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NFX 생성 편집

[NFX] 복합열전달 해석에서, (접촉 vs 절점병합) 어떤 것이 더 정확할까?

상황에 따라 차이가 있기 때문에, "항상 이게 정확도가 더 높다!"라는 방식으로는 구분되지 않습니다.

 

필요한 곳에 충분히 조밀한 요소망 생성이 되었다면 절점병합이 유리하고, 그렇지 않은 경우에는 접촉이 유리합니다.

 

0. 접촉과 절점 병합의 차이

수치해석 원론적인 풀이 방법만 생각한다면 정확도는 절점 병합이 더 좋습니다.

절점 병합 설정 시에는 노드가 이어져 있어서 별도의 설정 없이도 이웃한 노드로 값을 연속적으로 잘 전달합니다.

하지만 접촉 설정을 하면 노드가 서로 떨어져 있어서 각 노드에 계산된 값을 넘겨줄 때 보간으로 연속성을 확보해야 하며, 이 과정에서 오차가 소량 발생합니다. 

하지만 여기에 열유동에 대한 고려가 추가된다면 단순히 둘로 나누어 볼 수 없고, 정확도 측면에서 이야기가 달라집니다.

 

1. 고체-고체 접촉 조건

두 고체 사이에 아주 얇은 틈이 있는 경우,

형상의 크기는 밀리미터 수준인데 두 고체 사이에 존재하는 마이크로미터 또는 그보다 작은 수준의 공기 틈을 직접 형상을 만들게 되면, 절점 병합 방법으로 요소망을 짜면 요소 수가 너무 많아집니다. 

따라서 가상적으로 두 고체의 연결부위에 저항값을 고려하는 것이 효과적입니다.

→ 두 고체 사이의 틈새에 의한 열저항이 실제로 큰 상황이라면 고체-고체 접촉 조건을 사용하는 것이 정확도가 더 높습니다.

→ 틈새에 의한 열저항이 무시할만한 경우에는 절점병합이 정확도가 더 높습니다.

→ 많은 경우에 틈새에 의한 열저항은 무시하고 해석을 진행하며, 두 고체 사이로 전달되는 열전달량 값이 클수록 틈새에 의한 열저항의 영향은 작다고 보시면 됩니다.

 

2. 고체-유체 접촉 조건

이 조건의 필요성을 알기 위해서는 경계층에 대한 이해가 필요합니다.

고체와 유체 사이의 열전달 양상은, 대부분 유체 흐름 양상에 의해서 결정됩니다.

유체는 벽면에서 속도가 0이며 벽면에서 아주 조금만 멀어져도 평균 속도 값에 급격히 가까워지므로 그 값의 크기 변화(구배)가 아주 큽니다. (구배가 거의 0이 되기까지의 벽면으로부터의 영역을 경계층이라 합니다)

카메라에서 화려하고 디테일한 색상 변화를 반영하기 위해서는 화소가 높아야 하는 것처럼, 값의 변화가 큰 경우에도 이를 반영하기 위해서는 조밀한 요소망 생성이 필요합니다.

하지만 모든 벽면 근처에 아주 작은 요소망을 생성하기는 쉽지 않습니다.

따라서 이 부분도 가상적으로 고려하게 된다면 요소 수를 아낄 수 있습니다.

→ 고체와 유체가 만나는 벽면 근처에 요소망을 조밀하게 구성할 경우에는 절점 병합이 정확도가 더 높습니다.

→ 벽면 근처에 충분히 조밀한 요소망을 생성하지 않는 경우에는 고체-유체 접촉 조건을 설정하는 것이 정확도가 더 높습니다.

→ 열저항 값을 얼마로 설정할지에 대한 고민이 한 번 더 필요하기 때문에, 가급적이면 벽면 근처에 요소망을 조밀하게 생성하고 절점 병합을 적용하는 것을 조금 더 권장드립니다.

→ 형상이 매우 복잡하여 요소 수가 너무 많아 어쩔 수 없는 경우에만 고체-유체 접촉 조건을 통해서 열적인 경계층 효과를 반영할 것을 권장합니다.

 

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