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15 years of ICE simulation at CD-adapco
    Alex Read, CD-adapco London

STAR-CD와 es-ice를 이용한 ICE의 기능성의 존재가치 측면에서 Internal Combustion Engine(ICE)를 위한 만능의 연소 모델인 ECFM-3Z의 추가로 엔진 설계자들은 엔진 설계시에 들어가는 노력을 줄일 수 있었습니다. 이것은 어디에서 시작되었을까요?

15년 전의 뉴욕과 런던에서 시작된 이야기를 해보고자 합니다. CD-adpaco는 엔진 설계자들이 차세대 엔진(심지어 HCCI 혹은 CAI 모드로 작동될 때에서 그들은 SI 혹은 CI엔진이었음)을 설계할 수 있도록 함으로써, 전세계 산업 리더로써의 위치를 자리매김해 나가고 있었습니다.
                                                    

Gerald Schmidt(CD-adapco의 미국내 고객지원 책임자)는 어떻게 모든 것이 시작되었는지 말해줍니다. "Renault사에 대한 우리의 첫번째 컨설팅이 1990년 2월이었습니다. 실린더 내부의 복잡한 유동과 실험데이나를 얻고 이해하는데 있어서의 난해함 때문에, 우리는 항상 ICE 계산을 수행하는 데 있어서 많은 요구를 받았습니다. Renault의 건은 정상상태, Cold Flow, 흡입 포트 시뮬레이션이었습니다만, 그 다음 해에는 처음으로 비정상 상태의 Moving Mesh 시뮬레이션을 DaimlerChrysler로부터 요청받았습니다. 이 시절에는 모든 Mesh Motion과 그에 따른 연결의 변화는 수동으로 새로운 좌표계에서 정의되었습니다. 이것은 보통 모델을 설정하고 계산을 수행하는데 12~16주 정도가 소요되었습니다.

심지어 이러한 초창기에도 CD-adapco의 End User와의 밀접한 협조와 전문가 시스템을 통한 지식의 전달 같은 사업 모델은 이미 CD-adapco의 ICE 전문 Tool인 PORT의 개발을 통해 입증되었습니다. 

Steve MacDonald(CD-adapco의 창립자이자 회장)은 "컨설팅 활동을 하면서, 우리는 항상 자동화의 수준을 높이고 우리 고객들이 이러한 계산을 스스로 해낼 수 있도록 지원해왔습니다. 이러한 목표를 염두에 두고 PORT를 개발하였으며, 이는 사용자들이 사전에 정의된 템플릿으로부터 정상상태에서의 실린더의 격자를 생성할 수 있도록 하였습니다. 제일 처음 버젼이 1993년도에 나왔고, 1996년에는 NPORT로 이어졌습니다. 당신이 컨설팅을 하고, 당신이 사용자고, 당신이 만약 잘못된 길을 간다면, 다음 차례에는 당신은 당신을 바르게 만들어 줄 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 함께 만나게 될 것이므로, 사용자가 원하고 필요로 하는 것을 정확히 아는 것이 중요합니다."라고 말합니다.

"NPORT를 가지고, 사용자는 오늘날에도 많이 사용하고 있으나, 정상상태의 계산에 제한을 가지는 4-Valve Topology Template을 포함한 복잡한 엔진 설정을 할 수 있습니다 : 비정상상태를 계산하기 위해서는 사용자의 간섭 및 Know-how가 필요합니다. 엔진 설계자들의 꿈인 자동으로 실린더를 계산하기 위한 완전한 Mesh Motion을 생성하는 것은 1998년 5월에 ProICE의 첫번째 버젼이 출시되면서 현실이 되었습니다."

"ProICE는 12~16주가 걸리던 모델 설정 및 계산 실행 기간을 2~3주로 감소시켰습니다.
그것은 ICE 시뮬레이션에서의 진정한 Step-Change였습니다." 라고 Gerald는 말합니다.

물론 개발은 거기서 멈추지 않았습니다. 2002년 7월에는 ProICE는 es-ice로 명칭이 바뀌었으며 매년 업그레이드되어오고 있습니다. 최근에는 es-ice의 Trimmed Cell Technique을 가지고, 사용자는 형상과 움직임을 쉽게 정의할 수 있습니다. 완전한 비정상상태에서의 모델의 설정, Moving Mesh 계산이 3~4개월에서 1~2일로 줄었고, 계속 더 빨라지고 있습니다. 사용자들은 이 모델의 복잡성을 '복사 및 붙여넣기'를 통해 실린더 하나를 여러개로 복사하여 사용할 수 있고, Crank Angle을 지정하여 정상상태, Cold Flow 시뮬레이션의 격자를 자동적으로 생성함으로써 단순화시킬 수 있고, 자동적으로 Sector Mesh를 좀 더 빠르게 생성할 수 있습니다.

물론 이 모든 것은 격자 생성 및 설정에 초점이 맞춰져 있습니다. "엔진 시뮬레이션은 CFD에 있어서 가장 도전할 분야가 많이 남아 있습니다."라고 David Gosman 교수(CD-adapco의 공동 설립자 및 부회장)는 말합니다. "이 분야에서의 도전은 다양한 물리적 현상(Turbulence, Compressibility, Heat Transfer, Nozzle Flow 및 Atomization, Droplet Dispersal, Evaporation 및 Wall Impingement, Mixing, Ignition, Combustion, Pollutant Emission 등)을 모델링하는 것 뿐만 아니라, 격자 형상 및 구조가 변하는 동안에 연소 Chamber에서의 극한의 조건에서 강력하고, 효율적이며 정확하게 계산을 수행하는 것입니다."

이는 STAR-CD의 경쟁의 큰 걸음입니다. ICE 계산에 있어서 필수적인 요건은 특히 STAR-CD에서는 오래전 부터 해왔고, 다른 코드들에서는 개발 중인 Moving Mesh와 물리적 모델링입니다. 예를 들면, 매우 최적화된 Cell Layer의 추가 및 제거(1990년 이후 STAR-CD에서 가능)에 관한 Geometry Movement Method는 성가시고 늦은 Re-meshing 방법을 불필요하게 만들었습니다. Spray 모델은 1992년 이후 STAR-CD에서 가능해졌고, SI와 CI 엔진에 대한 연소 모델은 1995년 이후 가능해졌습니다. 이것은 다른 경쟁업체에서는 아직 이러한 기본적인 능력들을 개발하고 있는 동안에, STAR-CD는 전 세계의 엔진 설계자들에 의해 사용되고 있는 Solver인 ECFM-3Z와 같은 가장 최근의 최고 수준의 연소 모델에 초점을 맞출 수 있게 되었다는 뜻입니다.

부가적으로, CD-adapco의 산업계와 학교간의 파트너쉽을 추구하는 방침의 이점은 명백합니다 : Renault와의 파트너쉽과 Lund University와의 Flamelet-based Soot Modeling에 관한 스폰서쉽을 통한 ECFM-3Z의 활용은 STAR-CD가 ICE 시뮬레이션이라는 없어서는 안될 장사도구를 가진 것을 확실하게 해 주는 최근의 개발 행보입니다. 경쟁적이고 도전적인 엔진 설계분야에서 한가지 확실한 것은 내일의 엔진분야를 이끌어나가는 STAR-CD의 계속된 현재입니다.

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