유체 구조 상호 작용이란?

FSI는 흐르는 유체가 움직이거나 변형 가능한 고체 구조물과 상호 작용하는 모든 현상을 설명합니다. 유체 흐름에서 발생하는 압력이나 전단력의 힘은 고체 물체의 모양을 바꾸거나 강체 운동을 일으킬 수 있습니다. 결과적으로 고체의 모양이나 운동 변화는 유체 흐름장을 변화시킬 수 있습니다. FSI는 유체 역학 및 고체 역학이 관여하는 Multiphysics 상호 작용의 한 유형입니다.

엔지니어는 시뮬레이션 툴과 테스트를 사용하여 유체 고체 상호 작용을 연구하고, 유체가 제품 주변이나 내부를 흐를 때 제품에서 발생하는 실제 상호 작용을 이해합니다. 이러한 상호 작용은 설계 또는 유지 관리 중인 제품의 성능뿐만 아니라, 변형이 너무 크거나 너무 자주 발생할 경우 제품의 내구성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 지나가는 자동차의 풍절음, 비행 중 상업용 항공기 날개의 상하 운동, 심장의 혈액 펌핑 작용 등은 모두 실제 세계에서 FSI가 발생하는 예입니다. 심각한 경우, FSI는 구조물 파손, 부상 또는 사망으로 이어질 수 있습니다. 1940년 공기탄성 플러터로 인한 타코마 내로우즈 다리 붕괴와 1965년 풍속 난류로 인한 페리브리지 발전소 냉각탑 붕괴가 잘 알려진 사례입니다. 파손으로 이어질 수 있는 보다 흔한 형태의 FSI는 수격 현상으로, 파이프 내 수압이 갑자기 높아져 발생하는 큰 폭발음입니다.

엔지니어는 전산유체역학(CFD)과 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어 툴을 결합하여 유체와 고체 경계면을 통해 하중이 전달되거나 유체와 고체 경계면의 모양이나 위치가 변할 때 두 영역의 거동을 예측하는 FSI 모델을 만듭니다. FSI 분석은 결합 알고리즘의 개선과 컴퓨팅 성능 향상으로 인해 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 

시스템에서 경험하는 FSI 유형은 고체 물체가 겪는 구조적 변형 유형과 시스템 내 각 물리 현상이 다른 물리 현상에 미치는 영향의 강도에 따라 달라집니다. 

FSI에서의 단방향 결합과 양방향 결합

FSI 연구는 유체에서 고체로 전달되는 힘과 두 영역의 상호 작용으로 인한 물리적 특성 변화를 다룹니다. 엔지니어는 결합을 다음 두 가지 범주로 나눕니다.

• 단방향 FSI 결합

가장 흔한 유형의 단방향 FSI 결합은 약한 결합이라고도 하며, 유체 흐름에서 고체로 힘이 전달되지만 고체의 반응이 유체 흐름의 거동에 미치는 영향은 미미한 경우입니다. 이는 일반적으로 고체가 변형되는 거리가 변형을 일으키는 유체의 부피에 비해 매우 작기 때문입니다. 경주용 자동차의 날개가 단방향 FSI 결합의 좋은 예입니다. 날개 위로 흐르는 공기는 날개에 하강력을 발생시키지만, 날개는 충분히 단단하여 이러한 힘으로 인해 날개의 모양이 변하지 않습니다.

또한 물체의 움직임이 유체에 운동량을 전달하거나 유체로부터 운동량을 빼앗아 유체 영역의 속도와 압력을 변화시키지만, 주변 유체 속에서 물체의 모양이나 움직임에는 눈에 띄는 변화를 일으키지 않는 경우에도 단방향 FSI가 발생할 수 있습니다. 전기 선풍기가 좋은 예입니다. 선풍기 날개의 회전은 날개의 모양을 크게 변화시키지 않으면서 선풍기를 통과하는 공기의 속도를 증가시킵니다.

단방향 FSI 시뮬레이션은 해석된 CFD 시뮬레이션의 압력과 전단력을 FEA 구조 모델의 유체와 고체 경계면에 적용한 다음 구조 영역에서 응력과 변형률을 계산하거나, 유체와 고체 경계면에서의 고체 속도를 CFD 모델의 경계 조건으로 사용합니다. 두 경우 모두 힘이나 속도는 한 영역에서 다른 영역으로만 전달됩니다.

• 양방향 FSI 결합

가장 일반적인 형태의 양방향 FSI 결합은 대개 강한 결합이라고도 하며, 유체 영역에서 고체에 작용하는 힘이 고체를 충분히 변형시켜 유체의 압력이나 속도를 변화시킬 때 발생합니다. 이러한 변화는 유체에 작용하는 힘을 변화시키고, 이는 변형과 운동을 수정하며, 결과적으로 유동을 변화시킵니다.

양방향 FSI 시뮬레이션은 알고리즘을 사용하여 고체의 변형을 CFD 모델로 전달합니다. 때로 이러한 변화가 충분히 크면 유체 영역의 메시가 왜곡되어 제대로 적용되지 않을 수 있습니다. 이 소프트웨어는 리메싱이라는 자동화된 프로세스를 사용하여 메시를 다시 생성합니다. 가장 극단적인 경우, 유체 영역의 토폴로지는 통로가 열리거나 닫히면서 변경됩니다.

양방향 시뮬레이션은 모델이 시간이 지남에 따라 CFD 솔버와 FEA 솔버의 솔루션 간 반복에 두 가지 다른 방법론을 사용할 수 있습니다. 명시적 또는 순차적 접근 방식에서는 하중과 변형이 시간 단계당 한 번만 전달됩니다. 암시적 또는 동시적 접근 방식은 유체 및 구조 시뮬레이션을 동시에 수행하고, 하중과 변형을 교환한 다음, 솔루션이 수렴할 때까지 동일한 시간 단계에서 다시 계산합니다. 그런 다음 시스템은 다음 시간 단계로 이동합니다.

명시적 방법은 설정이 더 간단하고 반복당 한 번만 계산하기 때문에 컴퓨터 리소스를 적게 사용합니다. 그러나 암시적 방법보다 안정성이 떨어지며 모델이 분기할 수 있습니다. 대부분의 엔지니어는 강하게 결합된 시스템을 모델링하고 명시적 방법보다 더 높은 정확도를 원할 때 암시적 워크플로를 선택합니다.

구조 변형 유형

엔지니어가 FSI 문제를 분류하는 또 다른 방법은 구조 영역이 겪는 변형 유형을 파악하는 것입니다. 시뮬레이션 툴 사용자는 이 정보를 활용하여 적절한 모델링 접근 방식과 CFD 및 FEA 솔버 간의 데이터 교환에 사용할 알고리즘을 결정합니다.

가장 일반적인 변형 유형은 다음과 같습니다.

• 작은 변형

구조 영역 변위가 작은 모델은 단방향 시뮬레이션을 사용합니다. 이 접근 방식은 먼저 CFD 모델을 해석한 다음 구조 모델에 힘을 적용합니다. 이 경우 유체 구조 경계면의 형상 변경이 필요하지 않습니다.

• 작은 진동

때로는 유체 흐름의 진동이 시스템 구조 부분의 유연한 표면에 작은 주기적 힘을 가하고 고체 부분은 진동으로 반응합니다. 이 진동은 유체를 통해 전달되는 음파를 생성하지만 전체적인 흐름 특성은 변경되지 않습니다. 공기역학 엔지니어는 이러한 유형의 FSI를 음향 구조 상호 작용(ASI)이라고 합니다.

유체 역학에서 압력파는 파이프나 덕트에서 공명하여 고체 구성 요소에 진동을 일으킬 수 있습니다. 이러한 진동을 수격 현상이라고 합니다. ASI와 수격 현상 모두 소음을 발생시키고 때로 구조적 구성 요소의 피로를 유발할 수 있습니다.

• 대규모 변형

고체 영역의 변형 또는 움직임이 유체 흐름을 변화시킬 만큼 충분히 클 경우 양방향 FSI가 필요합니다. 또한 엔지니어는 CFD 및 FEA 메시를 변형하거나 두 영역 모두에서 형상을 재메싱하는 방법론을 사용하도록 시뮬레이션을 설정해야 할 수도 있습니다. 변형 또는 움직임의 속도가 각 솔버 반복의 시간 단계 크기를 결정합니다.

• 대규모 진동 변형

유체력의 변화가 구조물의 고유 진동수를 여기시키면 시스템은 대규모 진동을 경험할 수 있습니다. 이러한 진동은 유체 흐름이 시스템에 더 많은 에너지를 추가함에 따라 더욱 커질 수 있습니다. 공기역학자는 이러한 유형의 결합을 공탄성이라고 합니다. 

타코마 내로우즈 다리 붕괴는 공기역학적 하중이 구조물에 진동을 일으켜 결국 구조물이 파손된 사례입니다.

• 강체 운동

복잡한 양방향 FSI는 변형되지 않지만 운동량을 가진 구조적 구성 요소에서도 발생할 수 있습니다. 이러한 강체 운동에도 양방향 결합과 유체 영역의 리메싱이 필요합니다. 

• 물체 하중에 의한 변형

중력이나 전자기장으로 인한 물체 하중과 열 변형은 FSI 시스템에 영향을 미치는 고체 영역을 변형시킬 수 있습니다. 액추에이터와 구동축도 구조적 영역에 하중을 가합니다. 생물학적 시스템에서는 근육의 이완과 수축이 체내 유체를 이동시킵니다. 엔지니어는 FSI 모델에서 모든 물체 하중을 이해하고 고려해야 합니다.

FSI에 영향을 미치는 기타 물리 현상

시뮬레이션에 유체 또는 구조 영역에 다른 하중이 포함되면 FSI 시스템은 더욱 복잡한 Multiphysics 시뮬레이션이 됩니다. 대표적인 예로 유체 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS) 장치가 있습니다. 이러한 장치는 전기, 정전기, 자기, 열, 유체 및 구조 물리를 하나의 장치에 결합하여 작동합니다.

엔지니어가 FSI 연구에 가장 일반적으로 추가하는 물리는 복합 열 전달입니다. 이 유형의 시뮬레이션은 CFD로 계산된 온도와 속도를 사용하여 고체 영역과 유체 영역 사이의 열 흐름을 결정합니다. 

FSI는 여러 산업 분야의 다양한 시스템에서 발생하지만, 유체 흐름이 제품에 필수적인 몇몇 산업이 특히 주목을 받고 있습니다. 다음은 FSI가 견고성 향상 및 성능 최적화에 중요한 역할을 하는 산업 분야입니다.

항공 우주

여객기 창밖으로 날개의 움직이는 구조를 본 적이 있다면, 큰 변형을 동반하는 양방향 FSI 결합을 목격한 것입니다. 항공 우주 산업은 대기권을 통과하는 많은 장치를 생산하기 때문에 FSI는 이러한 장치의 설계 및 유지 관리에 필수적인 요소입니다. 항공 우주 차량이 음속보다 빠르게 비행하고 충격파가 발생하여 상당한 힘이 발생할 때 유체와 고체 영역 간의 상호 작용은 더욱 중요해집니다.

엔지니어가 중요하게 생각하는 항공 우주 분야의 일반적인 FSI 예는 다음과 같습니다.

• 날개의 공탄성
• 예비 연료 탱크 및 항공기에서 떨어지는 무기와 같은 물체의 강체 운동
• 공중에서 물체의 탄도 궤적
• 조종면의 하중
• 낙하산 및 패러포일의 팽창
• 연료 탱크 내 연료의 슬로싱
• 로켓 노즐에 작용하는 음향 및 공기역학적 하중

자동차

자동차도 대기를 통과하며 구동 및 공조 시스템을 통해 액체와 기체를 순환시킵니다. 선루프가 있는 차를 운전해 본 적이 있다면 특정 속도에서 흔들리는 소리를 들었을 때 FSI를 경험한 것입니다. 자동차 산업에서 대부분의 FSI는 자동차 구조가 일반적으로 강체이기 때문에 단방향입니다.

생물 의학

인체는 많은 구조적 구성 요소가 유연하게 움직이는 복잡한 유체 구조 시스템입니다. 심장 내벽과 심장 판막은 자연계에서 FSI를 보여주는 훌륭한 예입니다. 심장 근육은 수축과 이완을 통해 심장 내벽의 부피를 변화시켜 혈압을 높이고 혈액이 심장 판막을 통과하도록 합니다. 심장 판막은 혈류를 허용하거나 차단하기 위해 열리고 닫히는 유연한 판막엽으로 구성되어 있습니다. 심장 내 압력이 상승하면 판막이 열리고 압력이 하락하면 닫힙니다. 

PyAnsys-Heart 툴을 사용한 인간 심장의 생의학 FSI 시뮬레이션의 예

토목 구조물

건물, 교량 및 기타 토목 구조물은 바람 및 물과 상호 작용하며 FSI를 나타냅니다. 매우 높은 건물은 강풍에 흔들릴 뿐만 아니라 움직이면서 바람의 방향을 바꾸기 때문에 양방향 FSI가 발생합니다.

친환경 기술

친환경 기술 제품에서 FSI의 가장 일반적인 두 가지 예는 태양광 패널과 풍력 터빈의 작동 방식입니다. 태양광 패널은 패널이 움직이지 않고 강체일 경우 단방향 FSI 결합을, 패널이 휘어지거나 액추에이터를 사용하여 위치를 조정할 수 있을 경우 양방향 FSI 결합을 나타냅니다. 풍력 터빈 블레이드는 유연하며 중력과 풍하중으로 인해 휘어지고, 바람 방향에 맞춰 회전합니다.

터보 기계

터보 기계를 통과하는 공기 또는 증기는 장치 내부의 고정 및 회전하는 고체 구성 요소 모두와 상호 작용합니다. 엔지니어는 FSI 시뮬레이션을 사용하여 공탄성, 강제 진동, 밸브 및 씰을 평가합니다. 터보 기계의 FSI 연구는 속도, 온도 및 압력이 높기 때문에 복잡합니다.

유체 시스템

많은 제품에는 장치 또는 기계를 통해 액체와 기체의 흐름을 제어하는 시스템이 있습니다. 유체 시스템에 사용되는 대부분의 밸브, 씰, 센서 및 펌프는 적어도 단방향 FSI를 경험하며, 의도된 작업을 수행하기 위해 양방향 FSI 결합을 사용할 수 있습니다.

FSI 시뮬레이션은 사용자가 최적의 설정과 실행을 해야 하는 두 가지 서로 다른 물리 현상을 모델링해야 하고, 이러한 물리 현상의 결합을 처리하는 것이 복잡하기 때문에 어렵습니다. 다음은 가장 일반적인 과제와 이를 극복하기 위한 몇 가지 권장 사항입니다.

각 물리에 적합한 툴 선택

FSI 시뮬레이션을 수행할 때 가장 먼저 고려해야 할 사항은 적합한 CFD 및 FEA 시뮬레이션 툴을 선택하는 것입니다. 사용자는 사용하기 쉽고, 유체 영역의 거동을 포착하는 데 적합한 수치 해석 방법을 갖추고 있으며, 효율적으로 해석하고, FSI를 지원하는 유체 시뮬레이션 툴이 필요합니다. 예를 들어, 터보 기계 분야의 사용자는 대개 해당 산업에서 강력한 기능을 제공하는 Ansys CFX 전산 유체 역학 소프트웨어를 선택합니다. 다른 유형의 문제를 모델링하는 엔지니어는 다양한 난류 모델, 강력한 메싱 및 리메싱 기능, 고급 CFD 기능을 제공하는 Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어에 중점을 두는 경향이 있습니다.

구조적인 측면에서 사용자에게는 선형 및 비선형 고체 재료와 형상을 정확하게 모델링하고 정교한 하중 기능과 업계에서 가장 광범위한 기능을 제공하는 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석 소프트웨어와 같은 강력한 범용 플랫폼이 필요합니다. 사용자는 단방향 및 양방향 FSI 모델링을 모두 지원하는 사용하기 쉽고 프로그래밍 가능한 사용자 인터페이스를 갖춘 툴로 작업해야 합니다.

독립적인 물리 현상을 연결하는 포괄적인 툴의 좋은 예는 Ansys System Coupling 물리 솔버 연결 소프트웨어입니다. 이 소프트웨어는 단방향 및 양방향 결합, 스크립팅, 데이터 매핑 및 데이터 교환 기능을 제공합니다. 이 소프트웨어는 유체와 고체 상호 작용을 지원하므로 이러한 특정 유형의 시스템 결합을 시뮬레이션하는 엔지니어에게 선도적인 툴이 됩니다.

유체 및 구조 분야에 대한 전문 지식 보유

유체 시뮬레이션과 구조 시뮬레이션은 매우 다르며, CFD 및 구조 시뮬레이션에 사용되는 툴도 서로 다릅니다. 일부 엔지니어는 두 분야 모두를 깊이 이해하고 있지만, 일반적으로 한 분야에 강점을 가진 엔지니어는 다른 분야에 대해서는 피상적인 지식만 가집니다. 이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 Ansys와 같이 동일한 공급업체의 두 가지 툴을 모두 선택하는 것입니다. Ansys는 사용자가 두 가지 물리 법칙을 빠르게 습득할 수 있도록 포괄적인 교육 강의와 웨비나를 제공합니다. 또한 툴 세트가 Ansys 소프트웨어용 파이썬 액세스 툴인 PyAnsys와 같은 스크립팅 기능을 제공하는 경우 전문가가 두 가지 물리 법칙 모두에 대한 자동화를 설정할 수 있습니다. 

그러나 해당 분야의 전문성을 확보하는 가장 좋은 방법은 자신이 잘 모르는 분야의 전문가와 팀을 이뤄 협력하는 것입니다. 그런 다음, Ansys Minerva 시뮬레이션 프로세스 및 데이터 관리 소프트웨어와 같은 시뮬레이션 데이터 관리 툴을 사용하여 협업하고 모델 및 실행을 추적할 수 있습니다.

단방향 및 양방향 결합 중에서 선택

특정 FSI 문제에 단방향 결합이 필요한지 양방향 결합이 필요한지 명확하지 않은 경우가 있습니다. 확신이 서지 않을 때는 단방향 결합부터 시작하는 것이 가장 좋습니다. 단방향 결합이 더 간단하고 효율적이기 때문입니다. 양방향 결합이 필요하다는 것이 밝혀지면, 그때 변경하면 됩니다.

수치적 불안정성 처리

일부 FSI 상황은 불안정할 수 있으며, 모델이 잘못된 메시 또는 설정으로 구성되어 수렴하지 않을 수 있습니다. 이러한 상황에서는 Ansys 포트폴리오와 같이 다양한 수치적 안정화 방법을 제공하고 포괄적인 교육 및 지원을 제공하는 툴을 사용하는 것이 가장 좋습니다.

충분한 컴퓨팅 리소스 확보

CFD 시뮬레이션 자체에도 계산 비용이 많이 듭니다. 구조적 FEA 실행과 결합할 경우, 특히 양방향 암시적 결합의 경우 상당한 양의 리소스를 소모할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 병렬 처리 및 GPU를 활용하여 확장성이 뛰어난 고성능 컴퓨팅을 지원하는 솔버(예: Ansys CFX, Fluent 및 Mechanical)를 선택해야 합니다. 또한 필요할 때 필요한 용량을 제공하는 Ansys Cloud와 같은 클라우드 기반 HPC 리소스를 활용하는 방안도 살펴보십시오.

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