컨설팅 포트폴리오

CFD를 이용한 폭발 시뮬레이션은 계산 영역과 반응 영역의 극단적 스케일 차이, 충격파, 폭굉파 전후의 급격한 물리량 변화, 복잡한 화학반응, 고해상도 격자와 작은 시간 간격에 따른 대규모 계산 용량의 필요 등의 문제로 매우 난해한 문제입니다.

넥스트폼은 이런 문제를 해결한 폭발 해석을 위한 효율적인 CFD 코드를 개발하였습니다. 3차 이상의 ENO 공간 이산화 기법, Level set, Ghost Fluid, Chemical Reaction이 포함된 옥트리 기반의 비정렬격자 압축성 솔버를 사용합니다. 반응 영역과 계산 영역의 극단적 스케일 차이를 극복하기 위해 이방성 적응 격자(Anisotropic AMR) 기법을 적용하여 격자수를 효율적으로 관리할 수 있게 하였으며, 계산 효율성 향상을 위해 Dynamic load balancing 기능을 개발하여 병렬연산 성능을 향상시켰습니다.

2D Riemann problem, Confined Rate Stick, 개활지 폭발 해석을 통해 코드를 검증하였습니다.

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대기 오염 확산은, 공기 질 개선, 공중 보건, 공공 정책, 도시계획 등 많은 분야에서 필수적인 역할을 합니다. CFD 분석 환경을 한국국토정보공사의 디지털 트윈 플랫폼 상에 SaaS 서비스로 구현함으로써 활용성과 접근성을 극대화 하였으며, 센서 계측 데이터와 시뮬레이션 데이터를 융합하였습니다.

개발 범위는 다음과 같습니다.

• 대상지의 지형, 건축물, 지표면 인근 구조물의 CAD 데이터 자동 생성
• 기상 정보 연계를 통해 실제 기상 정보를 시뮬레이션에 반영하여 결과의 정확성과 신뢰도 향상
• 자동 격자 생성 및 시뮬레이션 수행으로 전문적 지식이 없이도 시뮬레이션이 가능한 SaaS 구축
• 3차원 시뮬레이션 결과의 가시화 렌더링 엔진 구동을 위한 클라우드 인프라 설계 개발

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차세대 고속열차의 공력성능 최적화를 위한 전두부 형상최적설계 연구입니다.

베지에 (Bezier) 곡선 및 곡면을 활용하여 일반적인 고속열차 전두부를 모사할 수 있는 형상 모델 및 27개의 형상매개변수를 도출하였습니다.

500개의 sample case를 buoyantSimpleNFoam으로 해석하여 Surrogate model을 생성하였으며, NSGA-II 기법으로 항력/미기압파/전도모멘트 등 여러 목적함수에 대해 단일 목적 최적화 / 다목적 최적화를 수행하였습니다.

모든 목적함수에서 5~20%의 전반적 성능 개선이 가능함을 확인하였으며, 사용자가 목적함수 가중치를 조작하면 그에 맞는 최적 형상을 도출하는 프레임워크를 구현하였습니다.

비행체 개발의 핵심인 공력해석 전 과정을 자동화하는 기술을 개발하고, 이를 설계 프레임워크와 연동시켜 통합 인터페이스를 개발하였습니다.

해석 프로세스 자동화를 위해 매개변수를 이용한 비행체 형상 자동생성, 표면 및 공간격자 자동생성, 계산을 위한 솔버 설정과 후처리 자동화 모듈을 개발하였습니다.

형상 매개변수는 Missile DATCOM을 사용하였으며 형상 생성은 OpenCASCADE를, 격자 생성은 Salome를 사용하였으며 솔버는 공개소스 코드인 OpenFOAM, 무격자 코드인 FAMUS, In-house 코드, 상용코드를 선택적으로 사용할 수 있습니다. 후처리를 위한 유동장 분포와 표면 이미지 생성은 ParaView 매크로를 이용하여 자동 생성 되고, 공력 DB는 설계 프레임워크와 연동을 위해 SQL, csv 파일 형식으로 생성됩니다. 

통합 GUI에서 파라미터 입력, job monitoring, 3D/2D image viewer 등의 기능이 제공되고, 통합 CLI를 통해 각 모듈을 파이썬에서 실행할 수 있습니다. 

어떤 제품이나 시스템의 CFD 해석을 할 때 형상을 어느 정도로 단순화 할 것인지, 격자 구성은 어떻게 할 것인지, 물리 모델과 수치해석 기법은 어떤 것을 사용할 것인지, 어떤 항목들을 후처리를 할 것인지가 결정되어야 합니다. 자신의 경험, 선행 연구들의 검토, 다양한 테스트 등을 거쳐 이런 해석 방법을 정립하게 됩니다.

일단 해석 방법이 정립되었다면, 그 다음은 전체 workflow를 효율적으로 구축하는 것이 중요한 단계가 됩니다. 특히 해당 업무를 다른 이에게 이관하는 경우, 형상 최적화나 데이터베이스 구축을 위한 다량의 계산이 필요한 경우, 지속적으로 유사한 문제를 계속 해석해야 하는 경우에 작업의 효율성 뿐 아니라 결과의 일관성 측면에서도 workflow 구축은 매우 중요한 문제가 됩니다. 상세 내용 보기

비행체 설계에서 6분력 공력계수 등 공기역학적 특성의 정확한 에측은 필수적입니다. 풍동시험을 통한 데이터 획득은 매우 제한적이고, CFD 역시 방대한 계산량 때문에 활용에 어려움이 있습니다. 본 연구에서는 CFD 기반의 공력 DB 구축을 위해 대체모델 기반의 공력 DB 구축 자동화 프레임워크와 GUI 환경의 프로그램을 개발하였습니다. 대체모델 기법은 상대적으로 적은 비용으로 실제 모델의 반응을 모델링함으로써, DB 구축에 필요한 비용/기간을 크게 줄일 수 있고 실험점 외의 연속적인 모든 조합의 조건에 대해 공력 특성을 도출할 수 있습니다.

대체모델 구축은 DOE 기반 해석점 선정, 유동해석, 대체모델 생성 및 검증 등 여러 층위의 작업이 필요한데, 상호 이질적인 작업들을 하나의 프레임워크로 통합하여 작업 효율성과 확장성을 얻을 수 있습니다.

CFD 해석은 무격자 해석 프로그램인 FAMUS를 사용하였습니다. 무격자 기법은 파라미터 기반의 작동 방식으로 전처리 작업 자동화가 용이하여 작업시간을 단축할 수 있으며, 날개나 핀의 deflection 상황에서도 강건하고 유연하게 대응이 가능합니다.

비행체의 마하수, AOA, Bank angle, 2개 Fin의 deflection angle 등 5개의 변수에 대해 적절한 해석점을 도출하고 크리킹 모델 생성을 통해 공력 DB를 구축하고 검증하였습니다. 상세 내용 보기

재사용 발사체 등에 사용되는 그리드 핀의 공력DB 구축을 위해 자동으로 형상과 질점을 생성하는 프로그램을 개발하고 CFD 해석 과정을 자동화하였습니다. DOE 기반 해석점 선정, 유동해석, 대리모델 생성 및 검증 과정을 통해 공력 DB를 구축하였습니다. 유동해석은 FAMUS를 사용하였고 전체 과정을 하나의 프레임워크로 구축하였습니다.

전산유체역학(CFD)를 이용한 오염물질 확산 해석을 위해, 수치지형도를 이용해 형상과 격자를 생성하는 전처리(pre-processing) 과정을 자동화하였으며, OpenFOAM 솔버를 이용해 암모니아 확산 시뮬레이션을 수행하였습니다.

국토지리원에서 제공하는 GIS 데이터를 이용해 지형과 건물의 3차원 형상을 제작하는 프로그램을 개발하였으며, snappyHexMesh를 이용해 격자를 생성합니다. 대기안정도를 고려한 대기경계층 유동이 가능한 openfoam 라이브러리를 개발하였고 넥스트폼이 개발한 buoyantPimpleNFoam 솔버를 이용하여 기체와 액체가 누출되는 다양한 시나리오에 대한 확산해석을 수행했습니다. 상세 내용 보기

투하하고자 하는 물체 표면에 마커를 부착한 뒤 마커를 이용해 투하 물체를 추적하는 기술입니다. 목표물 표면에 부착한 마커를 탐지하고 각 마커의 ID를 정합(matching)하고, 필요에 따라 수동의 마커 위치를 지정 혹은 제거할 수 있습니다. 영상 내 마커 추출 결과와 3차원 마커 모델을 정합하여 투하하는 물체의 위치 및 자세를 측정할 수 있으며, 특정 좌표계 (ex. 동체)에 대한 상대 운동으로 거동 측정 결과를 변환할 수 있습니다.

본 기술을 응용하여 가상의 형상을 증강(augmentation)하는 것이 가능하며, 다음 그림과 같이 실내 계측 결과를 비롯해 드론을 이용해 촬영한 특정 공간에 가상의 구조물을 증강하는 것이 가능합니다.

 고속으로 회전하는 회전체의 거동을 측정하는 방법은 기존의 접촉식 계측 센서로는 어려운 일이었으나, 최근 카메라 하드웨어와 영상처리 기술의 발전을 통해 비접촉식 영상 계측이 가능해졌습니다. 계측 시스템은 카메라와 동조식 스트로브 조명으로 구성하였으며, 좌표 측정 정확도 향상을 위해 스테레오 카메라로 시스템을 구성한 뒤 다음 사례에서는 회전하고 있는 로터 블레이드의 변의를 분석하였습니다.

좌우 영상에 포함된 마커의 중심점을 빠르게 계산한 뒤 1:1 마커 정합을 통해 차원 좌표를 복원합니다. 초당 500장 촬영한 영상으로부터 복원된 마커의 좌표와 미리 정의한 블레이드 표면의 마커 모델을 이용해 상대 변위를 계산하였으며 로터 블레이드의 회전각도 및 섹션 별 피치 각도를 계산할 수 있습니다.

연돌 현상이란 건물 내/외부의 온도차에 의해 건물 내부의 공기가 상승하는 현상으로 ‘굴뚝효과’라고도 부릅니다. 이러한 연돌 현상은 엘리베이터 도어 작동 불량, 도어 주변의 소음발생, 건물 저층 실내 온도 저하, 건물 냉난방 불균형 등의 원인이 됩니다.

연돌 현상 분석을 위해서는 건축물 내부 압력차를 계산해야 됩니다. 본 컨설팅에서는 CFD 시뮬레이션을 통해 건축물의 풍압을 예측하고, CFD 시뮬레이션 결과와 건물 내/외부 온도차 정보를 이용하여 연돌 현상을 분석하였습니다.

건축물 풍압 계산은 OpenFOAM 기반으로 넥스트폼이 개발한 WindTunnelFoam을 이용해 CFD 해석을 수행하여 풍압계수를 도출하였으며, 이 때 해석 조건은 기상분석 자료를 사용하였습니다.

연돌 효과 계산은 NIST에서 개발한 네트워크 기법의 CONTAM 코드를 사용하였습니다. 기상 조건에 따른 연돌 효과를 분석하여 문제 발생이 예상되는 지점을 예측하고, 저감방안을 제시하였다.

차세대 교통 시스템으로 각광 받는 하이퍼루프 시스템은 매우 긴 튜브 내부에서 캡슐이 고속으로 이동합니다. 캡슐 전방과 후방의 장거리 튜브 구간에서는 유동이 거의 1차원적인 성질을 보이는 반면, 캡슐 주변에서는 3차원적인 복잡한 압축성 난류 유동이 발생합니다.

이러한 물리적 특성에 따라 해석의 정확성과 효율성을 동시에 확보하기 위해 1차원과 3차원 도메인을 함께 사용하는 하이브리드 도메인 해석 기술을 개발하였습니다. 1D와 3D 도메인 경계에서 물리량의 평균 혹은 분포(profile)를 기준으로 데이터를 전달하게 됩니다.

이 방법은 계산 영역을 매우 넓게 확장할 수 있으면서도, 복잡한 해석이 필요한 영역에서만 3차원 정밀 해석을 수행함으로써 계산 자원을 절약하고 해석 시간을 크게 단축시킬 수 있습니다. 개발된 하이브리드 도메인 해석 기법은 유사한 시스템 해석에도 활용될 수 있을 것입니다.

넥스트폼은 그동안 G7, KTX, KTX 산천, HEMU, EMU, 하이퍼튜브 등 국내의 모든 고속열차에 대해 CFD를 이용한 공력 분석을 수행하였습니다. 고속열차의 공기역학적 특성은 저항 감소를 통한 에너지 효율 향상 뿐 아니라 안정성과 승차감에 큰 영향을 주기 때문에, 이를 정확히 해석하고 분석하는 것이 매우 중요합니다.

고속열차 공력해석은 매우 긴 차량의 길이, 복잡한 차량 형상, 압축성 유동 특성,동적 격자를 이용한 비정상 계산 등의 문제 때문에 아주 까다롭습니다. 많은 계산 자원과 시간이 소요되기 때문에, 정확도를 해치지 않는 범위에서 형상 및 모델의 단순화 수준을 결정하는 것이 중요합니다.

주요 수행 프로젝트는 개활지와 터널에서의 주행 저항, 측풍 안정성, 열차풍의 영향, 터널내 압력파, 교행에 의한 측력, 터널 내부 1D/3D 하이브리드 해석, 전두부 형상 최적화, 실내 공조 시스템 분석 등이 있습니다.

CFD은 전처리, 계산, 후처리 과정으로 구성됩니다. 이 중 가장 번거롭고 사람의 시간이 소요되는 것은 형상 제작, 격자 생성, 계산 조건 설정으로 구성되는 전처리 과정입니다. 특히 해석 전문가가 아닌 경우 CFD 해석의 가장 어려운 부분이 바로 전처리 과정, 특히 형상 제작 부분입니다. CFD를 위해 별도의 3차원 CAD를 배우는 것은 힘든일입니다. 이 경우 형상 제작을 파라메터를 이용해 자동화하는 것이 가장 좋은 방법이지만, 가능하지 않은 경우가 많습니다.

이런 분들을 위해서는 특정 적용 분야에 특화된 간단한 CAD 프로그램을 내재한 전처리 프로그램을 개발하는 것이 가장 좋은 방법입니다. 에어컨 실외기 주위 형상 모델링을 위해 필요한 CAD 기능을 탑재하고 snappyHexMesh를 이용한 자동 격자 생성이 가능한 특화 전처리 프로그램을 개발하였습니다.

특정 문제에 특화된 전처리 프로그램은 CFD 비전문가들이 설계 혹은 AS 등의 단계에서 시뮬레이션을 직접 활용할 수 있는 좋은 방법입니다.

온수롤은 필름, 인쇄 산업 및 다양한 가공 공정에서 사용되는 장비로, 유체를 통한 열전달을 이용해 제품이나 재료를 가열하거나 온도를 유지하는데 사용됩니다. 온수롤의 Outer Shell과 Baffle 사이의 작은 틈(gap)이 열전달 성능에 미치는 영향을 3차원 CFD 해석을 통해 분석하였습니다.

온수롤의 회전이 온수 유로의 유동 및 열전달에 미치는 영향, Outer Shell과 Baffle 사이에 틈이 있는 경우 온수의 입구와 출구의 방향이 열전달에 미치는 영향, baffle pitch의 회전수의 영향 등을 확인하였습니다. 고체의 전도를 고려하기 위해 CHT(conjugated heat transfer) 해석을 수행하였으며, 롤의 회전은 MRF 방법을 사용하였습니다.

캐비테이션(Cavitation) 현상은 유체의 속도 변화에 의한 압력의 변화로 인해 유체 내부에서 상변화가 발생하는 현상입니다. 비압축성 유동에서 액체의 속도가 높아지면 압력이 낮아지는데 이 때 압력이 포화증기압 이하가 되면 액체 내에 증기 기포가 발생압니다. 캐비테이션 현상은 관내 유동에서 노즐이나 밸브 등과 같이 유속이 크게 변하는 영역이나, 펌프, 프로펠러 등과 같이 운동하는 물체 주위에서 많이 나타납니다. 발생된 기포가 소멸할 때 소음이나 진동이 발생하고 벽에 부딪히면 침식의 원인이 되기 때문에 공동현상의 수치적 모사는 여러 분야에서 많은 관심을 갖고 있습니다.

전산유체역학으로 캐비테이션 현상을 해석할 때 단상유동 해석과 동일한 지배방정식과 수치해석 알고리즘을 사용합니다. 여기에 상변화의 영향을 고려하기 위해 질량분율에 대한 방정식을 추가하고 질량과 물성값의 변화, 중력의 영향, 기액 계면을 처리해 줍니다.

넥스트폼은 단상 비압축성유동 및 열전달 해석에서 OpenFOAM 성능 개선을 위해 NextFOAM을 개발하여 공개하였으며, NextFOAM의 알고리즘 및 라이브러리들을 바탕으로 정상상태 및 비정상상태의 캐비테이션 현상을 모사할 수 있는 해석자를 개발하였습니다. 캐비테이션 해석자는 상변화와 그로 인한 압력의 급격한 변화로 단상유동에 비해 안정성이 떨어지는 문제를 보완하기 위해 유동이 안정화될 때까지 상변화가 발생하지 않도록 하여 공동이 계산초기에 점진적으로 발생하도록 하였습니다. 상세 내용 보기

인쇄 레벨링 CFD 해석을 위한 형상생성, 격자 생성, 해석, 후처리의 전 과정을 자동화한 전용 프로그램을 개발하였습니다.

2D 설계 도면을 픽셀 형태로 읽어오고 이를 수정하여 3D 형상을 만듭니다. 오픈 소스 3D 모델링 라이브러리인 OpenCASCADE를 이용하여 형상을 만들고, 오픈 소스 격자 생성 툴인 SALOME를 이용하여 3D 형상 표면격자를 만듭니다. blockMesh를 이용하여 공간격자를 구성하고 만들어진 3D 형상 표면격자를 이용하여 레벨링 paste의 초기 조건을 설정합니다. 동적 접촉각, 표면장력, 점성 등의 조건에 대해 VOF 다상유동 솔버를 이용하여 최종 형상을 시뮬레이션합니다.

데이터, 이미지, 애니메이션 추출 등의 후처리 과정을 자동화하였습니다.

터널 및 승강장 설계를 위해 필요한 각종 CFD 해석을 위한 프로그램을 개발하였습니다. 다음과 같은 모듈로 구성되어 있습니다.

• 화재확산 모듈 : 터널 내부에서 발생한 화재의 확산을 시뮬레이션하고, 임계속도와 열부력을 계산하기 위한 프로그램
• PSD(Platform Screen Door) 모듈 :  승강장 스크린도어의 풍압을 해석하기 위한 프로그램
• 미기압파 모듈 : 터널 입출구와 환기구 등은 3차원으로, 나머지는 1차원으로 모델링하여 열차의 진행에 따른 미기압파를 해석하기 위한 모듈
• HVAC 모듈 : 승강장 공기조화 및 터널 유출기류 재유입 등을 계산할 수 있는 범용 프로그램

자동차 실내의 제상해석을 위해 고체(유리)를 통한 열전도를 고려한 복합열전달 솔버와 solidification/melting 모델을 사용하였습니다.

OpenFOAM이 제공하는 복합열전달 솔버로는 완화계수를 낮추고 정확도를 크게 해칠 정도로 diffusion이 큰 기법을 사용해야 해석이 가능한 문제를 해결하였습니다. 솔버 알고리즘(pressure-velocity coupling, interpolation 기법, relaxation factor 의존성, time step 의존성)을 개선하였으며 slope limiter, 압력구배 이산화 방법, 난류 생성항 선형화 방법 등을 수정하였습니다. 개발된 솔버의 결과를 상용 코드의 결과와 비교 검증하였습니다.

열교환기의 고온부/저온부 유체와 고체의 복합열전달을 계산하기 위해 multi-region 솔버를 개발하였습니다.

열교환기의 핀 구조물을 CFD 도메인에 그대로 모델링하는 것은 아직도 많은 비용을 요구하기 때문에 핀 구조물을 다공성 매질(porous media) 해석 기법을 사용하여 모델링하였습니다. 다공성 매질에서의 에너지방정식 계산은 저온부와 고온부 영역을 중첩시켜서 동일한 기하학적 위치에 놓여있는 두 영역간에 열전달이 발생하도록 하는 듀얼셀(Dual cell) 방법을 사용하였습니다.

상용코드 격자를 변환하여 multi-region으로 분할하는 스크립트를 개발하여 해석 케이스가 자동으로 구성되게 하였으며, 다공성 매질에서의 열전달 모델과 그래픽 사용자환경을 개발하였습니다. 상용코드의 결과와 비교 검증하여 입출구 온도값이 1% 이내의 오차로 일치함을 확인하였습니다.

계산된 고체 영역의 온도를 오픈소스 구조해석 프로그램인 CALCULIX에서 사용할 수 있도록 매핑하는 기능을 개발하였고, 매핑된 결과를 이용해서 CALCULIX에서 구조해석을 수행하였습니다.

디스펜싱 공정을 해석하기 위한 솔버를 개발하고 검증하였습니다. 다상유동 해석은 VOF 기법을, 노즐의 이동은 overset 기법을 사용하였습니다. 개발 항목들은 다음과 같습니다.

• 가변 점도 물성 모델링, 온도에 따른 점도 모델 구현 : 비뉴턴유체 해석을 위해 Arrhenius  type power law를 사용하여 온도에 따른 점도 모델을 구현
• 벽면의 중력 플럭스 처리 방법 개선 : 디스펜싱 해석시 액체가 피착재에 닿기 전에 액체와 피착제 사이의 공기 압력이 상승하여 액체가 피착재 표면에 닿지 않는 문제가 발생합니다. 중력항을 제거한 속도 성분을 격자면에 interpolation하여 플럭스를 구하고 격자면에서 직접 구해지는 중력 플럭스 성분을 더하였습니다.
• Dynamic contact angle : Static contact angle을 사용할 경우 격자 크기에 따라 형상이 크게 달라지는 문제가 있어 dynamic contact angle을 사용하였습니다. Navier slip length를 첫번째 격자의 높이에 대한 로그 함수로 구현하여 격자 의존도를 개선하였습니다.
• Overset 관련 기능 개선 : Overset interpolation 기법인 inverse distance method는 overset 영역이 background 격자의 경계를 침범하는 경우 문제가 발생하는데, 가상격자의 resolution을 높이는 방법을 사용하여 문제를 해결하였습니다.
• Overset 셋업 스크립트 및 유틸리티 개발
• 격자 자동화 유틸리티 개발

POD 및 ANN을 기반으로 CFD ROM을 생성할 수 있는 프레임워크를 개발하였습니다. CFD 해석은 OpenFOAM, POD는 AccelerateCFD, 데이터마이닝은 DAKOTA로 구성되며, 각 프로그램의 실행 및 데이터 교환이 사용자의 최소 개입으로 일렬로 자동 실행되도록 구현하였습니다.

개발된 프레임워크로 해석 결과 데이터마이닝 과정을 자동화하고 해석 소요 시간을 대폭 저감하여 CFD 해석 기반의 개발이 진행되는 모든 분야의 생산성을 대폭 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하는 한편, 많은 계산량을 필요로 하는 최적화 혹은 디지털트윈 문제에 적용될 수 있는 기술적 기반을 마련하였습니다.

프레임워크의 각 단계별 프로그램 간 데이터 교환을 위해 연동 프로그램을 개발하여, 각 프로그램의 입출력 형식에 맞게 상호 변환합니다. 이에 따라 사용자가 실행 목적 및 해석 조건 등 최소한의 매개 변수만 입력하면 프레임워크 내의 프로그램들이 일렬로 자동 실행되어 진행 경과 및 최종 출력 결과를 프레임워크 상에서 간단히 확인하는 한편 결과 데이터 파일 또한 용이하게 획득할 수 있도록 구현하였습니다.

CFD 프로그램의 해석 결과, POD 수행 결과, 데이터마이닝 및 최적화 과정 또한 사용자가 컨투어/차트 등으로 가시화된 결과를 확인할 수 있도록 후처리 파일을 생성하는 프로그램을 개발하였습니다.

개발된 프레임을 자유수면파 내부 조파 문제와 에어포일 형상 최적화 문제에 적용하여 검증하였습니다.

자유수면파 내부 조파 문제는 입력 변수를 조파 영역의 크기 (깊이, 너비 2개 변수), 출력 변수를 수면파 높이 평균 제곱근 편차 1개 변수로 설정하여 인공신경망 차수축소모델 및 데이터베이스를 생성하였습니다.

에어포일 최적화는 매개변수 중 익형 두께 및 받음각을 고정한 상태에서 양항비가 최대가 되는 캠버 매개변수의 최적값을 찾고자 하였습니다. 에어포일 형상 매개변수로부터 OpenFOAM 격자를 자동 생성하는 스크립트를 작성하였으며, 형상 매개변수를 프레임워크의 입력값으로 연결하였습니다. 프레임워크의 실행 목적을 차수축소모델 기반 최적화 (최댓값 탐색) 으로 설정 후 실행한 결과 약 496회 계산 후 최댓값으로 수렴하였습니다.

무인이동체 매개변수 기반 형상 자동화 프레임워크에서 생성된 CAD 파일을 이용하여, 격자 생성과 유동해석의 자동화 모듈을 개발하였습니다.

CFD 해석은 넥스트폼이 개발한 OpenFOAM 기반 솔버를 사용합니다. 프로펠러의 회전은 actuator disk 모델을 사용하여 짧은 시간에 결과를 얻을 수 있도록 하였습니다. 계산 결과로부터 압력장, 각 모듈에 작용하는 힘과 공력계수를 자동으로 추출하는 후처리 모듈이 포함됩니다.

형상 파일은 propeller, boom, fuselage, spinner, motor, carnard, wing 등으로 구성되는데 각 부분들에 대해 표면격자 크기 및 feature edge 추출 옵션을 자동으로 설정합니다. 

해석 조건은 excel 파일에서 비행조건(속도, 받음각, 옆미끄럼각), Actuator disk 적용을 위한 로터 특성(Cp, Ct, lift direction), 계산조건(반복계산 회수, 결과 저장 간격, 병렬연산 코어 수) 등의 값을 입력받습니다. 

격자생성 – 유동해석 – 후처리의 전과정은 하나의 파이썬 스크립트로 실행됩니다.

RANS 난류 모델을 사용하여 파랑 생성 CFD 해석을 수행할 경우 해석 시간이 지남에 따라 파고가 점점 감쇠하는 파고 감쇠 현상이 발생합니다. 이 문제를 해결하기 위해 자유수면 부력효과를 고려한 Density-modified 및 Buoyancy-modified 모델을 개발하여 standard k-epsilon, realizable k-epsilon, SST k-omega 모델에 적용하였습니다.

Density-modified 방법은 OpenFOAM에서 비압축성 다상유동 해석 시 strictly incompressible 가정으로 인해 소거되는 밀도에 의한 효과를 보정한 난류모델이고, Buoyancy-modified 방법은 Density-modified 방법에 추가적으로 밀도 구배에 의해 발생하는 부력항을 추가한 난류모델입니다.

개발된 모델의 검증을 위해 2차원 규칙파(Stokes 5th) 해석과 3차원 규칙파 중 원형 실린더 wave run-up 해석을 수행하여, 파고 감쇠 현상이 효과적으로 억제되는 것을 확인하였습니다.

관련 논문 – RANS 난류 모델이 원형 실린더 주위 wave run-up에 미치는 영향에 관한 연구

부가물(Vortex generator)이 부착된 선박의 격자 생성, CFD 해석, 후처리 과정을 자동화하여 부가물 설계시 다양한 변수들의 영향을 쉽고 빠르게 확인할 수 있는 프로그램을 개발하였습니다.

선박의 형상은 CAD 파일을 이용합니다. 부가물은 설계자가 지정한 설계 변수( 크기, 형태, 부착위치, 받음각)에 의해 프로그램 내부에서 자동으로 설계가 이루어지며 설계가 완료된 부가물이 포함된 선박의 선형정보는 선형설계자가 사용하는 선박 설계 프로그램에서 활용이 가능한 형태로 출력됩니다.

격자 생성은 snappyHexMesh를 사용하고 해석 솔버는 넥스트폼이 개발한 simpleNFoam을 사용합니다.

난류모델은 Quadratic strain Reynold stress transport model(NEXT::RSM_QS)을 사용합니다.

DES 난류모델을 이용한 3차원 cylinder vortex shedding 해석 결과입니다.

Surge와 sway 운동은 탄성스프링으로 지지하고 나머지 운동은 구속시킨 문제입니다.

– solver : pimpleDyMNFoam, openfoam5

– turbulence model : dynamicKEqn & kOmegaSSTDES 

– Re = 3900 & 6.7e+5