공개 라이브러리 기반 실내 공조 맞춤형 전산모사 시스템 개발 논문자료

공개 라이브러리 기반 실내 공조 맞춤형 전산모사 시스템 개발
Customized Aerodynamic Simulation Framework 
for Indoor HVAC Using Open-Source Libraries

밀폐된 공간내의 공조 문제에 있어서 실내의 기류 및 온도 특성을 전산유체역학기법을 통해 쉽게 예측할 수 있는 맞춤형 시뮬레이터를 개발하였다. 본 시스템에서는 사용자가 직접 해석 대상 평면도를 입력하고 적절한 경계조건을 설정하면 전산유동해석을 위한 계산 격자가 자동으로 생성되고 유한체적법으로 이산화된 공개 전산유체코드를 통해 주어진 공간내의 열유체 해석 결과를 얻게 된다. 초기 실내 평면도면 입력부터 경계조건 설정, 전산유동해석 결과까지 하나의 사용자 인터페이스 상에서 작업할 수 있으며 격자생성과 유동해석 알고리듬은 공개 라이브러리를 사용하여 구현하였다. 간단한 실험 데이터를 통해 해석결과를 검증하였으며 실제 실내 공조에 대한 기류해석을 통해 유동의 경향성을 파악할 수 있는 맞춤형 유동전산모사 시스템을 구성하였다.

---

연구 주제

 

1. 문제 정의

본 연구논문에서는 실내공조분야에 있어서 CFD 작업을 간소화할 수 있는 자동화 시스템에 대한 소개와 오픈라이브러리를 활용한 개발 내용 그리고 앞으로의 개발 진행 방향을 논의하고 본 시스템을 통해서 구현할 수 있는 유동 특성에 대해 논하고자 한다.

본 연구를 통해 건축 설계 분야 뿐만 아니라 공조, 냉난방기기 제조분야에서도 활용할 수 있도록 평면 설계 데이터를 바로 사용할 수 있으며 실내의 기류 특성을 반영 할 수 있는 유동경계조건을 CFD의 기본적인 지식이 없이도 사용자가 쉽게 설정할 수 있는 인터페이스를 개발하였다.

또한 작은 규모의 문제부터 HPC를 활용한 큰 규모의 문제까지 다룰 수 있는 다목적의 실내공조 CFD 시뮬레이터를 개발하고자 한다.

2. 가설 설정

공간 격자를 쉽게 생성하기 위해 바닥 평면과 천정이 동일하다고 가정하였다.

입구에 유입되는 공기의 온도는 20도씨이며 유동 영역내의 기류는 등온으로 가정하였다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

이후 자동으로 유동해석용 격자를 생성하고 사용자가 입력한 급배기구 및 창문의 유무를 경계조건으로 반영하여 입력된 실내공간 정보에 대한 공기역학 시뮬레이션을 수행하고 공간내의 유동 현상을 가시화한다.

바닥 평면에 대한 2차원 격자의 생성은 전자기장 해석에 주로 적용되어온 Finite Element Method Magnetics(이하 FEMM) 공개 프로그램을 사용하여 구현하였다.

또한 격자의 품질과 해석의 정확성을 확보하기 위해 최소 내각의 크기를 제한할 수 있도록 알고리듬을 수정하였으며 2차원 평면상의 꼭지점 부근에서 자동으로 격자를 밀집시킬 수 있는 기능을 포함하였다.

천정에 흡기구와 배기구가 설치된 일반 사무실에 대한 유동해석을 개발된 시스템으로 유동해석을 수행하였다.

평면도에서 FEMM 2D 격자 생성 라이브러리와 OpenFOAM 유틸리티를 사용하여 3D 격자를 생성하고 부력효과가 포함된 OpenFOAM solver로 CFD 해석을 수행하였다.

공개 오픈소스 라이브러리를 활용하여 실내공간 내부의 기류 특성을 CFD를 통하여 구현하고 설계자들이 쉽게 CFD 기술을 사용할 수 있도록 전처리 및 유동해석을 하나의 단일 환경에서 수행할 수 있는 실내공조 맞춤형 CFD 자동화 프레임워크를 개발하였다.

소프트웨어 라이센스 비용을 줄이기 위해 현재 전세계적으로 많이 사용되고 있는 공개 전산유동해석 라이브러리인 OpenFOAM을 유동해석기로 채택하였고 2차원 평면 데이터를 직접 읽어 들이고 유동해석을 위한 격자를 자동으로 생성할 수 있도록 FEMM의 격자 생성 모듈을 사용하였다.

2. 데이터처리

간단한 기류 해석 결과를 검증하기 위하여 단열 공간에서의 공기의 속도 분포를 실험 결과와 비교하였다.

CFD 해석결과의 검증을 위해 x=H, x=2H 위치에서 가운데 대칭면(z=0)을 기준으로 y축 x성분 속도와 바닥면 근처(y=H-h/2)에서의 x축 x성분 속도를 계산하여 실험값과 비교하였으며 비교 결과를 Fig. 10에 나타내었다.

3. 이론/모형

OpenFOAM solver는 일반적으로 유체 유동의 기본 방정식인 질량 보존(식 (1)), 운동량 보존 (식 (2)) 및 에너지 보존(식 (3)) 방정식을 풀게 되며 본 시스템에서의 난류 모델로는 k-ε 모델을 사용한다.

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

FEMM의 주요 특징 중 하나로 건축 평면도의 주요 CAD 포맷인 DXF 포맷을 바로 입력값으로 읽을 수 있으며 이 DXF 포맷의 바닥 평면정보에 자동으로 2차원 삼각형 격자를 생성할 수 있다는 것이다.

2. 후속 연구

그러나 정성적인 유동의 경향성은 잘 예측하고 있으며 일반적으로 실내공간의 유속은 크지 않으므로 흡배기구, 창문 등의 위치 변화에 따른 유동의 상대적인 변화를 조사하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

향후 혼합 가스, 복사열, 물질 전달과 같은 CFD 모델을 추가하여 다양한 실내 공간에서의 유동 현상을 구현할 계획이다.

본 실내 공조 해석 자동화 시스템을 통해 현장 개발자들이 모델링 및 시뮬레이션 기술을 통해 보다 과학적으로 제품을 개발할 수 있는 토대를 마련할 수 있을 것으로 기대한다.

---

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201712835103454

[논문]공개 라이브러리 기반 실내 공조 맞춤형 전산모사 시스템 개발