시 부족할 수 있는 해석에 대한 기술 지원을 해 나갈 예정이다.
기사 상세 내용은 PDF로 제공됩니다.
