Tecplot Chorus가 KARALIT CFD와 통합되어 메시 없는 CFD 시뮬레이션 및 분석 시간 절약

침수 경계(IB) 방법은 1970년대부터 사용된 메시 없는 CFD 시뮬레이션 기술입니다. 전통적인 메시 기법에서는 물체의 모양에 맞춰 그리드에 Navier-Stokes 방정식을 적용하지만, IB 기법은 CAD 모델을 직교 그리드에 삽입하고, 방정식을 그리드에 통합하여 사용합니다.

IB 기법의 주요 장점은 메시 생성이라는 시간 소모적인 작업을 없앨 수 있다는 점입니다. 또한 메시 변형이나 기하학적 변화에 따라 그리드를 재구성할 필요가 없습니다. 하지만 IB 기법은 물체의 표면과 교차하는 셀을 효과적으로 생성하는 수치 이론이 부족하여 초기에는 메시 기법에 비해 불리하게 여겨졌습니다.

하지만 기하학이 점점 더 복잡해지고 데이터 크기가 급격히 증가함에 따라 메시 생성 시간이 늘어나면서 IB 기법에 대한 관심이 다시 높아졌습니다.

이러한 IB 기법의 시간 절약 능력을 상업적으로 성공적으로 활용한 최초의 기업 중 하나는 KARALIT이라는 이탈리아 푸라에 본사를 두고 있는 스타트업입니다. KARALIT는 IB 기법을 기반으로 한 CFD 소프트웨어를 제공하며, Tecplot Chorus와 원활하게 통합되어 CFD 후처리, 필드 및 메타데이터 관리, 분석 도구를 하나의 환경에서 제공합니다.

Durrell Rittenberg, Tecplot Inc.의 제품 관리 부사장과 Sohail Alizadeh, KARALIT의 영국 및 아일랜드 판매 및 운영 이사는 최근 두 도구를 사용하여 포뮬러 레노 Tatuus 2000 레이스카의 설계를 평가한 속도를 보여주었습니다.

이 시연에서는 Rittenberg와 Alizadeh가 1시간이 조금 넘는 시간 동안 레이스카의 리어 윙 기하학을 변경하고, 윙을 10cm 낮춰 엔진 냉각 및 외부 공기역학을 관찰하면서 성능을 평가했습니다.

Rittenberg는 "이 메시 없는 IB 방법과 Tecplot Chorus를 결합함으로써 CFD 시뮬레이션 및 분석에 드는 시간을 수십 배 단축할 수 있다는 것을 보여주었다"고 말했습니다.

"즉, 이 두 도구를 사용하면 CFD를 실행하고, 여러 솔루션을 보고 분석하며, 몇 시간 만에 설계 결정을 내릴 수 있다는 것입니다."

KARALIT CFD와 Immersed Boundary 방법

Immersed Boundary (IB) 방법에서는 물체의 기하학을 직교 그리드에 직접 삽입합니다.

Alizadeh는 기하학을 설정하고 해를 구하는 과정에 대해 설명합니다.

"복잡한 기하학을 가지고 있고 이를 계산 그리드에서 시뮬레이션해야 하는 상황입니다. KARALIT에서는 그리드가 비등방성 직교 비정형 그리드입니다. 이 그리드는 복잡한 기하학을 감지해야 하고 CFD 시뮬레이션은 경계 조건을 알아야 합니다. 즉, 기하학이 그리드와 교차하는 부분에서 경계 조건이 필요합니다."

이 그리드는 전통적인 CFD에서는 보지 못하는 세 가지 부분으로 나뉩니다:

1. 유체 흐름

2. 경계 셀

3. 유령 셀 (Ghost Cells)

유령 셀은 유체의 거울 점으로 반영되어, 계산 중에 필드 값이 유령 셀로 보간됩니다. 계산 중 유령 셀에 대한 값은 올바른 값으로 설정되어 경계 조건을 강제로 계산에 적용할 수 있게 됩니다.

Alizadeh는 "즉, 기하학과 경계 조건을 흡수하는 전체 과정이 시뮬레이션 및 계산 중에 자동으로 백그라운드에서 진행됩니다"라고 설명합니다. "이것은 매우 간단한 워크플로우를 만들어냅니다: CAD 기하학을 코드(SDL)에 가져오고 몇 가지 매개변수를 설정한 후 해결을 실행하는 방식입니다. KARALIT은 PLT 파일을 출력하므로 Tecplot 소프트웨어 제품에 쉽게 가져올 수 있습니다."

KARALIT은 병렬화를 지원하므로, 수백 개의 노드를 사용할 수 있으며, 실행할 수 있는 사례의 크기는 컴퓨터의 크기와 메모리만큼 제한됩니다.

Tecplot Chorus를 사용한 결과 분석

시뮬레이션이 실행된 후 결과와 복잡한 기하학적 모델은 Tecplot Chorus로 가져와 빠르고 정확한 분석과 여러 설계 후보에 대한 비교가 이루어집니다. Tecplot Chorus는 CFD 후처리, 필드 및 메타데이터 관리, 분석 도구를 하나의 환경으로 통합하여 여러 설계를 분석하는 시간을 몇 주에서 몇 시간으로 단축합니다.

시연에서 Rittenberg와 Alizadeh는 레이스카의 리어 윙이 원래 위치보다 낮은 위치에서 공기 압력이 더 낮다는 것을 빠르게 확인할 수 있었습니다.

Rittenberg는 "여기서 진짜 이점은 여러 설계 후보를 빠르게 살펴보고, 결과를 분석하며 최적의 설계를 식별할 수 있다는 점입니다"라고 말합니다. "우리는 지루한 작업을 건너뛰었고, 메시나 매크로를 작성하거나 데이터를 처리할 필요 없이 물리학을 보고 설계 결정을 내렸습니다."

Tecplot Chorus와 CFD/IB 방법을 결합하는 것은 복잡한 기하학적 모델과 복잡한 표면을 가진 경우에 가장 효과적이라고 Rittenberg는 설명합니다. 적은 수의 솔루션으로 프로젝트를 구성하는 것도 매우 편리하며, 다양한 뷰를 탐색하는 데 유용합니다. Tecplot Chorus는 이를 매크로와 루프를 많이 생성하지 않고도 가능하게 해줍니다. 또한 사용자가 여러 중요한 통합 수량을 인터랙티브하게 평가할 수 있게 해줍니다.

Rittenberg는 "Tecplot Chorus로 할 수 있는 일이 정말 많습니다. 여러 솔루션을 빠르게 비교하고, 변화량을 확인하고, 물리학이 무엇을 드라이브하는지 찾아낼 수 있습니다. 백 개의 솔루션을 한눈에 볼 수 있습니다. 메시 없는 Immersed Boundary 방법과 결합하면 CFD 시뮬레이션과 분석에 소요되는 시간을 수십 배 줄일 수 있다는 것을 다시 한 번 확인했습니다. 그건 정말 큰 숫자입니다."