성공적인 ‘열 모델(Thermal Model)’생성을 위해 고려해야 할 8가지

성공적인 ‘열 모델(Thermal Model)’생성을 위해 고려해야 할 8가지

안녕하세요.
다름을 디자인하다, 알테어입니다.

열 모델링(Thermal modeling)은 특히 까다로운 편인데요. 그 이유는 열 시뮬레이션을 수행하는 것은 매번 결과나 상황이 달라질 수 있기 때문입니다.

여러분이 직면한 문제로 인해 어려움들을 겪더라도, 여러분은 모델을 셋업할 때 마다 다음의 기본적인 몇몇의 질문들을 스스로에게 물어봐야 합니다. 만약 이러한 사항들에 대해 인지하고 있다면, 여러분은 보다 효과적인 모델을 만들고 시간을 절약할 수 있습니다.

그렇다면, “어떤 질문”들을 물어봐야 할까요?

[1] 내가 필요로 하는 열 모델이 얼마나 정확한가?
일반적으로 말하면, 시뮬레이션은 다음 세 가지 디테일한 단계를 거칩니다.

Level 1 : 모델의 유형은 여러분에게 직접적인 변화를 보여줄 수 있습니다. 만약 설계 디자인을 바꾸면 여러분은 온도의 증가 혹은 감소를 예측할 수 있습니다.

Level 3 : 실제적인 셋업 내에서 모사될 수 있는 시뮬레이션 결과들을 제공합니다.
만약 여러분이 문제에 부딪혔다면, 여러분은 디자인의 변화를 주어야 할 것입니다. 만약 얼마나 큰 디자인의 변화를 줘야하는 지 알아야 한다면, 여러분은 아마 반복 계산이 가능한 열 모델을 갖기를 원할 것입니다. Level 3 열 시뮬레이션을 모델화하는 데 시간을 들이는 것은 여러분이 새로운 디자인을 위한 종합적인 모델을 완성할 때에 한해 필수적입니다.

이러한 시뮬레이션 유형은 여러분의 포로토타입과 테스트 현상을 보다 예측 가능하도록 만들면서, 여러분이 모델로부터의 진실한 답을 얻도록 할 것입니다.

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[2] 나의 “관심 영역”은 무엇인가?
열 모델을 셋업할 때 여러분만의 흥미 분야를 고려하세요. 이를 위해서 여러분은 주요한 열원, 열 흡수원, 여러분이 시스템 내에서 발생할 것이라 예상하는 열 전달 경로를 포함하기를 원할 것입니다.

자동차에 대해 자동차의 하부가 만약 여러분의 관심 영역이라면 주요한 열 자원은 엔진, 라디에이터, 배기 시스템입니다. 주요 열 흡수원은 아마도 차체 주변의 잔잔한 공기의 움직임이 될 것이고, 열 전달 경로는 배기 시스템으로부터 나오는 복사열, 자동차 하부 공기로부터 나오는 열의 대류 등이 될 것입니다.

[3] 어떤 기하학적 구조를 포함해야 할까?
여러분이 풀고자 하는 문제에 관한 모든 것은 예측이 가능합니다. 그러나 일반적으로 여러분은 어떠한 것이든 열 대류 경로를 만들거나 차단하는 것을 원할 것입니다.
이 때 여러분은 주변의 구성요소들을 포함할 지, 안 할지를 선택할 수 있습니다.

[4] 기하학적인 구조가 얼마나 디테일해야 할까?
여러분의 메쉬가 얼마나 세밀한지 혹은 그렇지 않은지가 “결과”에 영향을 미칩니다. 형상이 복잡할 수록 시뮬레이션을 수행하는 시간이 길어집니다. 형상이 간단할 수록, 메쉬 작업이 줄어들고 더 적은 컴퓨팅 자원이 필요할 것입니다. 긴 모델을 가동할 때 많은 단계들이 계산되는 곳에서는 형상을 단순화하고 요소들을 줄이는 데 시간을 쓰는 것이 좋습니다. 그러나, 만약 주 목적이 짧은 모델을 상대적으로 빠르게 구동하는 것이라면, 형상을 단순화하는 데 추가적인 노력을 들일 필요가 없는 것입니다.

[5] 어떤 구성 요소를 포함해야 할까?
여러분의 관심 영역에서 여러분은 다음과 같은 적절한 요소들을 적용하기를 원할 것입니다.
-어떠한 요소로 구성이 되어있는지
-얼마나 두꺼운지
-방사율이 무엇인지
-어떤 경계 조건들이 여러분의 시나리오에 들어가는지

이러한 특징들이 얼마나 디테일해야 하는지는 무엇을 모델화하는지, 얼마나 정확하게 하고 싶은 지에 따라 달라집니다. 만약 여러분이 설계를 바꾸거나 두 가지 디자인을 비교하고자 한다면 여러분은 아마도 몇 가지 추정들을 고려하지 않을 것입니다. 하지만 만약 Level 3 시뮬레이션을 수행하고자 한다면, 가능한 정확성을 높이고 싶을 것 입니다.

[6] “어떻게” 열원을 셋업해야할까?
열 자원은 부과된 열 방출량과 열유속을 이용하는 데 활용 됩니다. 열원을 활용하는 최상의 방법은 1) 어떤 정보가 알려져 있는 지 2) 어떠한 단순화 작업이 모델 내에 형성되어 있는 지 이 두 가지에 따라 달라집니다.

예를 들어, 엔진 블록을 모델링하는 것을 살펴볼까요? 엔진에 의해서 얼마나 많은 열이 낭비 되는 지는 예상되는 “엔진 효율성”에 기반해 형성됩니다. 여러분은 주어진 열을 활용한 엔진을 모델화 할 수 있을 것입니다. 그러나, 냉각수, 배기가스, 표면의 열 전도 사이에 얼마 만큼의 열 소산이 발생했는지 알기는 힘듭니다. 이러한 경우 그 부분들의 온도의 예상치를 생각하는 편이 좀 더 수월합니다.

[7] 지속적인 시뮬레이션을 구동해야 할까, 일시적인 시뮬레이션을 구동해야 할까?
여러분은 지속적이거나 단기적인 시뮬레이션을 선택해 구동하는 것이 열 문제를 해결하는 데 가장 효과적이라는 점을 고려할 것입니다. 유람선 혹은 언덕 등반과 같은 몇몇의 시나리오들은 평형 상태에서도 충분히 예측이 가능합니다. 하지만 객실의 열을 높이거나, 내리는 것과 같은 시나리오에서는 단기적인 모델링이 반드시 가능해야 합니다.

Diesel particulate filter(DPF)의 재생처럼 단 시간에만 지속되는 것들을 위한 몇 몇의 경계 조건들이 있습니다. 이러한 시나리오에서는 필터의 표면 온도가 매우 뜨겁고, 주변의 구성요소들에 그 열기를 내뿜습니다. 만약 지속 상태 분석이 DPF 열 비율을 이용해 이루어진다면, 온도는 예측 치를 넘어버릴 것입니다.

이러한 경우 단기 시뮬레이션을 구동하는 것은 설계자들이 비용과 내구성에 있어서 최적화된 온도를 예측할 수 있도록 도울 것입니다.

[8] 어떤 환경에서 나의 시뮬레이션이 이루어질까?
때때로, 여러분은 변함없는 온도와 함께 틀 내에서 작업을 할 것입니다. 그러나, 여러분은 제품이 현실 세계에서 얼마나 타당성을 가지는 지 알고 싶을 것입니다. 자연적인 날씨 혹은 환경적 영향들은 제품의 열적 성능이 어떻게 수행되고 있는지에 영향을 미칠 수 있습니다.

이러한 질문들에 대한 답을 아는 것은 더욱 성공적인 시뮬레이션이 가능하도록 만듭니다. 여전히 그 과정은 복잡하지만, 결과적으로 산업 내에서는 항상 더 나은 프로세스를 만들어가고자 노력하고 있습니다. 어떠한 input 이 필요하고, 여러분이 모델화하고자 하는 대상의 디테일 수준(Level)을 명확하게 이해하는 것이 여러분이 보다 효과적이고 명확한 모델을 만들 수 있도록 도울 것입니다.

까다로운 열 모델 생성,
오늘 소개해드린 내용이 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바람입니다.

감사합니다, 알테어드림