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CFD: 회전 기계

이 튜토리얼에서는 회전 프레임(MRF) 유동 영역 안의 프로펠러를 정상상태 CFD로 해석합니다. 샘플 형상을 확인하고 회전 영역을 만들고, 유입 유동과 RPM을 설정한 뒤, 프로펠러 표면·후류·성능 리포트를 차례로 확인합니다.

회전 기계 튜토리얼 시작 화면

학습 내용​

  • 준비된 propeller_sample.step 형상 확인
  • 블레이드 주변 회전 유체 영역 생성
  • 풍속, 받음각, 회전축, 방향, RPM 설정
  • 메쉬와 해석 실행 및 수렴 확인
  • 전체 유동·프로펠러 표면·저장 단면의 결과 비교
  • 유선과 리포트로 추력·토크·수렴 상태 해석

워크벤치의 튜토리얼 패널은 현재 단계의 필드를 강조하고, 필요한 항목을 모두 완료해야 Next를 활성화합니다.

1. Geometry: 프로펠러 확인​

회전 기계 Geometry 단계

  1. propeller_sample.step가 불러와졌는지 확인합니다.
  2. 모델 트리에 Sample_Propeller Assembly, Sample_Propeller Blade, Sample_Propeller Hub가 표시되는지 확인합니다.
  3. 3D 뷰를 회전하여 블레이드와 회전축 방향을 확인합니다.
  4. Next: Model을 클릭합니다.

이 단계는 준비 상태 확인 단계이므로 CAD의 크기나 형상을 변경하지 않습니다.

2. Model: 회전 영역 생성​

회전 영역과 공기 물성

블레이드 주변에는 원통형 MRF 영역을 만들고, 그 밖의 유동 영역은 정지 상태로 둡니다. 튜토리얼 값을 다음과 같이 유지합니다.

  • Center: X = 0, Y = -0.0003, Z = 0 m
  • Inner radius / propeller radius: 2
  • Inner height / propeller radius: 0.5
  • Inner fluid: Air

입구·출구와 회전 화살표가 표시된 회전 영역

파란 원통이 회전 영역이고 녹색 곡선 화살표가 회전 방향입니다. 블레이드 끝이 인터페이스에 닿지 않도록 여유를 확보합니다. 맞지 않으면 Auto-fit from geometry를 사용한 뒤 미리보기에서 확인합니다.

3. Physics: 유동과 회전 조건​

다음 값을 입력합니다.

  • Wind speed: 12 m/s
  • Angle of attack: 5°
  • Rotation axis: Y
  • Direction: CCW
  • RPM: 2500

유동 및 회전 조건

파란 유선은 유입 속도, 녹색 링은 회전 방향을 뜻합니다. 축이나 방향을 반대로 설정하면 토크의 부호와 후류 방향이 달라지므로 실행 전에 반드시 확인합니다.

4. Solve: 실행과 수렴​

회전 기계 Solve 설정

  1. Accuracy를 3으로 설정합니다.
  2. Simulation Acceleration을 1x로 설정합니다.
  3. Mesh는 Auto – accuracy-based를 유지합니다.
  4. Run Simulation을 클릭합니다.

메쉬·실행 카드·잔차 수렴

실행 중 Residuals를 열어 잔차가 감소하고 안정되는지 확인합니다. 잔차만으로 판단하지 말고 최종 유동장과 힘의 이력도 함께 확인합니다.

5. Results: 결과 필드​

프로펠러 표면 압력과 결과 트리

먼저 Body (surface) 아래의 Pressure를 선택하여 블레이드 압력 차이를 확인합니다. 이후 전체 결과에서 Velocity, Turbulence, Vorticity, Wall Shear Stress를 비교합니다.

  1. 분석할 객체 아래의 필드를 선택합니다.
  2. 눈 아이콘으로 유동 영역이나 바디를 숨겨 결과를 분리합니다.
  3. 색상만 보지 말고 범례의 수치를 읽습니다.
  4. 서로 다른 실행을 비교할 때는 같은 카메라와 범위를 사용합니다.

6. 단면과 유선​

Cut으로 유동 내부를 확인할 단면을 만들고 저장합니다. 저장된 단면은 결과 트리에 독립 항목으로 추가되며 원래 결과와 같은 필드를 가집니다.

회전 유동의 유선

  1. Streamline을 켭니다.
  2. 속도 벡터 필드를 선택합니다.
  3. 로터 앞쪽에 선 또는 구 시드를 배치합니다.
  4. 개수, 반지름, 최대 길이를 조정합니다.
  5. Play를 눌러 후류의 이동과 회전을 확인합니다.

후류가 로터의 뒤쪽으로 이동하고 회전 성분을 보여야 합니다. 반대 방향으로 움직이면 유동 방향과 회전 방향을 다시 확인합니다.

7. Report: 성능과 수렴​

회전 기계 성능 리포트

예시 리포트에는 CT ≈ 0.172, CQ ≈ 0.010, FM ≈ 0.877이 표시됩니다. 형상·RPM·풍속·메쉬가 바뀌면 값도 달라집니다.

핵심 성능 지표

  • Thrust coefficient (CT): 무차원 추력 계수
  • Torque coefficient (CQ): 회전에 필요한 무차원 토크 계수
  • Figure of merit (FM): 추력 중심 계산의 효율 지표

힘과 모멘트 분포

힘·모멘트 차트는 압력 성분과 점성 성분을 축별로 보여주며 반복 이력을 제공합니다. 최종 값을 비교하기 전에 이력 곡선이 충분히 평탄해졌는지 확인합니다.

확인 사항​

  • 실행 전에 회전축과 방향을 확인합니다.
  • 회전 영역이 블레이드 끝과 허브를 충분히 감싸는지 확인합니다.
  • CT·CQ·FM 비교 시 RPM, 풍속, 기준 크기, 메쉬 조건을 동일하게 유지합니다.
  • 화면의 수치는 예시 결과이며 모든 CAD에 적용되는 기준값이 아닙니다.