열전달해석의 대표적인 사례 중 하나는 방열설계입니다.
아래 그림과 같은 핀타입으로 많이 사용하기도 하고 수냉식이나 강제공냉식등 다양한 방식이 존재합니다.
MESHFREE 를 이용하여 구조열전달해석을 할 때 열의 흐름 정의를 위해 우리는 공기와 맞닿는 부분에 대류조건을 정의합니다.
하지만, 방열핀의 개수가 증가함에 따라 열간섭 현상이 발생하면 실제 현상과 오차가 크게 발생할 문제소지가 있습니다.
아래와 같이 열이 간섭되는 구간이 발생할 시 구조해석상에서 이상적으로 계산되는 이론값과 실제 현상과의 오차가 발생합니다.
핀 개수 증가에 따라 해석을 진행해보는 경우 아래와 같이 일정개수 이상부터 열간섭효 과에 의해 온도가 감소추세가 아닌 증가추세가 발생할 수도 있는 것입니다.
핀의 간격, 개수, 재질, 주변 유동장의 속도 등 다양한 변수가 요인이 되기 때문에 이상화된 하나의 공식이나 자료 제작이 불가한 사항입니다.
실험값 기반으로 구조해석에 반영할 대류값을 추정해서 적용하면 설치조건에 대한 해석은 가능하나 위의 변수들이 변경될 시 값의 오차가 다시 발생할 수 있습니다.
핀 간격이 러프한 경우 구조해석으로 진행해도 무방할 듯 하며, 촘촘한 경우는 열간섭현상 발생확률이 커서 유의해야 합니다.
형상적으로 열간섭이 발생할 수 있는 구간에서는 열유동해석이 필수로 요구되며, 구조해석과 큰 차이가 발생할 수 있다는 점을 이해하면 좋을 것 같습니다.
물론 일반적인 평판이나 하우징, 케이스에서 유속이 적은 공기에 노출된 경우 흔하게 사용하는 5~10 W/m^2K 값 등은 실험/유동해석과 매우 유사한 결과가 나옵니다.
실제 현상을 해석에 구현할 때 내 구조물이 과연 구조해석에 적합할 것인가에 대해 판단이 필요합니다.