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[항공우주 매거진] 연구팀 소개

연구팀 소개 항공우주 매거진 (주)넥스트폼


1. 넥스트폼은? 넥스트폼은전산유체역학(CFD) 기반의 열유체 분야엔지니어링컨설팅기업이다. 2011년에 설립되었으며항공우주, 기계, 조선해양, 컴퓨터공학 전문가들이 기업및국책연구소의기술개 발관련업무를공동진행하는기술연구소개념의회사이다. 


오픈소스기반의CFD 코드를활 용하여사용자의다양한요구에맞는솔버개발, 열유동해석, 교육, 기술지원등의엔지니어링 서비스를제공한다. 대부분의국내CFD 엔지니어링 업체들은 외국상용소프트웨어의국내공급, 교육, 기술지 원을수행하고상용소프트웨어를사용하여해석용역을수행하는사업모델을중심으로운영 되고있다. 


넥스트폼은 이와는 달리오픈소스CFD 코드를 사용하는 점에서 다른업체들과차별화된 다. 

현대 사회는 완성된 제품을공급하는시대를지나도구를공급하는방향으로변하고있다. 

넥스트폼은엔지니어가사용할완성된패키지프로그램을공급하는것이아니라, 오픈소스코 드를바탕으로자기나름의방식으로변형하고제작할수있는플랫폼을제공하는공동체모임 을지향한다. 

2. Why 오픈 소스? 대학에서 개발된in-house 코드를 사용한 CFD 관련 연구가 주를 이루던 국내에 1990년대 중반CFD 해석을 위한 상용코드들이국내산업체에도입되기시작하였다.

 비정렬격자계의사 용, 전후처리과정의 통합환경, CAD 파일 사용 등의장점으로in-house 코드를 조금씩 대체하 기시작한상용코드들은2000년대후반부터제품및공정개발도구로확고히자리매김하여국 내 대학은물론기업체, 국책 연구기관 등모든분에서폭넓게사용되었고현재는소수의상용 코드가독점적인지위를차지하고있다. 

상용코드의뛰어난성능은국내산업체의열유체분야기술발전에많은기여를해왔지만이 제는여러가지문제점들을드러내고있다. 상용코드가제공하는다양한기능은여러산업분야에서활용을가능하게해주지만각산업 2015년10월/ 제9권2호 분야에서필요한기술을모두제공할수는없다. 

상용코 드에서지원하지않는기능이필요하거나수치해석기법 이나물리적모델을개선할필요가있을때소스코드가 공개되지않은상황에서우리는개발사가기능을개발해 주기를기다릴수밖에없다. 

따라서우리의기술개발은 외국상용코드개발사에종속되게되고고유의독자기 술개발은어려워진다. 연구개발에서CFD의활용이보편화되면서설계및 개발부서의CFD 비전공자들에게까지해석이확대되고 있다. 이에따라특정제품에대한해석기법의정립및 작업과정자동화등의요구가커지고있어특정제품전 용해석프로그램이필요한시점이되었다. 

그러나 다양한기능중심의가진범용코드는이런요구를충족시키 기에는한계가있다. 상용코드의높은소프트웨어사용료는기술개발을가 로막는또다른걸림돌이되고있다. 고성능컴퓨터의가 격하락과멀티코어컴퓨팅의일반화로CFD 계산시간 을획기적으로줄일수있으나, 코어당부과되는소프트 웨어사용료는연구개발의효율성향상을가로막고있 다. 또한이러한고비용구조는중소기업들의CFD 활용 을힘들게만들고있다. 이런문제점들때문에CFD 해석의새로운패러다임 이나타나고있다. 필요에따라코드를수정할수있고, 새로운기능을개발할수있고, 개발내용을공유할수 있고, 자신에맞게특화시킬수있는새로운방식의패러 다임은오픈소스라이선스기반의소스코드공유라는 가치이다. 


80년대로거슬러올라가는소스코드공유의 개념은CFD 뿐만아니라현재우리사회의다양한분야 에서재조명되는가치가되고있다. 우리는거대기업에서대량생산하는완성된제품의 사용에익숙해져있지만현재는개개인의특성에맞는 특화된제품들이각광받는시대가되고있다. CFD 분야 도마찬가지로단순한열유동해석의문제를넘어다중 물리현상들에대한해석필요성이증가되고있으며각자 의제품에특화된기능들이요구되고있다. 

이런요구는 개발사의매출구조에맞게개발되어나오는범용완제 CFD 패러다임의변화 항공우주매거진 품소프트웨어로는만족시킬수없으며공개된소스코 드를기반으로각자가필요한기술을융합하여자신만의 소프트웨어를개발하여사용할때구현될수있다. 우리나라의대학과연구소등의CFD 연구진의기술수 준은세계적인수준이며많은연구성과들이배출되고있 다. 


그러나각각의연구성과들이모아지고확대되어산업 체로확산되는시스템은잘갖춰져있지않다. 소스코드 의공유는이런시스템구축의기반이될수있을것이다. 오픈소스코드의활용은초기개발비용만투자하면 추후별도의사용비용이발생하지않기때문에중소기업 의기술개발에CFD활용의문턱이낮아지고대기업에서 의연구효율성이높아질것이다. 또한의료, 방재, 환경, 레저등다양한분야로의확산이더욱가능해질것이다. 


3. 오픈폼(OpenFOAMⓇ)이란? 현재넥스트폼에서주로사용하는오픈소스프로그램 은오픈폼이다. 오픈폼은위에서이야기한여러가지요 구에가장적합한도구라고생각된다. Hrvoje Jasak, Henry Weller에의해개발된오픈폼 은2004년OpenCFD Ltd.에서GNU GPL(General Public License) 라이선스로소스코드가공개되었다. 오픈폼은이후다양한개발자들의공동작업을통해현재 전세계적으로가장널리사용되고있는대표적인오픈 소스CFD 프로그램이다. 오픈폼은해석을위한패키지프로그램이아니라도구 상자(CFD tool box) 프로그램이라는새로운개념의프 로그램이다. CFD 해석을위해필요한격자, 이산화, 병 렬화, 행렬연산자, 물리모델등의각종기능을라이브러 리나유틸리티형식으로제공하며사용자가그것들을활 용하여자신에게맞는프로그램을개발해서사용할수 있다. 오픈폼은전통적인관점에서는절대로성공할수없는 소프트웨어의모든조건을갖추고있다. 


마이크로소프트 Windows 환경을지원하지않으며, 그래픽사용자환경 이전혀없고, 매뉴얼이제대로갖춰져있지않으며, 많 은국내연구진들에게생소한C++ 언어를사용하며, 프 로그램의설치자체가쉽지않다. 이러한단점들에도불구하고오픈폼이가장많이사용 CFD-online discussion forum posts 2015년10월/ 제9권2호 사용자맞춤형프로그램개발절차 사용자맞춤형프로그램개발사례- 항공기공력해석, 선박저항해석 사용자맞춤형프로그램개발사례- 축산바이러스확산예측 되는오픈소스CFD 프로그램이된것은소스코드에대 한접근성의확보라는것이가장큰이유일것이다. 더불 어매우다양한수치해석기법및물리적모델을제공하 고있으며많은사람들이단점을극복할수있는대안들 을개발하여공개하고있기때문이라생각된다. CFD 연구자의커뮤니티사이트인cfd-online의 discuss forum에등록된글의개수를비교한아래의그 림에서현재오픈폼의사용현황을확인할수있다. 


4. 넥스트폼의연구분야 사용자맞춤형CFD 해석프로그램개발 정립된해석기법을사용하여엔지니어링판단을위한 기본데이터도출을목적으로CFD를활용하는경우작 업자동화를통한작업효율성향상을위해전용프로그 램의사용이효율적이다. 현재까지산업분야기반의전 용프로그램(Wavis, flowTherm, Icepak, flow3D, FDS 등)과사용자기반의전용프로그램(Autodesk CFD, Fluent for CATIA, starCAT 등)들이개발되어 판매혹은배포되어왔으나완제품형태로는개별사용 자의요구를충족시키는데한계가있을수밖에없다. 이 문제를해결할수있는방안은개별사용자가필요로하 는특정제품혹은공정에대한해석프로그램을사용자 의요구에맞게직접개발하는것이다. 사용자의요구조건에따라솔버/경계조건/유틸리티 개발, 최적계산조건의정립, 작업표준화및자동화, 그 래픽사용자환경의개발, 전후처리과정의자동화, 사용 항공우주매거진 자교육및기술지원, 유지보수등의항목으로구성된다. 개발절차는다음그림과같다. 압축성공력해석전용프로그램ISAAC 개발을비롯하 여펌프캐비테이션해석, 선박저항및프로펠러, 오염물 대기확산, 냉장고, 변압기, 환기해석, 교반기, 건조기, 터널화재해석등을위한전용프로그램을개발하였다. 


CFD 해석위탁연구 산업체에서CFD 해석이필요하지만자체적으로작업 을소화할수없을때모델링, 계산, 결과분석의전체과 정을위탁받아수행한다. 오픈폼을사용하는경우가대부분이며의뢰인이요구 하는in-house code를사용하는경우도있다. 코드개 발이함께진행되는경우도있으며계산완료후해석결 과보고서와함께계산에사용된소스코드및계산관련 파일들을모두제공한다. 상용코드를사용하는대부분의CFD 해석위탁연구 는상용코드를보유하고있지않은경우단발성으로끝 나고추후다른문제에대한수요발생시매번다시위탁 으로진행해야하는문제점이있다. 


오픈소스코드를사 용함으로써추후발생하는유사한문제에대해서는기업 내부에서직접수행할수있는가능성이열리고내부적 으로기술이축적될수있는장점이있다. 오픈폼교육및기술지원 넥스트폼의오픈폼교육은사용자교육, 코드개발자 CFD 해석사례 2015년10월/ 제9권2호 교육, 응용교육으로구성된다. 사용자교육은2일간의사용자기본교육과2일간의 사용자고급교육으로이루어진다. 사용자기본교육은오 픈폼을처음접하는사람들을위한교육과정으로리눅스 의기초, 오픈폼의설치, 솔버구동예제실습, 후처리프 로그램인paraview 사용법등의내용으로구성된다. 


사 용자고급교육은snappyHexMesh를사용한격자생성 방법, 격자관련유틸리티사용법, 경계조건종류및설 정방법, function objects 사용법, 병렬계산방법, pyFoam 사용방법, swak4Foam 사용방법등으로구성 된다. 코드개발자교육은자신의필요에따라오픈폼코드를 수정하거나새로운기능을추가하고자하는사람들을위 한소스코드에대한교육이다. C++ 기초, 오픈폼의사 용자공간정의, 어플리케이션빌드, 유틸리티제작, 경계 조건제작, FVM 기초, SIMPLE 알고리즘이해, 새로운 지배방정식추가등의내용으로3일동안진행된다. 


응용교육은팬, 펌프등의유체기계, 열전달문제, 동 적격자계의문제등특정적용분야에특화된사용법교 육으로매번다른주제를가지고3일동안진행된다. CFD 기술개발 넥스트폼자체적으로오픈폼기능향상및사용편의 성향상을위한내부연구과제를진행하고있다. 


솔버의 안정화를위한수치기법연구, 난류모델및경계조건의 수정및개발, 그래픽사용자환경의개발, 웹기반사용 자인터페이스개발등의과제를진행하고있다. 그리고 오픈폼에서제공하는격자생성프로그램의한계를극복 하기위해보다정교하고효율적인격자생성을가능하 게하기위해격자생성프로그램을개발하고있다. 기술개발의성과물중하나로오픈폼을이용하여비 압축성유동과열전달해석을위한그래픽사용자환경 프로그램인BARAM을소스코드와함께공개하였다. 


BARAM에는안정성을향상시킨오픈폼솔버와새로운 경계조건, 수정된난류모델들이포함되어있다. 앞으로 도지속적으로업그레이드할예정이다. 다양한열유동문제에대한벤치마크테스트를통해 오픈폼솔버의검증과계산방법을정립하고있으며오 픈폼의한글매뉴얼작성작업도진행하고있다. 


오픈폼커뮤니티활성화 오픈폼은오픈소스프로그램이기때문에커뮤니티의 활성화가매우중요하다. 국내의오픈폼커뮤니티활성 화를위해매년매년국내오픈폼사용자모임(OKUCC : BARAM launcher Bench Mark Test 사례 항공우주매거진 OpenFOAM Korea Users' Community Conference) 을다른커뮤니티구성원들과함께준비하고있으며 2013년에는서울대와같이International OpenFOAM Workshop을제주도에서개최하였다. 


홈페이지에사용 자포럼을운영하여정보교류를활성화하고자료실에 오픈폼관련자료를공유하고있다. 오픈소스CFD에관심이있는더많은분들이커뮤니 티에참여하여같이기술과정보를나누고함께할수있게 되기를기대한다.