지난 포스팅에서는 구조 해석 소프트웨어에 대해서 알려드렸는데요. 이번에는 CFD, 열 유체 해석 소프트웨어는 어떤 것들이 있는지 알아보겠습니다. 지난 포스팅과 중복되는 회사에 대한 소개는 생략하니 포스팅 말미에 위치한 함께 보면 좋을 컨텐츠를 참고해주세요 🙂
바로 시작해보죠~!
Ansys
이번 포스팅에서는 앤시스 제품군 중 범용 열 유체 해석(CFD) 전문 솔루션인 Fluent(플루언트)와 CFX, Discovery(디스커버리)에 대해 소개하겠습니다.
*아래 이미지들의 출처는 Ansys 공식 홈페이지 입니다.
1. Ansys Fluent & CFX
Ansys Fluent(앤시스 플루언트)는 하이엔드급 FVM(Finite Volume Method) 솔버를 갖춘 Ansys Fluent는 전세계적으로 가장 많이 사용하는 범용 열 유체 해석 전문 솔루션으로, 각종 Sci급 논문 연구 및 국내 대기업 및 방산, 정출연 등에서 활용하고 있습니다. 국내에서 기계공학 전공을 하신 분들이라면 재학 중 한 번쯤 사용해보셨을텐데요. 저도 대학원 시절부터 다수의 과제 또는 연구에 사용했었습니다.
Fluent는 Ansys가 인수합병한 소프트웨어로, Ansys의 통합 mesh(메쉬) 생성 기능 외에도 Fluent meshing이라는 별도의 mesh 생성 알고리즘을 제공합니다. Fluent meshing을 사용하여 Fluent에 더 적합하고 강력한 mesh를 생성할 수 있습니다. 또한 Fluent meshing은 Tetra 및 Hexa mesh 뿐만 아니라 Poly mesh 유형도 지원하여 다양한 mesh 선택이 가능합니다.
출처 : Numerical modelling of flow field within a packed bed of granular material
Ansys CFX는 터보 기계 및 가스 터빈과 같은 회전체의 열 유체 해석에 특화되어 있습니다. 그래서 블레이드 설계 및 최적화, 항공 역학 등에 특장점이 있죠.
Ansys CFD 라이선스 등급은 Pro, Premium, Enterprise로 3개로 나눠집니다. Pro는 Fluent를 기반으로 일반적인 열유동 해석 및 압축성 유동, 가스확산, 회전체 유동을 할 수 있습니다. Premium부터 이번에 소개해드린 Fluent 와 CFX 소프트웨어를 사용할 수 있으며, 대다수의 열 유동 해석은 모두 가능해집니다.
Enterprise는 별매품을 제외한 Ansys CFD 제품군을 모두 사용할 수 있는 모듈로, 고분자의 유동 해석 및 FSI(Fluid-Solid Interaction) 연성 해석 등을 할 수 있습니다.
가장 많이 사용되는 Premium 기준 1억 원 정도 가격대를 형성하고 있으며, 기본적으로 사용할 수 있는 CPU Core가 4개로, CFD 해석을 하기 위해선 다소 부족합니다. 그래서 약 5천 만원 상당의 HPC Pack을 추가하여 8개의 CPU Core를 추가해야 합니다. 그럼 영구 구매로, 총 약 1억 5천만 원 정도 비용이 발생합니다.
하지만 전세계적으로 사용자가 가장 많아 정보를 구하기 쉽고, 뛰어난 성능이 보장되어 있기 때문에 전문적인 CFD 해석을 해야 하는 분들은 필수적으로 사용해야 한다고 생각합니다.
2. Ansys Discovery CFD
Ansys Discovery(디스커버리) 제품군은 하나의 플랫폼 내에서 구조 해석과 유체 해석, 전자기 해석이 가능한 소프트웨어로, CFD의 경우엔 Fluent solver를 사용한다고 합니다. Fluent와 비교하여 기능적으로 제한 사항이 많지만, 전문 해석 엔지니어를 비롯하여 설계 엔지니어도 충분히 고려해 볼만한 소프트웨어 입니다.
Discovery 제품의 장점은 mesh를 사용자가 생성하지 않아 전처리 작업에 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있습니다. 또, 변경되는 경계 조건을 실시간으로 반영하여 빠르게 해석 결과를 확인해볼 수 있습니다. 끝으로 보여주는 결과물이 아주 예뻐서 눈이 즐겁습니다.
Siemens _ Star CCM+
Siemens(지멘스)는 Simcenter(심센터)라는 시뮬레이션 제품군을 서비스하고 있으며 구조와 열, 유체 해석 등이 가능합니다. 그 중에서도 범용 열 유체 해석 전문 솔루션인 Star CCM+(스타 씨씨엠 플러스)는 Ansys의 Fluent와 어깨를 나란히 할 정도의 하이엔드급 FVM 솔버를 갖고 있죠. 그래서 전세계적으로 Ansys의 Fluent를 이어 사용자가 많다고 할 수 있습니다.
*아래 이미지들의 출처는 Siemens Star CCM+ 공식 홈페이지 입니다.
국내에서는 CATIA가 자동차 분야에서 많이 사용되지만 세계적으로는 Siemens의 CAD/CAM/CAE 제품인 NX UG가 자동차 분야에서 많이 사용되기 때문에 같은 회사 제품인 Simcenter의 Star CCM+도 자동차 분야에서 많이 사용된다고 합니다.
Ansys와 마찬가지로 Tetra와 Hexa mesh를 비롯해 Poly mesh 유형도 제공하고 있네요.
Altair _ Acusolve (SimLab & Hyperworks)
Altair(알테어)의 Acusolve는 하이엔드급 범용 열 유체 전문 해석 솔루션으로, 글로벌 기업답게 위의 두 회사 다음으로 유명한 솔루션입니다.
*아래 이미지들의 출처는 Altair 공식 홈페이지 입니다.
Acusolve는 위에서 소개해드린 솔루션들과 다르게 FVM이 아닌 FEM을 차용하고 있습니다. 그 이유는 FSI 연성 해석에 특장점을 가지고 가기 위함인데요. 구조 해석에서 활용되는 FEM과 일반적인 유체 해석에서 활용되는 FVM은 계산되는 위치(질점, node)가 서로 다릅니다. 그래서 FSI 연성 해석을 진행할 경우, 보간과 mapping(매핑) 과정을 거치며 에러가 발생하는데 구조와 열 유체 해석 솔루션의 계산 방식이 FEM으로 동일하다면 이 과정이 생략되어 정확도를 더 높일 수 있다는 장점이 있습니다.
Acusolve는 Altair에서 제공하는 두 CAE 해석 플랫폼인 Hypwerworks(하이퍼웍스)와 SimLab(심랩)에서 사용할 수 있습니다. Altair의 경우 패키지와 유닛으로 구성되어 있기 때문에 구매 시 구조 및 열유체를 비롯한 기타 다양한 해석을 모두 할 수 있는 조건입니다. 연간 2천만 원 후반에서 5천만 원 정도의 비용이 발생합니다. 영구로 구매하는 방법도 있으며 연간 구매 비용의 약 3배 정도 됩니다.
Dassualt System _ XFlow
원래 Dassualt System(다쏘시스템)에는 Abaqus(아바쿠스) CFD가 있었지만 2016년 부터는 단종되었다고 하던군요. 그래서 그 대안으로 XFlow 라는 솔루션을 제공하고 있습니다.
*아래 이미지들의 출처는 Dassualt systmes 홈페이지 입니다.
XFlow는 일반적인 CFD와는 다르게 입자 기반의 Lattic-Boltzmnn 기법을 사용하여 mesh를 생성하지 않는 meshless CFD라고 합니다. 위에서 안내드렸던 Ansys의 Discovery은 사용자가 mesh를 생성하진 않지만 mesh를 백그라운드에서 생성합니다. 이 XFlow는 입자 기반이기 때문에 mesh를 생성하지 않아도 되죠.
물론 타 솔루션들도 입자 기반의 해석을 할 때는 Lagrangian 기법을 활용하여 mesh를 생성하지 않고 구조 또는 유체 해석을 진행합니다. 부르는 사람 또는 솔루션에 따라 약간씩 다르지만 일반적으로 입자(Particle) 해석 또는 이산요소법(DEM : Discrete Element Method), SPH(Smooth Particle Hydrodanamics) 해석이라고 불립니다.
타 Meshless CFD인 Ansys의 Discovery는 높은 레벨의 유체 해석은 제한되었으나 XFlow는 다상(Multi-phase) 해석, 복사(Radiation), 비뉴턴유체(Non-Newtonian flows), 무빙 파트(Moving parts) 생성이 가능하다고 합니다.
마이다스아이티 _ midas NFX CFD
마이다스아이티(MIDAS Information Technology)는 국내 유일 CAE 솔루션 개발 및 서비스 회사답게 midas NFX CFD도 전부 한글화가 되어 있어 초보자가 접근하기에 유리하다고 생각합니다.
*아래 이미지들의 출처는 마이다스아이티 공식 홈페이지에서 제공하는 midas NFX CFD 브로셔 입니다.
midas NFX CFD는 midas NFX 플랫폼에서 구동되며, 일반적인 열 유체 해석 뿐만 아니라 midas NFX의 구조 해석과 FSI 연성 해석도 가능하며 입자 기반의 유체 해석, 다상(Multiphase) 해석 등 다양한 기법을 적용할 수도 있습니다.
마치며…
이번 포스팅을 통해 열 유체 해석 전문 소프트웨어에 대해 소개드렸습니다. 다음에는 All-in-One 소프트웨어의 열 유체 소프트웨어에 대해서 알아보겠습니다.
추가적으로 궁금한 사항이 있으시다면, 상담은 무료이니 부담 없이 댓글 또는 1:1 문의를 통해 질문해 주시면 감사하겠습니다.
포스팅의 정보가 도움 되셨길 바랍니다.
화이팅입니다~!
