유동해석과 열해석, 그리고 전산유체역학(CFD) 개요 및 설명
유동해석 (Fluid Flow Analysis)
1) 유동해석 개요
유동해석은 유체의 흐름을 예측하고 분석하는 과정으로, 유체의 물리적 특성과 구조물과의 상호작용을 시뮬레이션하는 기술입니다.
노랗목차
유동해석은 컴퓨터를 통해 다양한 성형 조건이나 게이트 위치 등을 변경하여 적절한 흐름 형상을 찾아내는 데 도움을 줍니다. 이를 통해 실제 금형 제작 전에 최적화된 설계를 도출하고, 불필요한 시행착오를 줄일 수 있습니다.
2) 유동해석 과정
유동해석의 과정은 먼저 분석할 부품의 컴퓨터 모델을 생성하고, 초기 게이트 위치를 설정하는 것에서 시작됩니다.
- 컴퓨터 모델 생성: 먼저 부품의 컴퓨터 모델을 만듭니다.
- 초기 게이트 위치 선정: 초기 게이트 위치를 선정합니다.
- 수지 흐름 시뮬레이션: 수지가 예상된 형태로 캐비티 내를 흐르는 것을 도식화하여 수치적으로 나타냅니다.
- 온도 및 압력 분포 계산: 동일한 온도와 압력 분포가 전 제품에 계산되어 나타납니다.
- 문제점 파악: 웰드라인 위치나 과충전 같은 바람직하지 않은 현상들이 관찰됩니다.
- 반복적 분석: 금형 제작 전 여러 가지 방법으로 분석하여 성형의 어려움을 파악하고 설계 단계를 수정합니다.
이후 시뮬레이션을 통해 유체가 캐비티 내에서 예상된 형태로 흐르는 모습을 시각화하고, 이 과정에서 온도 및 압력 분포가 계산됩니다. 또한 웰드라인 위치나 과충전과 같은 바람직하지 않은 현상들도 관찰됩니다.
이와 같은 반복적인 접근을 통해, 금형을 실제로 제작하기 전에 다양한 시나리오를 분석하고 설계 수정이 가능합니다.
3) 해석값 확인 방법
유동해석에서 주로 확인하는 해석값은 유체의 속도, 압력, 온도, 밀도 등입니다.
시뮬레이션 결과는 주로 2D 또는 3D 형태의 그래프나 애니메이션으로 시각화되며, 유동 패턴, 압력 분포, 온도 분포 등의 정보를 제공합니다.
이를 통해 구조물 내부에서 유체가 어떻게 흐르고, 특정 부분에서 발생할 수 있는 문제점을 파악하여 설계에 반영할 수 있습니다.
열해석 (Thermal Analysis)
1) 열해석 개요
열해석은 구조물이나 시스템 내에서의 온도 분포와 이에 따른 열 응력 및 열변형을 예측하는 과정입니다.
열해석은 기계 설계 및 전자기기 설계에서 매우 중요하며, 발생하는 열이 구조물의 성능이나 안정성에 미치는 영향을 분석하여 적절한 방열 설계 및 열 관리 방안을 도출할 수 있습니다.
2) 열해석 과정
열해석은 먼저 분석할 시스템의 3D 모델을 생성하고, 초기 조건(예: 주변 온도, 열원 위치)을 설정하는 것으로 시작됩니다.
- 모델 준비: 해석할 구조물의 3D 모델을 준비합니다.
- 경계 조건 설정: 초기 온도, 열원 위치, 열 흐름 경로 등을 설정합니다.
- 시뮬레이션 수행: 온도 변화에 따른 유체의 움직임을 시뮬레이션합니다.
- 결과 분석: 열 분포, 온도 변화에 따른 구조적 특성 변화를 분석합니다.
이후, 시뮬레이션을 통해 열이 구조물 내에서 어떻게 전도, 대류, 복사되는지를 분석합니다. 이러한 분석을 통해 열이 특정 부위에 집중되거나 온도가 급격히 변하는 부분을 찾아낼 수 있습니다.
3) 해석값 확인 방법
열해석에서는 주로 온도 분포, 열 응력, 열변형 등을 해석값으로 확인합니다.
시뮬레이션 결과는 온도 분포도를 통해 시각화되며, 열이 어떻게 전달되고 축적되는지 명확히 파악할 수 있습니다. 이를 통해 열로 인한 구조적 변형이나 손상을 사전에 예측하고, 설계를 개선할 수 있습니다.
전산유체역학 (CFD, Computational Fluid Dynamics)
1) CFD 개요
전산유체역학(CFD)은 유체의 물리적 움직임을 수학적으로 표현한 방정식을 컴퓨터를 이용해 수치적으로 풀어내는 기술입니다.
CFD는 복잡한 유체 흐름과 물체와의 상호작용을 시뮬레이션하여, 실험적으로 구하기 어려운 정보를 제공할 수 있습니다.
이는 시간과 비용을 절감할 수 있는 경제적이고 효과적인 방법으로, 항공기, 자동차, 선박 등의 외부 공기역학적 특성부터 전자기기 내부의 냉각 성능에 이르기까지 광범위한 분야에서 사용됩니다.
2) CFD 해석 과정
CFD 해석은 분석 대상의 기하학적 모델을 생성하고, 유체의 물리적 특성을 설정하는 것에서 시작됩니다.
- 자동차: 엔진 소음, 연소 해석, 실린더 헤드 내 회전 유동 해석 등.
- 전자기기: 잉크젯 프린터 설계, 컴퓨터 냉각 장치 해석 등.
- 항공: 무중력 상태에서의 연소 특징 해석, 연료 탱크 내 유동 해석 등.
- 자연과학: 다양한 자연 현상에 대한 유동 해석.
이후, 유체 흐름의 초기 조건과 경계 조건을 설정하고, 유체 운동 방정식을 풀어가며 유체의 속도, 압력, 온도 분포 등을 계산합니다. 이 과정에서 다양한 물리적 현상(예: 난류, 층류, 열 전달 등)을 고려하여 해석이 이루어집니다.
3) 해석값 확인 방법
CFD 해석에서 주로 확인하는 해석값은 유동 속도, 압력 분포, 온도 분포, 난류 강도 등입니다.
시뮬레이션 결과는 2D 및 3D 그래픽으로 시각화되며, 유체가 어떻게 흐르고, 특정 지점에서 어떤 물리적 현상이 발생하는지 파악할 수 있습니다. 이러한 데이터를 기반으로 제품 설계 개선, 성능 최적화, 안전성 확보 등이 가능합니다.
열유동해석 (Thermal Fluid Analysis)
1) 열유동해석 개요
열유동해석은 열해석과 유동해석이 결합된 해석 방법으로, 유체가 흐르는 구조물 내에서 온도 변화가 유체의 흐름과 상호작용하는 양상을 분석합니다.
이는 주로 전자기기 냉각, 엔진 냉각 시스템, 열 교환기 설계 등에서 중요한 역할을 하며, 열이 유체 흐름에 미치는 영향을 시뮬레이션할 수 있습니다.
2) 열유동해석 과정
열유동해석 과정은 CFD 해석 과정과 유사하며, 여기에 열 전달 분석이 추가됩니다.
먼저, 분석 대상의 기하학적 모델을 생성하고 유체의 물리적 특성, 열원 및 경계 조건을 설정합니다. 이후, 열 전도, 대류, 복사 등의 현상을 고려하여 시뮬레이션을 수행합니다.
3) 해석값 확인 방법
열유동해석의 해석값으로는 유동 속도, 온도 분포, 압력 분포, 열 전달율 등을 확인할 수 있습니다.
시뮬레이션 결과는 주로 온도와 유동의 상호작용을 시각화한 결과로 제공되며, 이를 통해 구조물의 열 관리 성능을 평가하고, 최적의 냉각 방안 또는 방열 설계를 도출할 수 있습니다.
| 해석 유형 | 프로그램 이름 | 주요 특징 | 사용 분야 |
|---|---|---|---|
| 유동해석 (Fluid Flow Analysis) | Moldflow | 사출 성형 공정에서 사용 게이트 위치, 성형 조건 최적화 웰드라인 및 과충전 예측 가능 | 플라스틱 성형, 금형 설계, 제품 개발 |
| POLYFLOW | 복잡한 점성 유체와 비뉴턴 유체 흐름 해석 압출 및 블로우 성형 공정에 적합 | 폴리머 처리, 유리 성형, 금속 단조 | |
| 열해석 (Thermal Analysis) | ANSYS Mechanical | 다양한 물리적 현상을 통합적으로 해석 가능 정적 및 동적 열응력 해석 지원 | 전자기기 설계, 기계 부품 설계, 열관리 설계 |
| Abaqus | 비선형 열해석 강점 복잡한 열전달 및 열응력 해석 가능 | 항공우주, 자동차, 에너지 산업 | |
| 전산유체역학 (CFD) | ANSYS Fluent | 일반적인 유동 해석에 강점 난류 모델링, 반응 흐름, 멀티피직스 해석 지원 | 항공, 자동차, 에너지, 화학 공정 설계 |
| STAR-CCM+ | 복잡한 물리현상 및 다상 유동 해석 지원 사용이 용이한 인터페이스 | 자동차 공기역학, 항공우주, 전자기기 냉각 | |
| OpenFOAM | 오픈소스 기반으로 커스터마이징 가능 다양한 물리적 모델과 솔버 제공 | 학술 연구, 산업 응용 전반 | |
| 열유동해석 (Thermal Fluid Analysis) | COMSOL Multiphysics | 열 및 유동 간의 연성 해석 지원 멀티피직스 시뮬레이션에 적합 | 전자기기, 반도체, MEMS, 화학 공정 설계 |
| CFX (ANSYS) | 회전 기계 유동 해석에 강점 열유동 및 유동-구조 연성 해석 지원 | 터보 기계, 펌프, 컴프레서, 발전소 설계 |
이러한 해석들은 모두 복잡한 물리적 현상을 컴퓨터를 통해 정확하게 예측하고, 설계 단계에서 미리 문제를 식별하여 효율적이고 안전한 설계를 가능하게 하는 중요한 도구입니다.
해석에 대한 적용사례
- 덕트 내 공기 유동 해석: 덕트로부터 나오는 공기의 구조물 내 영향 분석.
- 팬의 공기 유동 해석: 팬을 통해 유입되는 공기의 유동 경로 및 목적 수행 분석.
- 하수 슬러지 건조기 해석: 열해석과 유동해석을 통한 건조기 구조적 특성 분석.
- 발전소 석탄 영향 분석: 비산탄진이 주변에 미치는 영향 및 방지 설계.
- 화재 시뮬레이션: 건축물의 화재 시뮬레이션을 통한 안전성 분석.
이렇게 각 해석 방법의 적절한 활용은 제품의 성능을 최적화하고, 비용 절감 및 신뢰성 향상에 기여할 수 있습니다.
