가스터빈 엔진에서의 CFD 시뮬레이션

독일의 한 연구소에서는 가스터빈엔진의 설계를 위해 CFD 시뮬레이션을 사용합니다.

기후변화의 원인인 수 많은 비행기의 운항은 세계적인 관심사입니다. 독일Stuttgart 대학의 항공우주 열역학 연구소의 한 그룹은 독일 연구 재단과 연구협회의 투자를 받아 터빈의 블레이드 Endwall 형상 변화에따른 가스터빈 엔진에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

가스터빈 엔진의 제조회사는 엔진 개발 과정에 연구 결과가 잘 반영되기를 원합니다. 이 가스터빈 개발의 목적은 연료의 효율 향상 및 공해 물질을 줄이는데있습니다. 이 목적이 달성된다면 엔진의 제조사들은 더 효율적이고 깨끗한 가스터빈을 제공함으로 엔진 사용자들에게 비용절감을 가져다 줄 수 있을 것입니다. 이 두 가지의 긍정적인 효과는 환경오염 및 세계적인 기후변화를 막는데 공헌을 할 수 있을 것 입니다.

CFD를 통한 공기흐름의 시뮬레이팅 및 열 전달 분석

어떻게 Stuttgart 대학의 연구원들이 이 프로젝트를 성공시키기위해 씨름을 하였을까요? CFD 를 통해 공기의 흐름을 시뮬레이션을 하고 터빈의 블레이드와 Endwall의 열 전달 분석을 하였습니다.

2010년부터 이 프로젝트를 계속 연구해오던 SvenWinkler 씨는 말했습니다. “단순하게말하면 우리의 연구는 가스터빈의 냉각기술 연구라고 말할 수 있습니다.” 그는 덧붙여서 말했습니다. “저희연구의 적용분야는 제트 엔진 및 고정형 가스 터빈이 될 것 입니다. 또한 우리의 연구는 지구의 환경에 이익을 가져다 줄 것이고 그 점이 저를 흥미롭게 만듭니다.”

가스터빈에서 연소되고 나온 고온 배기 가스는 터빈 블레이드로 동력을 생성하기 위해 흘러 들어갑니다. 그런데 배기가스가 워낙 뜨겁기 때문에 터빈의 블레이드 부분도 같이 뜨거워 지기 때문에 녹지 않기 위한 냉각은 필수적인 요소입니다.무엇보다도 터빈의 블레이드가 뜨거워지는 결정적인 요인은 배기가스의 온도뿐만 아니라 터빈 블레이드 주위 공기 흐름의 영향에도 달려있습니다.

“저희는터빈의 형상에 따라 그 주위에 공기 흐름의 온도가 덜 뜨겁게 될 수 있는지 연구하고 있습니다” “간단하게 말해, 우리는 2개의 터빈 블레이드 사이에 있는 영역 즉 Endwall이라고 불리는 부분을 연구하고 있습니다.”​

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Tecplot 360 을 이용한 CFD 후처리(Post-Processing)

최적의 Endwall 형상의 찾기 위해 Winkler 씨와 그의연구실 동료들은 터빈의 수 많은 다른 형상을 CFD를 통해 비교 분석하였습니다. 그리고 그 결과값을 360으로 불러와 시각화와 분석 하였습니다.

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2014년 Tecplot 버전이 처음으로 출시되었을 때 이전버전에 비해 최대 92%정도의 메모리 사용이 줄어들어 현재 CFD 추세에 따른 해석에 있어서 가장 적합하여지게 되었습니다.

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360은 특히 SZL 기술을 통해 동종 소프트웨어 업계 최고의속도 - 계산 및 렌더링 데이터 로딩의 병렬 처리, 그리고 많은 다른 코드 최적화의 조합으로 효율적인 데이터를 처리합니다.

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“Tecplot으로 우리는 각 유체의 흐름을Streamline 및 Vortex 시각화를 하여서 육안으로 확인할 수 있었습니다. 그리고 또한 Endwall에서의 온도의 분포가 어떻게 형성되는지또한 확인할 수 있었습니다.” Winkler씨는 말했습니다. “이러한 과정을 통해, 저흰 최적의 터빈의 형상을 찾아나갈 수 있었습니다. – 가장 낮은 온도로 냉각을 할 수 있는, 즉 Endwall 주변기체의가장 적합한 흐름을 찾아내는 것 말이죠.” 통상적으로 낮은 온도에는 적은 냉각이 필요합니다. 또한 적은 냉각은 가스터빈의 효율을 높일 수 있으며이것이 바로 연구의 최종 결과이며 목적입니다.

독특한 접근법: 아이스 형성 방법 (Ice Formation Method, IFM)

CFD 시뮬레이션으로 후속 분석을 진행할 엔드월(끝단 벽) 형상을 만들기 위해, Winkler와 그의 동료들은 **아이스 형성 방법(ICE Formation Method, IFM)**이라고 불리는 매우 독특한 접근법을 사용했습니다. 연구소에는 터빈 블레이드가 배열된 수로 테스트 시설이 있으며, 연구원들은 이 블레이드 배열의 엔드월을 물의 동결 온도보다 낮은 온도로 냉각할 수 있습니다. 그런 다음, 냉각된 엔드월 위로 물이 흐르도록 설정하면, 물이 흐르는 동안 냉각된 벽에 얼음 층이 형성됩니다. 이 얼음 층은 유동과 상호작용을 하며, 결국 정상 상태에 도달하고 최적의 형상을 형성하게 됩니다.

Winkler는 “그 후, 우리는 레이저 스캐너를 사용해 이 얼음 윤곽선을 디지털화하고, 이를 CFD 시뮬레이션에 적용하여 이 윤곽선이 유동장에 어떤 영향을 미치는지, 따라서 엔드월로의 열전달에도 어떤 변화를 주는지 확인합니다,”라고 설명했습니다. “이 IFM 방법은 에너지 소모와 열전달 측면에서 최적화된 윤곽선을 도출하는 자연스러운 최적화 방법입니다.”

이와 같은 복잡한 CFD 시뮬레이션은 Tecplot과 같은 강력한 후처리 소프트웨어를 사용하여 데이터 시각화가 이루어질 때에만 의미가 있다고 Winkler는 인정했습니다. 그는 “어떤 소프트웨어 패키지의 진정한 장점은 효율성과 생산성을 높여주는 것”이라며, “Tecplot 360은 유동 시뮬레이션을 빠르게 시각화하고 평가할 수 있게 해주며, 다양한 유동 시뮬레이션에 대해 동일한 데이터를 살펴볼 수 있는 스크립팅 도구도 제공합니다. 그리고 무엇보다 이 소프트웨어는 사용하기 쉽습니다.”라고 덧붙였습니다.