CFD(전산유체역학)

CFD의 정의

CFD는 전산유체역학이다. 유체의 흐름과 열, 물질 전달을 컴퓨터로 예측한다.

설계 단계에서 실험 없이 공기 흐름과 온도 분포를 미리 확인할 수 있다.

이 장에서는 CFD가 무엇이고 어떻게 푸는지 정리한다.

지배방정식과 이산화

유체는 연속체로 보고, 질량과 운동량, 에너지 보존식을 세운다.

비압축성 유동에서는 연속방정식과 운동량 방정식이 대표 식이다.

이 방정식은 비선형이라 해석해를 얻기 어려워 공간을 격자로 나눈다.

각 격자점에서 보존법칙을 대수식으로 만들고 반복 계산으로 푼다.

격자가 촘촘하고 모델이 실제에 가까울수록 해는 정확해지지만 계산 시간이 늘어난다.

구성요소

CFD 해석은 지배방정식, 이산화, 수치 알고리즘의 세 부분으로 구성된다.

지배방정식은 보존 관계를 표현하고, 이산화는 이를 계산 가능한 식으로 바꾼다.

수치 알고리즘은 압력과 속도를 연계해 반복 계산으로 해를 수렴시킨다.

경계조건은 입구, 출구, 벽면에서 주는 물리 조건으로 결과를 좌우한다.

해석 절차

해석은 여섯 단계로 진행한다. 문제 정의에서 시작해 후처리와 검증으로 끝난다.

격자 생성 단계에서는 벽 근처와 취출구 주변을 조밀하게 둔다.

잔차가 기준 이하로 떨어지면 수렴으로 보고, 아니면 조건 설정으로 돌아간다.

마지막으로 결과를 실측과 비교하고, 격자를 바꿔도 결과가 변하지 않는지 확인한다.

장점과 한계

CFD의 장점은 모든 격자점의 정보를 얻고 설계 단계에서 성능을 예측하는 것이다.

한계는 해석해를 얻기 어려워 대부분 근사해라는 점이다.

결과는 격자 품질, 난류 모델, 경계조건 설정에 좌우된다.

그래서 격자 독립성 검토와 실측 데이터 비교로 검증해야 설계 근거가 된다.

정리

정리하자. CFD는 유체 지배방정식을 이산화해 수치해를 구하는 기법이다.

건축설비에서는 실내 기류, 온열환경, 연기 확산 등에 쓰인다.

시험 답안에는 격자 독립성, 실험 검증, 근사해라는 한계를 함께 적는다.