유체역학에서 전산유체역학(CFD)

Question

유체역학에서 전산유체역학(CFD) 해석을 통해 항공기 날개나 자동차 물체 표면의 공기 저항을 감소시키는 형상 설계법은 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

CFD는 공기 흐름을 컴퓨터로 계산해 물체 주변의 속도, 압력, 난류가 어떻게 변하는지 확인하는 해석 방법을 말합니다.

항공기나 자동차 표면에서 압력이 크게 변하거나 흐름이 떠렁져 나가는 박리 구간을 찾아 형상을 수정한다면 고익저항을 줄일 수 있습니다. 앞부분의 경우 공기가 부드럽게 갈라지도록 만들고, 뒤쪽은 급격히 끊기지 않도록 완만하게 좁혀서 후류와 압력저항을 줄이는 방식들이 사용되고 있습니다.

항공기 날개를 앞전과 뒷전의 곡률, 두께, 받음각 등을 조절하면서 필요한 양력을 유지하고 항력을 최소화하도록 설계하고, 자동차 또한 지붕과 후면의 경사, 바닥 형상, 휠 주변 공기 흐름 등을 반복적으로 바꾸면서 항력계수가 낮아지는 형상을 찾습니다.

결국 CFD 설계라는 것은 여러 형상을 가상으로 시험해 공기 흐름의 박리와 난류, 압력 차이를 줄이는 형상을 찾아가는 과정으로 보시면 되겠습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

전산유체역학 기반의 공기 저항 감소 형상 설계는 유동 박리를 억제하고 표면 마찰 및 압력차를 최소화하는 유선형 기하학 최적화 기법을 중심으로 이루어집니다 이를 위해 CFD 해석으로 압력 기울기와 난류 수송을 계산하여 박리가 시작되는 지점을 뒤로 밀어내는 형상 최적화 알고리즘을 적용하며 날개 끝 와류 손실을 줄이는 윙렛이나 자동차 후방 경사각 조절 등을 수행합니다 또한 표면 경계층 내부의 마찰 저항을 줄이기 위해 생체 모방 기술인 리블렛 미세 패턴이나 박리 방지용 와류 발생기의 위치를 CFD 시뮬레이션으로 정밀 설계합니다. 종합적으로 CFD는 공기의 흐름이 표면을 따라 매끄럽게 떨어지도록 압력 저항과 마찰 저항의 총합을 최소화하는 형상을 찾아내는 원리로 작용합니다

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

CFD를 이용해 저항을 줄이는 설계를 공력 형상 최적화라고 불러요. 날개 단면이나 차체 표면을 B-스플라인 제어점이나 FFD 같은 방식으로 수십에서 수백 개의 설계 변수로 표현하고, 이 변수를 바꿔가며 CFD로 항력계수를 계산해 항력이 줄어드는 방향으로 형상을 반복해서 고쳐 나가요.

변수가 많을 때 가장 널리 쓰는 방법은 수반 방정식(adjoint) 기반 최적화예요. 변수를 하나씩 바꿔 매번 해석하면 변수 수만큼 계산이 필요한데, 수반 방법은 유동 해석 한 번과 수반 해석 한 번만으로 모든 변수에 대한 항력 민감도를 한꺼번에 구해요. 변수가 적거나 목표가 여러 개면 몇십 개 형상을 해석해 근사 모델을 만들고 유전 알고리즘으로 최적점을 찾기도 해요.

항공기에서는 이렇게 충격파를 약하게 만들어 조파항력을 줄인 초임계 날개, 날개 끝 소용돌이를 줄이는 윙렛 형상이 다듬어졌어요. 자동차는 뒷부분에서 흐름이 떨어져 나가는 후류가 저항의 큰 몫을 차지해서, 꼬리를 비스듬히 잘라낸 캄 테일이나 하부 디퓨저 형상을 조정해 압력 저항을 줄여요 :)