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차량 CFD 해석 기술의 국제적 동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-11-14 07:29:59

본문

필자는 현재 상용 CFD 소프트웨어인 STAR-CCM+/CD를 개발하는 CD-adapco의 New York Office에서 근무하고 있다. 회사 업무 중에 경험한 차량 CFD 기술의 국제적 경향을 간략하게 회원 여러분과 공유하고자 한다.

글 / 임재만 (씨디 어뎁코)
출처 / 오토저널 9월호

1. CFD 컴퓨팅 환경의 발전

대학원에서 엔진 연소 모델링을 주로 연구하면서 경험한 파워트레인 분야에 적용되는 CFD 해석 기법을 비추어 보면, 대학원에서는 기업에 비해 사용할 수 있는 자원이 빈약한 관계로 해석 영역에 제한이 있었고 디젤 분무의 화염 특성 같은 아주 세세한 구조 해석에 주력했었다. 당시만 해도 격자 100만 개 정도가 한 컴퓨터에서 실제 사용할 수 있는 한계였고 네트워크 장비들의 성능의 한계로 병렬 컴퓨팅의 효율이 그리 좋지 않았다. 이러한 과정을 통한 해석 방법은 경계조건을 취득하기 쉬운 엔진 셀에서의 결과는 잘 예측할 수 없었고, 그 취득에 어려움이 있는 실제 차량 주행 조건에서의 결과도 잘 예측하기 어려웠다.

현재 다니는 CD-Adapco를 직장으로 선택한 이유도 기존 사용하는 소프트웨어 회사이며, 그 사용에 제한이 없었기 때문이 컸다. 6년 전 입사 당시 이미 우리 그룹의 주력 해석 아이템은 파워트레인 단품 해석보다는 차량 전체의 해석이었고 대부분 24 CPU를 동시에 사용하였다. 당시에도 이는 상당히 많은 CPU 사용으로 인식되었지만 6년이 된 현재는 더욱 많은 격자를 120 CPU까지 사용하여 더욱 빠른 시간을 사용해 해석을 수행하고 있다.

이러한 변화의 원인으로는 회사의 성장 및 소프트웨어의 발전 이외에도 64bit CPU 및 멀티 코어의 개발로 인해 계산 노드 하나가 사용하는 코어 수가 최대 16개까지 늘어난 점, 네트워크 장비의 발전에 의해 병렬 효율이 좋아진 점, 그리고 램 및 저장매체의 가격하락으로 대형클러스터 머신의 도입이 용이해진 점을 이유로 들 수 있겠다.

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통상적인 Aerodynamics 해석을 위해 제작된 총 40만개의 계산 격자의 형상을 그림 1에서 볼 수 있다. 이러한 컴퓨터 환경 변화를 장황히 설명한 이유는 바로 이로 인해 자동차 Industry에서 CFD 해석이 더욱 적극적으로 적용되고 있고, 그 적용 범위도 차량 내부의 모든 부품으로 확대되고 있다는 점을 알려드리고자 함이다. 전통적인 실험 방법이 아닌 CFD를 이용한 CAE 기법이 확대된 계기는 아이러니하게도 2008년 미국 경제 위기이다. 많은 업체들이 개발 비용을 절감하면서 경쟁에서 뒤처지지 않을 방안으로 비용과 시간이 많이 드는 차량 풍동 및 주행 시험을 대처할 수 있는 CFD를 이용한 차량 전체 해석 기법을 적극 적용하게 되었다.

2. Aerodynamics 해석의 최근 동향

차량 해석에는 크게 차량의 공기 저항 계수 등을 해석하는 Aerodynamics 부분과 차량 내부의 온도 분포 및 래디에이터 등 냉각 시스템의 성능을 해석하는 Thermal Management 부분으로 분류할 수 있다. 이들은 CFD가 차량 개발에 이용되기 시작한 90년대부터 꾸준히 연구되어온 분야로, 최근에 보여지는 연구동향을 소개하고자 한다.

먼저 Aerodynamics 부분의 동향은 크게 정상 해석 분야와 비정상 해석 분야로 나눌 수 있다. 정상 해석 분야는 차량의 공력 계수 계산 및 공력 관련 성능 판정을 위해 전 세계 자동차 메이커들이 다 수행하는 분야일 것이다. 현재 추세는 단순한 해석이 아닌 최적의 공력 특성을 보여주는 최적화된 형상 선정에 CFD를 이용하고 있다. 최근에 CFD 코드에 적용되고 있는 Adjoint solver는 차량 형상이나 경계 조건이 전체 성능에 미치는 민감도를 계산해주는 역할을 하는데, 이를 이용하여 최적 조건을 선정하는데 필요한 총 계산 횟수를 크게 줄일 수 있다.

비정상 해석은 먼저 정상 주행 조건에서도 차량 후류에서 발생되는 Wake 등의 보다 정확한 모사로 더 정확한 공력 특성 예측을 위해 적용될 수 있다. 이 경우 벽면 경계 조건은 RANS 난류 모델을 이용하고 그 외의 영역은 LES 난류모델을 사용하는 DES 모델이 사용되고 있으며, 이 모델은 소음 해석 영역에서도 사용될 수 있다. 또한 공력 예측 이외에도 비나 눈이 오는 경우, 모래나 먼지가 차량에 부착되는 경우, 홍수 지역을 차가 지나가는 등의 다양한 특수 조건들을 Multiphase 모델을 응용한 다양한 비정상 해석 사례들이 있다.

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더 나아가서 주행 중 지붕이 진동되는 현상을 FEA 해석과 결합한 후 계산 격자의 미세 변경이 가능한 Morphing 기법을 이용하여 해석하는 등 다양한 특수 해석들이 진행되고 있다. 그림 2는 DES 해석 결과로 차량 후면에 발생되는 Wake 분포를 표현하고 있다.

3. Thermal Management 해석의 최근 동향

자동차 개발의 역사는 열관리의 역사라고 해도 과언이 아닐 정도로 Thermal Management 분야는 자동차 개발의 핵심이고 아주 오랜 실험 시간이 필요한 그 특성상 CFD 해석 기법이 가장 적극적으로 적용되는 분야 일 것이다. 이를 위해 차량 내부(Underbody)의 엔진, 열교환기, 흡배기관들에서 배출되는 열 및 차량 Underhood의
온도 분포를 해석하는 기법에 대해 많은 연구가 이루어졌었다.

그러나 이러한 방법은 각 파트들의 벽면 온도를 가정하거나 실험에서 취득한 값을 얻어와야 하기 때문에 실험자료가 없는 설계 단계에서 해석하기에 어려웠으며, 복사열 계산과 차량 열전달에 의한 차체의 온도분포를 계산하기 위해서는 다른 별도의 계산과정을 거쳐야 하는 어려움이 있었다. 최근에는 이를 극복하기 위해 고체 온도 분포와 유동 및 열전달 해석을 동시에 수행하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에 자동 격자 생성 기술의 발달로 그림 3과 같이 얇은 Element들의 고체 부분 격자 형성이 쉬워진 점이 이러한 접근방법이 가능하게 된 요인이겠다.

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현재 메이저 자동차 업체에서 CFD 해석을 차량 개발에 적용한 방법을 예시한 사례로 H. Reister와 W. Bauer 의 논문을 소개하고자 한다. 여기서 저자들은 자사의 차량 개발에 적용되는 해석 기술을 소개하였다. 그리고 기존의 Underhood 영역에서만 적용되었던 해석 범위를 확장하여 차량의 모든 전기 제품에서 발생하는 열과 운전석의 열/유동 해석까지 하나의 모델로 해석하는 방법을 제시하였다. 논문에서 밝혀 있듯이 본Process 개발에 우리 회사가 아주 깊숙이 참여한 바 있다. 구체적인 과정은 다음과 같
다.

가) 차량의 모든 CAD 파트들을 물성치 데이터가 있는 PLMXLM 파일로 변환
차량은 몇 천여개의 부품으로 구성되는데 CFD 소프트웨어에 부품들의 물성치를 각각 입력하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 AD의 각 파트에 물성치에 대한 정보를 입력해서 나중에 매크로를 통해 물성치를 자동으로 입력하게끔 한다.

나) 결합된 파트 부분을 자동화 툴을 이용해 Imprinting
차량의 구성하는 부품들이 CAD 단계에서 접촉이 되어 있는 부분을 자동으로 검출해서 Solid 격자 생성시 이러한 부분이 이어지도록 한다.

다) 이에 대한 유동 부분과 차량 고체 부분의 Volume 격자를 제작
만일 유동부분과 차량 고체 부분의 모델링이 함께 제작되면 계산에 더 많은 메모리가 필요하게 되므로 효율적인 계산을 위해 두 부분에 대한 각각의 모델을 만든다.

라) 차량 개발에 적합한 Steady 및 Transient 해석 조건을 선정
Thermal Management 해석을 위해서 차량 운전 속도가 일정한 정상 해석 조건, 갑자기 차량이 정지하는 경우인 Key Off 조건, 차량의 사이클 수행 조건 등 다양한 조건들을 해석 할 수 있다.

마) 차량 전체에 대한 유동 및 고체 부분의 열/유동 해석을 수행
고체부분은 온도 분포만 해석하면 되는 것에 비해 유체부분은 유동/온도 및 복사열전달량을 해석해야 하기 때문에 계산시간이 더 오래 걸린다. 따라서 비정상 해석인 경우에도 그 유동 특성이 크게 변하지 않는 경우나 그 변화에 주기성이 있는 경우 적절하게 정상 조건으로 가정을 하고, 고체 부분만을 비정상해석을 수행하는 방법으로 효율적인 비정상 해석을 수행한다.

바) 후처리 작업을 수행하는 Process를 제시
이러한 방법은 차량 부품의 디자인 변화가 전체 차량의 Heat Protection 성능을 예측하고 나아가 운전석 내 공조 성능에 미치는 영향을 직접적으로 파악하는데 유용하게 쓰이고 있다. 그림 4는 계산된 차량 Underbody 내의 유체영역과 고체 영역의 온도 분포를 나타내고 있다. 다음 호에서는 차량의 파워트레인 부품에 적용되는 CFD해석 기법을 다루도록 하겠다.
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