[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. 계룡시, 8월 1일 ‘2026 팥빙수 축제’ 개최
  2. 중수청 수사인력 충원 윤곽나오나… 대전중수청 직급별 인원은 아직
  3. [독자권익위원 칼럼] 클래리티 법안과 스테이블 코인
  4. 장윤기 사건 후속 전수조사 대전서 1건… 제한된 조사방식 한계
  5. 대전 중소병원 신축·확장 등 변화 잇달아…31년 전통 연합정형외과 '변화'
  1. ‘더위 조심하세요’
  2. 목원대 동문 웹툰, '김부장'·'광장' 잇단 흥행으로 경쟁력 입증
  3. 여름철 녹조가 미세플라스틱 가속화…KAIST 연구팀 연구논문
  4. 국세청, K-주류 세계화… 국가대표 술, 해외 진출 지원
  5. AI로 연구하고 발표까지…대전과학고 융합 탐구 캠프 운영

헤드라인 뉴스


`세종=행수` 합헌 전환점 맞나…"이 대통령도 합헌 결정 기대"

'세종=행수' 합헌 전환점 맞나…"이 대통령도 합헌 결정 기대"

2004년부터 22년간 제자리걸음인 '행정수도 이전' 위헌 논란, 올해는 끊어낼 수 있을까. 허허벌판 그 자체에서 우여곡절 끝에 행정중심복합도시로 성장한 세월은 합헌의 문턱을 가깝게 하고 있다. 43개 중앙행정기관과 15개 국책연구기관 이전이 마무리됐고, 앞으로 7년 이내 대통령 집무실과 국회 세종의사당 시대도 열리기에 충분한 명분도 갖췄다. 정치권과 학계의 인식도 부정과 중립에서 긍정으로 점점 바뀌어 가고 있다. 위헌 논란 극복의 선결 조건은 하반기 국회에서 행정수도특별법이 제정되는 데 있다. 이후 다시 위헌 시비에 휘말려도, 합..

충청서 첫 성적표 받는 與 당권주자들…충청 현안 해결 약속할까
충청서 첫 성적표 받는 與 당권주자들…충청 현안 해결 약속할까

더불어민주당 전당대회 첫 순회경선지인 충청권 순회경선을 하루 앞둔 가운데 당권 주자들의 시선이 충청권으로 쏠리고 있다. 김민석·정청래·송영길 후보가 연일 충청권을 찾으며 당심 공략에 나선 가운데 지역에서는 이번만큼은 실질적인 현안 해결로 이어져야 한다는 목소리가 커지고 있다. 민주당은 8월 1일 대전컨벤션센터(DCC)에서 '2026 대전광역시당 정기당원대회'와 '당대표·최고위원 후보자 충청권 순회경선 합동연설회'를 잇따라 개최한다. 앞서 28일부터 31일까지 나흘간 충청권 권리당원 투표를 진행해 1일에 충청권 투표 결과와 함께 대전..

집중호우 뒤 폭염 덮친 밥상… 충청권 잎채소값 `껑충`
집중호우 뒤 폭염 덮친 밥상… 충청권 잎채소값 '껑충'

7월 중순 집중호우에 이어 폭염까지 겹치면서 잎채소를 중심으로 농산물 가격이 가파르게 오르고 있다. 특히 이번 집중호우로 전국 농작물 침수 피해가 충청권에 집중된 만큼 지역 산지의 생산 차질이 이어지며 당분간 소비자들의 장바구니 부담도 커질 것으로 전망된다. 29일 한국농수산식품유통공사(aT) 농산물유통정보(KAMIS)에 따르면 전국 평균 소매가격 기준 청상추(100g)는 1567원으로 한 달 전(1083원)보다 약 44.7% 올랐다. 열무(1㎏)는 3195원으로 전월(2323원) 대비 37.5% 상승했고, 오이(10개)는 1만66..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 한성숙 총리, ‘충청권을 반도체 성장축으로’ 한성숙 총리, ‘충청권을 반도체 성장축으로’

  • 민선9기 재정혁신 발표하는 허태정 대전시장 민선9기 재정혁신 발표하는 허태정 대전시장

  • ‘더위 조심하세요’ ‘더위 조심하세요’

  • ‘여름 휴가 떠납니다’ ‘여름 휴가 떠납니다’