터보 기계 시뮬레이션을 위한 엔지니어 가이드 I
성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술 (15)
터보 기계는 흐르는 유체와 회전하는 요소 사이에서 에너지 전달이 일어나는 기계에 초점을 맞춘 기계공학의 한 분야이다. 이러한 장치는 많은 산업 분야에서 중추적인 역할을 한다.
이번 호에서는 성능 최적화, 안전성 보장, 효율성 향상을 위한 정확한 시뮬레이션의 중요성을 강조하면서 터보 기계 시뮬레이션의 복잡성에 대해 살펴본다.
■ 자료 제공 : 나인플러스IT, www.vifs.co.kr
오늘날의 기술 중심 세계에서는 터보 기계의 동작을 정확하게 예측하는 것이 무엇보다 중요하다. 이를 통해 항공기 추진 시스템에 결함이 없고, 에너지 시스템은 최소한의 낭비로 최대 출력을 제공하며, 전 세계 산업은 수요에 따라 흔들리지 않는 기계에 의존할 수 있다. 하지만 이러한 노력은 간단하지 않다. 여러 층의 복잡성, 기본 원리에 대한 이해, 고급 계산 기술의 적용이 필요하다.
이번 호부터 소개할 가이드에서는 터보 기계의 시뮬레이션 프로세스를 설명하고자 하는데, 이론적 토대와 실제 적용 사례를 모두 조명하는 것을 목표로 한다. 내용은 풍부하고 상세하지만, 전문성을 향상하고자 하는 전문가, 한계를 뛰어넘고자 하는 연구자, 핵심을 파악하고자 하는 초보자를 위해 명확하게 구성되어 있다.
향후 연재할 가이드를 통해 터보 기계 시뮬레이션의 원리, 방법론, 향후 발전 방향에 대해 살펴본다. 단순한 지식 전달을 넘어 이 분야에 대한 깊은 이해를 심어주는 것이 목표이다.
터보 기계의 기초
터보머신을 시뮬레이션하려면 유체 역학 및 열역학에 대한 기본적인 이해가 필요하다. 이 장에서는 이러한 정교한 기계의 시뮬레이션을 안내하는 핵심 원리, 터보 기계의 유형 및 주요 구성 요소에 대해 설명한다.
기본 원리
터보머신의 핵심은 로터라고 하는 회전 메커니즘을 통해 에너지를 전달하는 장치를 말한다. 공기, 증기, 물, 휘발유, 디젤, 고온 가스 등 지속적으로 흐르는 유체가 회전하는 구성 요소(예 : 블레이드, 베인, 임펠러)와 상호작용하여 유체에서 에너지를 추출하거나 유체에 전달한다. 이러한 에너지 전달은 유체 속도, 압력, 때로는 온도의 변화로 나타나며, 기계적 작업 결과물 또는 유체 에너지의 증가로 이어진다. 디지털 시대에는 전산 유체 역학(CFD)이 터보 기계를 시뮬레이션하는 주요 수단 이 되었다.
많은 CFD 소프트웨어는 다음에 정의된 유체 운동에 보존 법칙을 적용하여 도출된 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 기반으로 한다.
질량 보존(연속성 방정식) : 이 법칙은 닫힌 시스템에서는 질량이 생성되거나 소멸될 수 없다는 것을 말한다. 유체의 경우, 이는 질량이 부피에 들어오는 속도와 부피에서 나가는 속도가 같아야 하며, 부피 내에 축적된 질량은 모두 같아야 함을 의미한다. 이 원리는 연속성 방정식으로 이어진다.
운동량 보존(뉴턴의 운동 제2법칙) : 유체에 적용되는 뉴턴의 제2법칙으로, 유체 요소의 운동량 변화율은 그 요소에 작용하는 힘의 합과 같다는 것을 말한다. 이러한 힘에는 유체 요소의 표면에 작용하는 압력 힘과 유체 내의 점성 응력이 모두 포함된다. 운동량 보존 법칙이 유체에 적용되면 운동량 방정식이 성립한다.
에너지 보존(열역학 제1법칙) : 이 법칙에 따르면 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없으며, 한 형태에서 다른 형태로만 전달되거나 변환될 수 있다. 유체 역학에서 이 보존 법칙은 전도, 대류 및 유체 내의 열원이나 흡원으로 인한 열 에너지 전달을 설명하는데 적용된다. 비압축성(밀도가 일정한) 및 등온성(온도가 일정한) 흐름의 경우 열 효과는 나비에-스토크스 방정식에 나타나지 않는 경우가 많다. 그러나 압축성 및 비등온성 흐름의 경우 에너지 방정식을 나비에 스토크스 방정식과 결합하여 유체 내의 온도장 및 열 전달을 설명할 수 있다.
이 세 가지 보존 법칙은 나비에-스토크스 방정식의 핵심을 이루며 편미분 방정식으로 표현된다. 나비에-스토크스 방정식은 특히 복잡한 경계 조건의 경우 해석적으로 풀기 어려운 경우가 많다. 따라서 근사 해를 구하기 위해 수치적 방법을 자주 사용한다. 나비에-스토크스 방정식을 수치적으로 풀면 터보 기계 내부의 유체 흐름 특성에 대한 통찰력을 얻을 수 있다.
그림 1. 다단 원심 컴프레서의 계산 모델에서 흐름이 간소화된다.
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작성일 : 2024-11-04
