전산유체역학(CFD)의 개념과 활용 분야, 상세 원리 및 적용 사례 총정리

전산유체역학의 기본개념 및 정의, 특징, 과정, 산업적 활용 예와 상용 소프트웨어를 소개하겠습니다.

 

1. 전산유체역학의 기본 개념과 정의

전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)는 유체의 흐름 및 열전달 현상을 수학적 모델링을 통해 수치적으로 해석하는 학문 및 기술입니다.

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 유체의 물리적 운동과 변화를 예측하고 분석하여 실제 실험을 대체하거나 보완하는 역할을 수행합니다.

쉽게 말해, 공기나 물과 같은 유체가 어떻게 움직이는지 컴퓨터로 계산해서 알아내는 방법입니다.

1.1. CFD의 핵심 원리

전산유체역학은 연속방정식, 나비에-스토크스(Navier-Stokes)와 같은 유체역학 방정식, 열전달 같은 방정식을 수치적으로 풀어서 유체 흐름을 분석합니다.

이를 통해 유체 내의 압력, 속도, 온도, 밀도 등 다양한 물리적 특성을 파악합니다.

1.2. CFD의 중요성 및 필요성

• 실제 실험이 어렵거나 비용이 높은 환경에서의 시뮬레이션

• 실험적 한계를 넘어선 세부적이고 정확한 분석 가능

• 설계 최적화 및 안전성 평가를 위한 중요한 도구

2. 전산유체역학의 기술적 특성과 주요 구성 요소

전산유체는 크게 문제정의, 전처리, 수치해석, 후처리 과정으로 나누어지며, 각 단계는 독립적으로 중요한 의미를 가집니다.

2.0. 문제 정의 및 고려사항

해석하고자 하는 유체 흐름 문제의 물리적 현상과 경계 조건을 명확하게 정의합니다.

다음과 같은 여건을 고려하여 모델링을 진행해야 합니다.

(1) 물리적 특성에 대한 고려 사항

유체의 물리적 특성은 전산유체해석 결과의 신뢰성과 정확성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 다음 사항들을 명확하게 정의하고 적용해야 합니다.

• 밀도(Density)
• 유체의 밀도는 온도 및 압력에 따라 크게 변할 수 있으며, 압축성 여부를 구분할 때 주요한 기준이 됩니다.
• 공기와 같은 기체는 일반적으로 압축성 유체로 간주되어 온도와 압력의 변화에 따라 밀도가 크게 달라질 수 있으므로, 압축성 효과를 반드시 고려해야 합니다.
• 물이나 기름과 같은 액체 유체의 경우는 압축성이 낮아 일정 밀도를 적용할 수 있지만, 온도변화로 인한 밀도 변화를 고려해야 할 경우도 존재합니다.

• 점성(Viscosity)
• 유체가 갖는 점성은 유체 내 마찰저항을 결정하며, 층류(laminar flow) 또는 난류(turbulent flow) 여부에 결정적 영향을 줍니다.
• 점성 값이 정확하지 않으면 유동 패턴 및 압력 강하, 난류 생성 정도가 정확히 예측되지 않습니다.
• 특히 난류 모형을 선택할 때 점성의 역할이 더욱 중요해지므로 실험적으로 정확한 점성 데이터를 확보하는 것이 필수적입니다.

• 열전도도(Thermal Conductivity)
• 유체가 열을 얼마나 잘 전도하는지 나타내는 열전도도는 열 전달과정을 해석할 때 핵심적 요소로 작용합니다.
• 정확한 열전도도 값 없이는 열적 성능, 열교환기 효율, 유체의 열적 응답 특성을 제대로 예측할 수 없습니다.

• 비열(Specific Heat Capacity)
• 유체가 열을 저장하거나 방출하는 능력을 나타내는 비열은 시간에 따른 온도 변화를 정확히 예측하는 데 필수적입니다.
• 유체가 열저장 장치로 사용되거나 냉각, 가열 공정과 연계될 때 특히 중요합니다.

• 상변화(Phase Change, 예: 증발)

• 혼합(Mixing) 

(2) 수치적 특성에 대한 고려 사항

전산유체역학해석을 수행할 때 유체의 수치적 안정성을 확보하기 위해 다음과 같은 사항들을 신중히 고려해야 합니다.

• 유동의 속도 범위와 수치 안정성
• 유체가 초고속으로 흐르거나 압축성 유동인 경우, 마하(Mach) 수 및 CFL 조건(Courant?Friedrichs?Lewy condition)과 같은 수치 안정성 기준을 준수하여 계산 시간 단계(time-step) 설정을 조정해야 합니다.
• 속도가 너무 빠르거나 느릴 때 수치적 오차가 증가하여 해석 결과가 불안정해질 수 있으므로 유체의 속도 특성을 명확히 설정하고 시간적, 공간적 해상도를 적절히 조정하는 것이 필요합니다.

• 난류 모델링과 유동 특성

• 층류 vs 난류 : 유체 흐름이 층류인지 난류인지 판단하려면 레이놀즈 수(Reynolds Number)를 계산해야 합니다. 레이놀즈 수가 낮으면 층류, 높으면 난류로 간주되며, 난류 모델(Turbulence Model)을 적용할지 결정해야 합니다.

  • 층류 : 속도가 느리고 흐름이 규칙적일 때.

  • 난류 : 속도가 빠르고 와류가 발생할 때. 

• 대부분의 실제 공학적 문제에서 유체 유동은 난류로 진행됩니다.
• 난류 모델링(RANS, LES, DNS 등) 선택은 유체의 난류 특성과 정확히 일치해야 합니다.
• 특히 난류의 강도, 유동 스케일, 벽면 유동 특성을 명확히 정의하여 난류 모델 파라미터를 최적화하는 것이 중요합니다.

• 경계층(Boundary Layer)
• 유체가 고체 표면(예: 날개, 파이프 벽)과 접촉할 때 경계층의 형성과 전이를 고려해야 합니다.
• 이는 마찰 저항과 분리(Separation) 현상에 영향을 줍니다.

• 비뉴턴 유체 : 점성이 일정하지 않은 유체로, 특수한 모델링이 필요합니다.

• 자유 표면 유동 : 액체와 기체 사이의 자유 표면을 고려해야 합니다.

• 다공성 매질 유동 : 다공성 물질 내부의 유체 흐름을 고려해야 합니다. 

(4) 화학적 특성에 대한 고려 사항

    유체의 화학적 특성 또한 CFD에서 매우 중요한 요소입니다.

• 유체의 부식성 및 화학 반응성
• 유체가 부식성이 있거나 화학반응을 일으킬 가능성이 있는 경우, 재료와의 반응, 반응에 따른 유체 속성 변화 등을 반드시 포함하여 모델링해야 합니다.
• 예를 들어 부식성 유체가 파이프라인에 흐를 때 재료 부식률, 부식 생성물 형성 여부 등을 추가적으로 분석해야 합니다.

• 혼합 및 반응성 유체 특성
• 혼합 유동이나 화학 반응을 포함한 유체의 경우 유체 간의 혼합 효율, 농도 분포, 반응 속도 및 발열 반응 등을 함께 고려하여 종(species) 수송 및 반응 모델링을 적용하는 것이 필수적입니다.
• 특히 연소, 촉매 반응, 화학적 공정과 같은 분야에서는 이 특성을 정확히 반영해야 합니다.

• 유체의  연소(Combustion),
• 엔진 내 연료 분사는 연소 반응을 포함합니다.

(5) 해석적 특성에 대한 고려 사항

마지막으로, 해석의 목적과 범위에 따라 유체의 여러 특성을 효율적으로 선정하는 것이 필요합니다.

• 해석 목적에 따른 유체 모델 선정
• 유동해석의 목적이 단순히 압력 손실 확인인지, 열전달 효율 확인인지, 유체 내부 화학 반응 분석인지 명확히 정의한 후, 목적에 맞는 특성을 반영하여 모델링 방법을 결정해야 합니다.
• 목적에 따라 과도 상태(transient) 또는 정상 상태(steady-state)를 선택하고, 1상 또는 다상 유체 모델링을 결정합니다.

• 실험적 데이터의 확보 및 유효성 검증
  • 전산유체해석의 신뢰성을 높이기 위해 실제 실험 데이터를 이용한 유체 특성의 유효성 검증(validation)을 반드시 실시해야 합니다.
  • 이를 통해 유체의 특성이 실제 현상과 얼마나 잘 일치하는지를 평가하고 모델 신뢰성을 확보할 수 있습니다.  

2.1. 전처리(Pre-processing)

분석하고 싶은 유체의 영역(예 : 파이프 안의 물 흐름)을 3차원 모델을 만들고, 그 공간을 작은 격자(mesh)로 나눕니다. 이 격자가 촘촘할수록 결과가 정확해지지만 계산시간이 늘어나고 컴퓨터의 사양이 올라갑니다.

• 계산영역 설정 및 격자(mesh) 생성
• 물리적 경계조건 (Boundary Condition) 설정 및 초기조건(Initial Condition) 정의
  • 입구 조건(Inlet) : 유체가 들어오는 속도, 압력, 온도 등을 명확히 정의해야 합니다.
  • 출구 조건(Outlet): 유체가 나가는 조건(예: 대기압)을 설정합니다.
  • 벽면 조건(Wall): 유체가 벽에 닿을 때 미끄러짐(Slip) 여부나 고정(No-Slip) 여부를 지정합니다.
  • 자동차 주위 공기 흐름을 분석할 때, 입구 속도는 차량 속도, 출구는 대기압으로 설정할 수 있습니다. 

• 난류 (Turbulent Flow) 모델링, 열전달 모델링 등 물리적 모델 선택

2.2. 수치해석(Numerical solving)    

유체 흐름을 지배하는 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equations)과 같은 편미분 방정식을 수치적으로 푸는 것 입니다.

이 방정식들은 유체의 운동량, 질량, 에너지 보존 법칙을 나타내며, 복잡한 형상과 경계 조건에서 해석적으로 풀기 어렵기 때문에 컴퓨터를 사용하여 근사적인 해를 구합니다.

• 지배방정식의 수치적 해석

• 유한체적법(Finite Volume Method), 유한요소법(Finite Element Method), 유한차분법(Finite Difference Method) 등 수치해석 기법 적용

• 난류, 다상 유동, 압축성 유동 등 복잡한 흐름 해석을 위한 모델링 수행

2.3. 후처리(Post-processing)

• 결과 시각화 및 분석 (압력 분포, 속도 벡터, 유동선(streamline) 표현 등)

• 데이터 처리 및 해석 결과의 유효성 검증(Validation & Verification)

• 설계 개선 및 피드백을 위한 정량적 분석 제공

3. 전산유체의 적용 분야 및 산업적 활용 사례

전산유체는 다양한 산업 분야에서 광범위하게 활용되며, 특히 복잡한 유동 특성으로 인해 실험이 제한적일 때 큰 가치를 발휘합니다.

1) 항공우주 및 자동차 산업

• 항공기 및 자동차 외부 공력 성능 분석(항력 및 양력 평가)

• 엔진 내부 유동 및 냉각 시스템 효율 최적화

• 연소 안정성 및 배기가스 저감 설계 평가

2) 조선 및 해양 산업

• 선박 설계에서의 저항 성능 평가

• 선체 주변 유동 특성 및 소음 분석

• 해양 구조물 주위의 파동 및 해류 흐름 시뮬레이션

3) 건축 및 환경공학

• 실내 환기 및 공조 시스템 설계 최적화

• 고층건물 및 교량 주변 풍력 하중 분석

• 도시 열섬 현상 및 미세먼지 확산 경로 분석

4) 에너지 및 발전 산업

• 풍력 발전기 블레이드 효율성 및 안전성 평가

• 원자력 및 화력 발전소 냉각 시스템 설계 및 사고 대응 모의

• 태양광 발전 설비 열 관리 및 최적화 분석

5) 의료 및 생명공학 분야

• 혈관 내 혈류 특성 분석을 통한 의료기기 설계

• 인공장기 및 임플란트 주변 유체역학적 상호작용 평가

• 생체 내 약물 전달 효율 평가 및 최적화

6) 자동차설계

• 차량의 공기저항을 줄여 속도와 연비를 개선

4. 전산유체 해석을 위한 주요 수치기법과 소프트웨어

전산유체 해석에서는 대표적으로 다음과 같은 수치기법 및 소프트웨어가 널리 사용됩니다.

4.1. 수치해석 기법의 특징

• 유한체적법(FVM) : 보존 법칙을 기반으로 정확도가 높고, 산업적 응용에 널리 사용

• 유한요소법(FEM) : 복잡한 형상 처리에 강점, 구조-유체 상호작용(FSI)에 유용

• 유한차분법(FDM) : 단순 구조 유체역학 문제에 효율적이며 빠른 계산 속도 장점

4.2. 대표적 CFD 소프트웨어

• 상용 프로그램 : ANSYS Fluent, STAR-CCM+, COMSOL Multiphysics, Flow-3D

• 오픈소스 소프트웨어 : OpenFOAM, SU2, Code_Saturne 등

4.3. 소프트웨어 관련 기업

1) ANSYS Fluent

• 개발사 : ANSYS, Inc.

• 상장 여부 : 상장기업

• 상세 설명 : ANSYS, Inc.는 미국 펜실베이니아주에 본사를 둔 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어 개발사로, 나스닥(NASDAQ) 시장에 'ANSS'라는 티커(symbol)로 상장되어 있습니다. ANSYS Fluent는 ANSYS 제품군 중 유체역학 해석을 담당하는 주요 소프트웨어로, 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.

2) STAR-CCM+

• 개발사 : Siemens Digital Industries Software

• 상장 여부 : 상장기업

• 상세 설명 : STAR-CCM+는 원래 CD-adapco에서 개발한 소프트웨어로, 2016년 지멘스(Siemens)에 인수되었습니다. 지멘스는 독일에 본사를 둔 글로벌 전기전자 기업으로, 프랑크푸르트 증권거래소와 뉴욕증권거래소(NYSE)에 상장되어 있습니다. STAR-CCM+는 지멘스의 디지털 인더스트리 소프트웨어 부문에서 제공하는 CFD 소프트웨어입니다.

3) COMSOL Multiphysics

• 개발사 : COMSOL AB

• 상장 여부 : 비상장기업(2025년 3월 24일 현재)

• 상세 설명 : COMSOL AB는 스웨덴에 본사를 둔 멀티피직스 시뮬레이션 소프트웨어 개발사로, COMSOL Multiphysics는 다양한 물리 현상을 통합적으로 해석할 수 있는 소프트웨어입니다. 현재 COMSOL AB는 비상장기업으로 운영되고 있습니다.

4) Flow-3D

• 개발사 : Flow Science, Inc.

• 상장 여부 : 비상장기업 (2025년 3월 24일 현재)

• 상세 설명 : Flow Science, Inc.는 미국 뉴멕시코주에 위치한 CFD 소프트웨어 개발사로, Flow-3D는 자유 표면 흐름 해석에 특화된 소프트웨어입니다. Flow Science, Inc.는 비상장기업으로 운영되고 있습니다.

 

5. 전산유체(CFD)의 장·단점 및 한계점과 개선 방향

전산유체는 높은 가치를 지닌 반면 몇 가지 한계점과 도전과제가 존재합니다.

1) 장점

• 수치적 오차 및 격자 민감도 문제로 인한 신뢰성 저하  → 경향 파악

• 고도의 난류 및 다상유동 문제에 대한 해석의 복잡성 및 불확실성

• 계산 자원의 제한으로 인한 고비용 및 장시간 계산 시간 문제

2) 개선 방향

• 고성능 병렬 계산 및 GPU 활용 등 하드웨어적 개선

• 정확도를 높인 난류 모델 개발 및 머신러닝을 활용한 불확실성 저감

• 격자 생성 자동화 및 적응형 메쉬(Adaptive Mesh) 기술 발전

6. 전산유체 분석의 가치와 미래 전망

전산유체 해석은 다양한 산업과 학술 연구에 필수적인 기술로 자리매김하였습니다.

특히 최근 머신러닝, AI와의 융합을 통해 정확도와 효율성을 높이는 추세이며, 산업의 디지털 트윈(Digital Twin)과 스마트팩토리 시대의 핵심 기반기술로서 역할이 확대되고 있습니다.

향후 전산유체는 더욱 정밀화되고 자동화된 프로세스로 진화할 것이며, 산업의 경쟁력 강화와 신기술 개발에 필수적인 도구로 지속적인 성장을 이룰 것으로 기대됩니다.