EDISON_CFD : 유체공학교육 연구용 e-science 기반시뮬레이션소프트웨어및콘텐츠개발 이근배 이성욱 * 이창훈 ** 최정일 ** 이도형 *** 김종암 * EDISON_CFD : Development of e-science-based Simulation Software and Contents for Education and Research in Fluid Engineering Kuen-Bae Lee, Seonguk Lee, Changhoon Lee, Jung-il Choi, Dohyung Lee, Chongam Kim Key Words: EDISON_CFD( 에디슨 _ 전산유체역학 ), e-science( 이사이언스 ), Fluid Engineering( 유체공학 ), Software and Contents for Education and Research( 교육연구용소프트웨어및콘텐츠 ) Abstract EDISON_CFD, an abbreviation of 'EDucation-research Integration through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics', is a virtual organization designed to support the education research in fluid engineering on the e-science environment. As the first step, our research group focuses on developing simulation software and contents based on numerical analyses. Through national research projects, many R&D results have been developed and accumulated in universities and research institutes. However, educational contents used for delivering advanced researches to inspire students still lack. Thus, development of software and contents for effective and advanced education & research is necessary. The present work aims to establish the platform of simulation softwares and contents for online education research in fluid engineering using the results of the state-of-art techniques. This will fortify not only the capability of students in fluid engineering but also the national strength in research. 계및공정뿐만아니라최종제품군에이르기까지많은유체역학적문제들에대한다각적인연 1. 서론구가활발히진행되어왔으며, 그원천기술의활용도가점차확대되고있다. 그에대한예로유유체공학은공학전반시스템설계, 공정및제동해석기술은자동차항력저감, 연소혼합증대, 후작에기저가되는원천기술중의하나이다. 특히, 류상관성을고려한풍력블레이드형상설계및국가주요성장동력원이되는기계, 자동차, 항발전시설최적화등에활용되어왔다. 공, 중공업, 조선등의산업전반에서요소부품설 서울대학교협동과정계산과학전공 E-mail : kissing6482@snu.ac.kr TEL : (02)880-1903 * 서울대학교기계항공공학부 ** 연세대학교계산과학공학과 *** 한양대학교기계공학과 R&D 2024
Fig. 1 Streamline over a circular cylinder, (Re = 140) SW (software) IT e-science (1-3) EDISON_CFD (EDucation-research Integration through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics) SW 2. 유체공학 교육 연구용 SW 및 콘텐츠 2.1 비압축성 유동해석을 위한 범용 SW 및 교육용 콘텐츠 개발 EDISON_CFD 교육 연구 시스템과 같이 다양한 수준의 학생과 연구자가 접속하는 환경에서 다수 의 문제를 다루어야 하는 유체공학 시뮬레이션을 위해서는 일정 범위의 범용 해석을 위한 SW가 필수적으로 개발 되어야 한다. 범용 SW의 개발 은 유체공학의 수치해석에 관한 일정 수준의 이 해와 노력을 바탕으로 대학(원)생들이 자신의 연 구와 창의적 아이디어를 구현해 볼 수 있도록 하 는 데 초점을 둔다. 본 시스템에서는 2차원의 다양한 형상에 대한 정렬격자 기반의 점성/비점성, 정상상태/비정상상 태의 해석이 가능한 비압축성 유동해석 SW를 제 공한다. Fig. 2 Mesh(up) and velocity contour and vector(down) over a flat plate, (Re = ) 현재 탑재된 SW의 주요 특징은 다음과 같다. 인공 압축성 (artificial compressibility) 기반의 다 양한 수치기법을 적용하였으며, 공간차분은 풍상 차분법에 2차 단조성 보존 내삽법을, 시간적분은 외재적 Euler 기법, 다단 Runge-Kutta 시간 적분 법, 내재적 LU-SGS 방법 등을 사용하였다. 난류 유동장 해석을 위하여 Standard k-e, Wilcox s k-w, Menter s k-w SST 등의 옵션을 선택할 수 있도록 하였다. 적용된 수치기법의 자세한 내용은 참고 (4) 문헌 에 기술되어 있다. 본 SW를 활용하여 유체공학 교육에 활용 가능 2025
한전형적인예제로는 Fig. 1, 2와같은실린더후류유동해석및평판유동해석등을들수있다. 또한, 본연구에서는유체공학관련수업에적극활용할수있도록개발 SW와연계된교육용콘텐츠를개발한다. 교육용콘텐츠는대략 90 분강의용으로구성되며, 해당교과이론에관한소개, 이론의이해를돕기위한개발 SW를활용한시뮬레이션결과, 학생들이직접시뮬레이션을할수있도록구성된스크립트와매뉴얼로구성된다. 비압축성유동해석 SW를활용한교육용콘텐츠의한예로, 타깃공력계수산출을위한비압축성실린더형상설계 를들수있다. 주요내용은 Fig. 3과같이양력, 항력, 모멘트계수및레이놀즈수 (Reynolds number), 스트롤수 (Strouhal number) 와같은무차원파라미터들의정의와일반적인특성을설명하는이론학습과정, 다양한형태의실린더형상및격자를제작하고 SW를활용하여시뮬레이션할수있는계산실습과정, 시뮬레이션결과를바탕으로실린더형상에따른유동특성을고찰하고설계된실린더의장단점을비교 분석하는과정으로구성된다. 해당콘텐츠의대상교과목은학부과정의유체역학과대학원과정의점성유체역학및전산유체역학등에활용할수있다. 2.2 난류 입자유동해석 SW 및교육용콘텐츠난류는불규칙한유동섭동 (random fluctuations) 에의해순간속도의시공간적변화가복잡하며, 그특성을파악하기위해서는다양한통계적기법이요구된다. 본시스템에서는 Navier-Stokes 방정식에세밀한격자계를이용하여난류에존재하는모든유동의스케일을충분히해석할수있는직접수치모사 (Direct Numerical Simulation) 기법이적용된 Pseudo-Spectral 기반난류유동해석 SW를제공한다. 본 SW를활용하여유체공학교육에활용가능한전형적인예제로난류채널유동해석을들수있다. Fig. 4는완전발달된난류채널유동에서 방식을통해구한벽면근처응집난류구조와주위의주유동, 횡방향와도를나타내고있으며 (5), 난류의기본특성및유체입자가속도의간헐적특성을파악할수있다. 난류입자유동에대한해석은항공기, 터빈등의기계장치설계에서부터호흡을통해허파내입자점착에따른인체위해성평가, 대기오염및방사능누출, 테러에따른오염물질확산등에이르기까지기계, 항공및환경공학에매우중요한연구분야이다. 본시스템에서는다년간축적된높은정확도의난류유동시뮬레이션개발경험을바탕으로난류에부유된입자의수치모사가가능한 SW를제공한다. 본 SW는 4-Point Hermite 보간법을통해계산된입자위치에서의유동정보를바탕으로, 매순간입자의추적이가능하다 (6). Fig. 3 Educational contents for simulation of a circular cylinder Fig. 4 Visualization of the near wall coherent vortical structures. 2026
Fig. 5 Particle trajectories near a turbulent vortical structure. Colors indicate the level of curvature (left) and magnitude of particle acceleration (right). 입자의 Stokes 수가 1 일때, 즉유동과입자의상 호작용에의해와도가상대적으로작은곳에서군집 (clustering) 특성을파악할수있다. Fig. 5는입자궤적과난류구조를나타내고있으며, 난류구조근처에서입자궤적의회전이가속되는것을확인할수있으며, Stokes수가커짐에따라입자에미치는영향은줄어들고그에따라곡률및가속도또한줄어듦을확인할수있다. (7) 본연구를통해유체공학교육, 특히난류유동관련수업에적극활용할수있도록개발 SW와연계된교육용콘텐츠를개발한다. 난류입자 SW 를활용한교육용콘텐츠의한예로, 난류채널유동내의난류량분석 을들수있다. 난류의구조추출을위한기법및통계량분석을위한스펙트럼해석기법, 상관함수기법등을설명하는이론학습과정과개발된 SW를활용하여난류채널유동을시뮬레이션하고획득된자료와후처리 SW 를활용하여난류의기본성질을다양하게고찰하는과정으로구성된다. 또한유동내의입자운동에대해서는입자추적기법에대한이론학습및개발 SW를활용하여실제난류유동내에서입자를추적함으로써복잡한난류현상과의상호작용을분석하는과정으로구성된다. 해당콘텐츠의대상교과목은학부과정의유체역학, 응용유체역학과대학원과정의점성유체역학, 난류및전산유체역학등에활용할수있다. 2차원채널및 3차원파이프유동, 그리고 3차원파이프내의스월 (swirl) 유동이있으며, 각각의문제에대해정상 / 비정상상태의해를제공한다. SW의특징으로는 Navier-Sotkes 방정식에인공압축성 (artificial compressibility) 을도입하였으며, 비정상유동해석을위해이중시간전진 (dual time stepping) 방법이적용되었다. 난류모델로는 Standard k-e, Wilcox s k-w, Menter s k-w SST 등의옵션을선택할수있도록하였다. 격자의형태로는정렬및비정렬격자가사용되며, 파이프형상에따른변수의입력을통해격자가자동으로생성되도록하였다. EDISON_CFD 교육 연구시스템에서본 SW를통해학습하는대학 ( 원 ) 생들은 Fig. 6과같이 3차원파이프내에서의압력구배 (pressure gradient), shear driven 유속효과에따른속도분포와전단력및완전발달유동등에대한수치해석을수행하고, 이론해와의비교를통해보다효율적인학습을할수있을것으로기대한다. Fig. 6 3-Dimensional Pipe 2.3 파이프유동해석 SW 및교육용콘텐츠 파이프내부의비압축성유동해석 SW 는직선 Fig. 7 Pathline of flow pattern in a swirl pipe 2027
파이프유동의응용된내용인 3 차원파이프내 의스월유동에서는 Fig. 7 과같이원관의입구 에서축방향으로유입되는축방향유동 (U) 과 스월유동 (U/ ) 에의해발생하는파이프내 부벽면을타고흐르는유동의해석을제공한다. (8) 본연구에서는유체공학관련수업에적극활용할수있도록개발 SW와연계된교육용콘텐츠를개발하고자한다. 3차원파이프내에서의비압축성층류유동 SW를활용한교육용콘텐츠의한예로 압력구배, shear driven 유속효과에따른속도분포 / 전단력 / 완전발달유동까지의입구길이분석 을들수있다. 주요내용은파이프내의스월유동에대한이론, 압력 /shear driven 유동이론및층류에서난류가되기까지완전발달유동의이론학습과정, 벽면전단응력및파이프의축방향위치별압력구배분석을위해파이프형상및격자를제작하고해당 SW를활용하여시뮬레이션을하는계산실습과정, 시뮬레이션결과를통해얻은데이터의분석과이론적비교검증과정으로구성된다. 해당콘텐츠의대상교과목은유체역학과전산유체역학등이있으며, 학습대상은학부과정학생및대학원생들이다. 3. 결론 본연구에서는유체공학분야의수치시뮬레이션연구성과를활용하고, e-science 기술의장점을극대화하여, 온라인상에서활용가능한유체공학교과과정관련교육 연구용 SW 및콘텐츠를개발하는것을그목표로하였다. 특히, 기계공학과관련된유체공학교육 연구용 SW 및콘텐츠는크게비압축성유동해석, 난류 입자유동해석, 파이프유동해석을위한 SW 및콘텐츠로나누어개발하였다. 본 EDISON_CFD의 SW 및콘텐츠개발을통해, 유체공학분야대학 ( 원 ) 생의최신기술적응력을제고하고, 향후기술경쟁력을높이는우수한연구인력을양성하며, 장기적으로시뮬레이션 SW의국산화에도기여할수있을것으로기대한다. 후기이논문은 2011년도교육과학기술부의재원으로한국연구재단첨단사이언스교육허브개발사업의지원을받아수행된연구입니다. (2011-0020559, 2011-0020561, 2011-0020562) 참고문헌 (1) Kim, J-H, Yi, J., Ko, S-H, Ahn, J. W., Kim, C., Kim, Y., Cho, K. W., 2008, e-airs: Construction of an Aerodynamic Integrated Research System on the e-science Infrastructure, J. KSAS, Vol. 36, No. 5, pp. 438-447. (2) Ko, S-H, Han, S., Kim, J-H, Moon, J. B., Kim, C., Cho, K. W., Kim, Y., 2009, Integrated rocket simulation of internal and external flow dynamics on the e-science environment, J. Korean Phy. Soc., Vol. 55, No. 5, pp. 2166-2171. (3) Kim, J-H, Kim, C., 2009, Numerical investigation on the geometric factors of insects' wing motion using e-science environment, J. Korean Phy. Soc., Vol. 55, No. 5, pp. 2172-2179. (4) Rogers, S. E., and Kwak, D., 1990, "Upwind differencing scheme for the time-accurate incompressible Navier-Stokes equations," AIAA J., Vol. 28, No. 2, pp. 253-262. (5) Lee, C., Yeo, K., Choi, J.-I., 2004, "Intermittent Nature of Acceleration in Near Wall Turbulence," Phys. Rev. Let., Vol. 92, No. 14, 144502. (6) Choi, J.-I., Yeo, K., Lee, C., 2004, "Lagrangian Statistics in Turbulent Channel Flow," Phys. Fluids, Vol.16, No.3, pp.779-793. (7) Choi, Y., Park, Y., Lee, C., 2010, "Helicity and geometric nature of particle trajectories in homogeneous isotropic turbulence," Int. J. Heat Fluid Flow, Vol.31, No.3, pp.482-487. (8) Shin, T. S. and Lee, D., 2008, Numerical simulation of Turbulent Dissipation and Pressure drop thorough a Vane Swirlers within pipe, J. KFMA, pp. 591~596. 2028