3DEXPERIENCE & SOLIDWORKS 기술매거진 - 2025년 3월

"Flow Simulation 팬/송풍기 해석을 위한 모델링 단순화 및 리드 작성 가이드"

안녕하세요, 웹스시스템코리아 기술지원부입니다. 

오늘 이 시간에는 SOLIDWORKS Flow Simulation에서 실제로 회전하는 팬/송풍기를 ‘팬 피처’ 를 활용하여

모델을 단순화하여 더 빠른 해석 경향을 확인하는 방법을 확인해보도록 하겠습니다.

SOLIDWORKS Flow Simulation에서 팬이나 임펠러를 모델링하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 

가장 정확한 방법은 실제 팬 또는 임펠러 블레이드를 모델링하고, 해석을 슬라이딩 메시(회전 기준 좌표계) 문제로 해결하는 것입니다. 

이러한 유형의 해석에서는 시간 단계마다 메쉬가 이동하게 됩니다. 

이는 비정상(Transient) 해석으로 상당한 컴퓨팅 자원을 소모하며, 일반적으로 매우 긴 해석 시간을 필요로 하게됩니다. 

이 방식은 팬 형상의 변경이 팬 성능에 미치는 영향을 고려해야하는 팬 제조업체나, 유압 헤드(Hydraulic Head)를 확인해야 하는 펌프 제조업체에게 권장됩니다. 

그러나 초보 사용자나 단순히 유동 해석에서 공기 이동(대개 냉각 또는 환기 목적)을 수행하는 팬 효과만 시뮬레이션하려는 경우에는 권장되지 않습니다. 

이 유동해석 팬 피처  는 Flow Simulation 사용자라면 모두 사용이 가능하며 2023 버전 이상부터 Fan Curve 에서도 반경방향 속도와 접선 속도를 추가로 지정할 수 있습니다.

팬은 유동 경계 조건의 한 유형입니다. 경계 조건, 변환된 경계 조건 또는 열원이 지정되지 않은 선택한 고체 곡면에 팬을 지정할 수 있습니다

(마법사 또는 일반 설정 대화 상자의 해석 유형 탭에서 유체 유동 옵션이 활성화된 경우).‘

팬 > 팬 삽입’ 에 들어가면 팬 유형(Fan type) 옵션이 세 가지 있다는 것을 확인할 수 있습니다. 

바로 외부 흡입 팬(External Inlet Fan), 외부 배출 팬(External Outlet Fan), 그리고 내부 팬(Internal Fan)입니다. 

외부 유입구 팬(External Inlet Fan)의 경우, 유체가 팬을 빠져나와 유동 영역(domain)으로 들어가는 면을 선택하기만 하면 됩니다. 

일반적으로 유입구 개구부에 위치한 리드의 면 또는 지오메트리를 선택합니다. 

외부 유출구 팬(External Outlet Fan)의 경우, 유체가 팬으로 들어가 유동 영역을 빠져나가는 면을 선택해야 합니다. 

이 경우에도 일반적으로 유출구 개구부에 위치한 리드의 면 또는 지오메트리를 선택합니다. 

내부 팬(Internal Fan)의 경우, 유체가 팬으로 들어가고 나가는 면을 모두 선택해야 하며, 이에 맞게 CAD 형상을 준비해야 합니다.

그림 1. ‘팬 > 팬 삽입’ 팬의 유형 정보

팬 삽입에서 팬의 유형을 선택하고 아래로 스크롤하면 팬 라이브러리를 선택할 수 있습니다.

Flow Simulation 에서 지원되는 팬의 라이브러리 항목 및 정보는 아래와 같습니다. 

축류팬(Axial Fan), 반경팬(Radial Fan), 팬커브(Fan-Curve)로 사용할 수 있으며

팬 커브(Fan-Curve)의 경우, P-Q 곡선으로 바로 팬을 활용한 해석이 가능합니다.

그림 2. ‘엔지니어링데이터베이스 > 팬’ 라이브러리 정보 (예시)

그렇다면 여러분들은 복잡한 팬 형상을 어떻게 단순화화고 설정해야 하는지 알고 계신가요? 

자주 사용되는 세 가지의 팬 종류 기준으로 리드를 어떻게 작성해야 하는 지 값을 어떻게 설정해야 하는지 알아보도록 하겠습니다. 

축류 팬(Axial Fan)의 정의

축류 팬(Axial Fan)은 블레이드 회전 축과 평행한 방향으로 공기를 밀어내는 방식입니다. 

아래 그림은 하우징과 블레이드를 포함한 일반적인 축류 팬의 예시를 보여줍니다. 

내부 축류 팬을 유동 시뮬레이션 프로젝트에 포함시키려면, 팬 블레이드와 유동에 큰 영향을 미치지 않는

하우징의 작은 기하학적 디테일을 제거한 단순한 구성을 만들어야 합니다. 

하우징의 전면과 후면에 분할 면(Split Faces)을 생성하여

입구(Inlet)와 출구(Outlet)를 나타냅니다. 허브가 큰 경우, 출구 면은 도넛 모양이 됩니다.

방사형 팬(Radial Fan) 정의

방사형 팬(Radial Fan) 또는 원심 팬(Centrifugal Fan)은 공기를 중심에서 방사형으로 이동시킵니다. 일반적으로 볼류트(volute) 내부에 설치됩니다.

블레이드 팁의 외부 직경과 동일한 외부 직경(O.D.)을 갖는 회전된 솔리드 바디(Revolved Solid Body)를 생성합니다.

상단 원형 면(Top Circular Face)을 입구(Inlet)로, 외부 원통형 면(Cylindrical Outside Face)을 출구(Outlet)로 선택합니다.

그림 4. 방사/원심팬 단순화 모델링 및 정의

팬 곡선(Fan Curve) 정의

볼류트로 둘러싸인 방사형 팬이나 축류(Axial) 또는 방사형(Radial) 분류에 명확히 속하지 않는 기타 팬 유형의 경우 팬 곡선으로 정의하면 좀 더 쉽게 작성할 수 있습니다. 

볼류트와 동일한 형태의 솔리드 바디(Solid Body)를 생성합니다. 분할 면(Split Faces)을 생성하여 입구(Inlet) 및 출구(Outlet) 면을 정의합니다. 입구(Inlet): 도넛 모양의 상단 면 / 출구(Outlet): 하류 방향의 직사각형 면

그림 5. 방사/원심팬 단순화 모델링 및 정의

☞ 요약 및 팁

■ CAD 형상 준비: 올바른 유동 시뮬레이션을 위해 팬 형상을 단순화하고 정확하게 준비하세요.

■ 적절한 팬 유형 선택: 모델링하려는 팬의 특성과 형상에 맞는 팬 유형을 선택하세요.

■ 팬 곡선 데이터 입력: 제조업체가 제공하는 데이터는 팬 성능을 정확하게 시뮬레이션하는 데 필수적입니다.

* 참고: https://www.cati.com/blog/modeling-fans-in-solidworks-flow-simulation/