[사이언스칼럼] 항공우주 산업에 활용되는 전산유체역학 시뮬레이션

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 항공우주 산업에 활용되는 전산유체역학 시뮬레이션

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

  • 승인 2022-09-22 16:56
  • 신문게재 2022-09-23 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
박상신
박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원
급속히 발전하는 컴퓨터의 성능과 시뮬레이션 기법의 진화를 통해 전산유체역학은 실험의 보조적인 수단을 뛰어넘어 이제는 다양한 산업 현장 및 연구 기관에 없어서는 안 될 중요한 부분으로서 그 입지를 굳건히 다지고 있다. 또한, 컴퓨터 계산속도의 향상과 전산유체역학의 지속적인 성능 개선은 복잡하고 다양한 시뮬레이션 조건을 복합적으로 고려해 물리·화학적 현상들을 예측하는 데 있어 정확도를 높이고 시뮬레이션 시간을 단축시키는데 크게 기여하고 있다. 특히 아음속 (0~ 0.27km/s) 에서 극초음속 (1.7km/s 이상) 까지 매우 넓은 속도영역과 다양한 고도에서의 비행체를 다루는 항공우주 산업은 가혹한 운용환경에서 무결성을 검증하기 위해 융합·공학기술력이 요구되는 매우 복잡한 최첨단 산업중의 하나이다. 이렇듯 항공기·엔진·우주발사체 등 높은 개발 비용과 위험성을 내포하고 있는 매우 정밀한 제품을 개발하기 위해 신뢰도 높은 엔지니어링 데이터가 필수적이다. 또한 성능과 안전성을 검증하기 위한 물리적인 실험은 많은 비용과 위험성이 존재하므로 세계 유수의 기업과 연구 기관에서는 제품의 성능 향상과 기술혁신을 위해 전산유체역학과 같이 효율적이고 정확한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 신뢰도 높은 엔지니어링 데이터를 저비용으로 확보하고 제품 개발의 검증에 활용하고 있다. 항공우주 산업의 공학기술은 가스터빈 엔진에서의 연소, 회전체의 유체·고체역학, 항공기 외부의 공기역학 등 다양한 물리현상을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 연료 소모의 최소화 하고 가벼우면서도 강하며, 안전하면서도 간편하게 기체를 설계하는 데 적극 활용 되고 있을 뿐만 아니라 최첨단 소재 부분의 복합재를 사용하여 동일 형상에서의 고체역학 및 구조적 안정성을 분석·검토하여 보다 안전한 재료의 최적 선택에도 활용되고 있다.

또한 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션은 항공기 및 우주발사체의 상세 설계 단계에서 공학자들은 제품의 강성과 형상에 따른 고유 진동수 및 그에 따른 형상의 변형 특성 그리고 중요한 특정 부분의 무게가 초과되어 나타나는 진동 특성을 파악할 수 있으며, 내·외부 충격으로 기인한 동적 변형량 또한 예측 가능하여 항공기 및 우주선이 비행 도중 발생할 수 있는 다양한 문제점들을 사전에 파악해 예방하고 최적화된 상세 설계를 진행 할 수 있다. 이러한 항공우주 산업에서의 전산유체역학 컴퓨터 시뮬레이션의 활용 및 적용 사례는 아래 그림에서 보는 바와 같이 항공우주 분야에서 다루는 모든 속도영역에 대한 정확한 내·외부 열유체 해석, 외부 장착물 분리 특성 해석, 터보기계 해석, 발사체 해석, 로터 및 프로펠러 동적해석, 공력소음 및 고속 압축성 유동 해석, 항공 전자장비 냉각 해석 등을 정확하고 효과적으로 수행하고 있다. 또한 화학반응 모델을 활용한 가스터빈 및 램제트 (Ramjet·마하 2.5~5 사이의 초음속에서 가장 효율적인 제트 기류) 등의 엔진 해석, 소음 및 진동에 의한 형상 변형이 큰 유체/구조의 연성 해석, 엔진 Blade에 열을 통과하는 유동 성능 해석이 수행 되어 지고 있다. 뿐만 아니라 헬리콥터 날개의 구동계와 같이 움직임이 있는 부분의 동적 성능 해석, 속도가 빠른 경량 구조물과 유체의 FSI (Fluid Structure Interactions·유체 및 구조의 상호 연관 해석), 항공기 전자장비 부품의 최적 설계 등등 그 활용 범위는 모든 영역을 아우르고 있다.

clip20220922114259
다양한 항공우주 산업에 활용되는 컴퓨터 시뮬레이션 적용 사례 (출처-태성에스엔이(TSNE), https://www.tsne.co.kr/pc/public/sub2/11-0-0.php)
이렇듯, 항공우주 산업에 최적화된 설계인자 도출에서부터 실제 운용에서 발생 할 수 있는 문제점들의 예측과 사전 예방까지 이 모든 공정에 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션이 가장 큰 역할을 담당하고 있다. 또한, 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션은 저비용으로 신속·정확한 엔지니어링 데이터를 확보하고 설계에 반영 할 수 있어 항공우주 산업의 연구개발에 필수적으로 활용되어 그 적용 범위가 극대화되고 있다. 박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. '금융위·개보위' 때늦은 세종 이전설… 행정수도 남은 퍼즐은
  2. "사방이 막힌다", 서산 석림6통 주민들, 40년 생활도로 통행권 대책 호소
  3. 과천 경마공원 부분 개발… 시민과 노동계 강력 반발
  4. 진주시, 진주성 밤을 빛으로 채운다
  5. "활옥동굴, 폐쇄보다 해법"…이동석 충주시장 '현장행정' 첫 시험대
  1. 논산딸기축제, ‘한국 대표 축제’ 특산물 부문 전국 1위 기염
  2. 대전시 노후계획도시 정비 주민 상담 지원…20일 2차 컨설팅
  3. 천안시 사회복지행정연구회, 11년째 따뜻한 마음 전해
  4. 막바지 피서객 몰린 계룡산 계곡
  5. 천안교육지원청, 을지연습 국민참여 안보퀴즈 이벤트 운영

헤드라인 뉴스


충남대·공주대 통합교명 ‘충남대’… 대전·공주에 통합본부 둔다

충남대·공주대 통합교명 ‘충남대’… 대전·공주에 통합본부 둔다

충남대학교와 국립공주대학교가 통합 대학의 교명을 '충남대학교'로 결정했다. 법적·행정상 대표주소는 대전으로 정하고 통합본부는 대전과 공주에 두기로 하면서 양 대학의 통합 논의가 구성원 동의 절차를 앞두게 됐다. 양 대학은 지난 13일 제3차 통합위원회를 열고 교명과 본부 위치 등 그동안 논의해 온 주요 쟁점에 대한 잠정 조정안을 마련했다. 통합 과정에서 교명은 양 지역의 이해관계가 맞물린 핵심 쟁점이었다. 특히 공주지역에서는 국립공주대라는 교명이 사라지는 데 대한 우려도 적지 않았다. 양 대학은 이번 통합교명에 대전과 충남을 아우르..

예타 막힌 대전 나노반도체 국가산단…몸집 줄여 재도전
예타 막힌 대전 나노반도체 국가산단…몸집 줄여 재도전

대전시가 산업단지 500만 평 조성 마스터플랜의 핵심이었으나 KDI 예비타당성 조사 문턱을 넘지 못한 '나노반도체 국가산단 조성사업'을 재도전한다. 산단 규모를 축소하고 입주 업종을 확대해 사업성을 확보할 계획이다. 산업단지 기반이 취약해 정부의 반도체 주요 정책에서 대전이 들러리 신세로 전락한 만큼 지역 산업 경쟁력 확보를 위해 속도를 내야 할 시점이다. 17일 중도일보 취재결과, 현재 대전시와 사업시행자인 한국토지주택공사(LH)는 나노반도체 국가 산단 조성사업 예비타당성 조사 연내 재신청을 위해 규모 조정 후 사업 계획을 보완..

10년 후 성장 디딤돌 `7대 프로젝트` 대덕특구 R&D 임무될듯
10년 후 성장 디딤돌 '7대 프로젝트' 대덕특구 R&D 임무될듯

10~20년 후 경제성장 동력이 될 정부의 7대 과학과제로 구성된 시드(SEED) 프로젝트가 대덕연구개발특구 연구기관이 이미 수행 중이거나 중요한 장래 목표를 다수 포함하면서 대덕특구가 다시 중요 역할을 맡을 전망이다. 과학기술정보통신부는 미래성장동력 7대 시드(SEED) 프로젝트를 최근 발표하고 소형모듈원자로(SMR)와 핵융합, 재생에너지 등을 양자, 우주항공, 첨단 바이오와 함께 장래 경제성장 동력 확보를 위한 프로젝트로 선정했다. SMR은 인공지능(AI) 확산과 데이터센터 전력 수요 급증, 탄소중립 목표 달성이라는 과제가 맞물..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 더불어민주당 신임 당 대표에 김민석 더불어민주당 신임 당 대표에 김민석

  • 민주당 전당대회서 고공 시위 민주당 전당대회서 고공 시위

  • 가을옷 입은 마네킹 가을옷 입은 마네킹

  • 광복절 연휴 마지막 날…고속도로 곳곳 정체 광복절 연휴 마지막 날…고속도로 곳곳 정체