Particleworks는 유체 시뮬레이션에서 기존 CFD 대비 무엇이 뛰어난가

유동 해석(CFD – Computational Fluid Dynamics)에서 FVM(Finite Volume Method)과 같은 전통적인 방법은 매우 중요하지만 극도로 많은 시간이 소요되는 단계인 메싱(meshing)을 요구한다. 메싱은 시간만 많이 드는 것이 아니라, 격자 오류, 수렴 오류, 높은 하드웨어 요구사항 문제를 처리하느라 프로젝트가 몇 주씩 지연되는 병목 구간이 되기도 한다.

Particleworks는 완전히 다른 접근 방식이다. 입자 기반 시뮬레이션(particle-based simulation)을 사용하여 유체를 해석하며, 메싱 단계를 완전히 제거하고 자유 표면, 분사 제트, 난류 운동이 포함된 유동 문제에서 특히 강력하다. 이 글에서는 Particleworks의 두 가지 “압도적인” 장점을 심층 분석하고, 왜 이 소프트웨어가 기어박스 윤활(gearbox lubrication)과 전기 모터 냉각과 같은 문제에서 최우선 선택지가 되고 있는지 설명한다.

1.Particleworks란 무엇인가?

Particleworks는 전통적인 CFD처럼 격자 기반이 아니라 입자 방법(Particle Method)에 기반한 유동 해석 소프트웨어이다. 유체는 수백만 개의 입자(particles)로 표현되며, 각 입자는 속도, 압력, 밀도, 온도 등의 물리 정보를 가지고 동역학 방정식에 따라 이동한다.

1.1 이 접근 방식은 다음과 같은 현상을 시뮬레이션할 때 큰 장점을 제공한다:

• 액체가 튀고 비산되는 현상
• 유동이 분리되어 방울로 나뉘는 현상
• 자유 표면이 크게 변형되는 경우
• 좁은 틈 또는 매우 복잡한 형상 내부의 유동

1.2 이러한 이유로 Particleworks는 다음 산업 분야에서 매우 널리 사용된다:

• 자동차 (기어 윤활, 기어박스 내 오일 비산)
• 전기/모터 (stator/rotor 냉각, 오일 냉각)
• 산업 장비 (분사, 혼합, 방열)

2. 메싱 단계 완전 제거(Meshless) – 전통 CFD 대비 “압도적” 장점

2.1 왜 메싱은 전통 CFD의 가장 큰 문제인가?

전통 CFD(FVM 등)에서는 해석기가 각 격자 셀에서 방정식을 풀기 때문에 메싱이 필수 단계이다. 실제 산업 CFD 프로젝트에서 메싱 시간은 보통 다음을 차지한다:

• 전체 프로젝트 시간의 70–80% (특히 복잡 형상에서)
• 좁은 틈, 작은 각도, 복잡한 곡면이 있으면 시간이 더욱 증가

2.2 자주 발생하는 문제:

• 격자 품질 저하로 인한 오차 발생
• 불균일 격자로 인한 수렴 실패
• 미세 격자 생성 시 높은 컴퓨팅 자원 소모
• 격자 오류 수정으로 반복 작업 필요

2.3 메싱 단계만으로도 다음과 같은 모델에서 수일~수주가 소요될 수 있다:

• 다수의 기어가 있는 기어박스
• 협소 공간의 냉각 시스템
• 홈과 틈이 많은 엔진 내부 오일 경로

3. Particleworks는 이 문제를 어떻게 해결하는가?

ParticleWorks는 메쉬가 필요 없는(Meshless) 시뮬레이션이다. 격자를 생성하는 대신 유체를 대표하는 입자를 사용한다. 설정 절차는 훨씬 단순하다:

1. STL 형식의 CAD 파일 가져오기
2. 물리 조건 설정 (밀도, 점도, 회전 속도, 가속도, 중력 등)
3. 시뮬레이션 실행

3.1 더 이상 필요 없는 단계:

• 수동 메싱
• 격자 품질 검사
• 격자 오류 수정
• 중요 영역 격자 세분화(refine)

3.2 실제 프로젝트에서의 직접적인 이점

Particleworks를 사용하면 모델 준비 시간이 다음과 같이 단축될 수 있다:

• 수일 → 수분
• 수주 → 수시간 (복잡 형상 프로젝트에서)

이는 R&D 환경에서 매우 큰 장점이다. 엔지니어는 다음을 빠르게 수행할 수 있다:

• 여러 설계안을 시험
• 지속적인 최적화 수행
• 시제품 제작 전 윤활/냉각 성능을 빠르게 평가

요약하면, Particleworks는 많은 CFD 프로젝트의 일정과 비용을 증가시키는 메싱 장벽을 완전히 제거한다는 점에서 전통 CFD를 “압도”한다.

4. 자유 표면(Free Surface)과 분사 제트 처리에 “최강” – 오일 비산 및 방울 분리 시뮬레이션에 최적

4.1 왜 자유 표면 시뮬레이션은 전통 CFD에서 어려운가?

격자 기반 CFD 방법은 다음과 같은 현상을 시뮬레이션할 때 어려움을 겪는다:

• 액체가 제트 형태로 분사되는 경우
• 유동이 작은 방울로 분리되는 현상
• 자유 표면이 심하게 변형되는 경우
• 액체가 벽면에 강하게 충돌하는 경우

대표적인 예는 기어박스 오일 윤활 시뮬레이션이다:

• 기어에 의해 오일이 제트 형태로 튀어 오름
• 오일이 방울로 분리됨
• 오일이 케이스 벽에 부착되거나 충돌
• 시간에 따라 지속적인 비산 발생

전통 CFD는 액체-공기 경계를 추적하기 위해 VOF(Volume of Fluid) 또는 Level-set 기법을 사용한다. 이러한 방법은 보통:

• 격자에 매우 민감
• 난류가 강하면 불안정
• 강한 격자 세분화 필요
• 계산 시간이 매우 큼

4.2 ParticleWorks는 자유 표면을 어떻게 자연스럽게 시뮬레이션하는가?

ParticleWorks는 유체를 뉴턴 방정식에 따라 이동하는 독립 입자 집합으로 모델링한다. 따라서 자유 표면 현상이 “자연스럽게” 발생한다:

• 방울 분리: 입자가 서로 떨어질 수 있어 직접 표현
• 분사 제트: 동역학 법칙에 따라 형성
• 벽면 충돌: 궤적, 속도, 에너지 명확 표현
• 난류 유동: 격자 의존성이 없어 더 안정적

즉, Particleworks는 전통 CFD처럼 “표면을 추적”하는 것이 아니라, 유체의 물리적 본질을 직접 시뮬레이션한다.

4.3 실제 이점: 기어박스 윤활 및 전기 모터 냉각의 최적 솔루션

자유 표면과 분사 제트 해석에 강하기 때문에 Particleworks는 다음 문제에서 최우선 선택으로 평가된다: 기어박스 윤활 (Gearbox lubrication)

• 맞물림 영역에 오일이 충분히 도달하는지 평가
• 윤활 부족 영역 확인
• 오일 비산 경로, 부착 위치, 회수 흐름 분석
• 차단판, 오일 홈, 펌프 최적화

전기 모터 냉각

• stator/rotor 오일 냉각 시뮬레이션
• 코일 위 오일 분포 분석
• 오일 부족으로 인한 고온 영역 예측
• 오일 채널, 회전 속도, 분사 유량 최적화

이 두 분야에서 Particleworks는 오일 비산, 비행, 방울 분리, 벽면 부착을 실제와 가깝게 재현할 수 있어 거의 “독보적”이다.

5. 결론: Particleworks는 언제 가장 강력한가?

Particleworks는 전통 CFD를 완전히 대체하는 것은 아니지만, 특정 상황에서는 압도적으로 뛰어나다. Particleworks는 특히 다음 경우에 적합하다:

• 형상이 매우 복잡하고 좁은 틈이 많은 경우
• 여러 설계안을 빠르게 평가해야 하는 경우
• 자유 표면, 분사 제트, 방울 분리 유동
• 기어박스 윤활 및 오일 냉각 문제

요약하면, Particleworks의 가장 “압도적인” 두 가지 장점은 다음과 같다:

1. Meshless – 메싱 단계 완전 제거, 준비 시간을 수일에서 수분으로 단축
2. Free surface 최강 – 오일 비산, 방울 분리, 제트 현상을 자연스럽고 정확하게 시뮬레이션

출처: Particleworks

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