CFD에 의한 유체 유동 문제 해석

CFD에 의한 유체 유동 문제 해석에 관하여 알아보도록 하자.
유체 유동 문제를 푸는 데 있어서 알아야 할 점은 근간을 이루는 물리적 현상은 복잡하며, CFD 코드로 획득한 데이터는 아무리 결과가 좋아도 그 물리적 현상 이상이 될 수는 없으며, 또한 아무리 나빠도 작업자의 스킬 이하로 되지는 않는다는 사실이다. 두 번째 이슈부터 고려하자면, 코드의 사용자는 많은 분야에서 경험과 스킬을 가지고 있어야 한다. CFD 시뮬레이션을 세팅하고 실행하기 이전에 풀고자 하는 유동 문제를 확인하고 그 물리적 및 화학적 현상을 토대로 수식화하는 과정이 있다. 이때 문제를 2차원으로 모델링 할 것인지 아니면 3차원으로 할 것인지, 공기의 밀도를 정함에 있어서 주위 온도나 압력의 변화를 고려할 것인지, 난류 방정식을 포함할 것인지, 혹은 수돗물에 포함된 기포의 효과를 무시할 것인지 등을 결정해야 한다. 이 경우 올바른 선택을 위해서는 모델링 관련 숙련도가 필요하다. 왜냐하면, 극히 단순한 문제를 제외한다면, 대부분의 문제에서 주어진 문제의 복잡성을 단순화 시키면서도 핵심적인 양상은 살려 둘 수 있는 단순화 가정을 해야 하기 때문이다. CFD를 통해 얻는 정보의 질은 결국 이 단계에서 설정한 단순화 가정들이 얼마나 적절하였는가에 달려있기 때문에 CFD 사용자는 설정한 모든 가정들을 계속해서 염두에 두고 있어야 하는 것이다. 
계산 자체를 수행하는 일도 다양한 종류의 숙련을 요구한다. 계산 영역을 정하거나 격자를 설계하는 일은 입력과정에서의 주된 일에 속하며, 그것은 성공적인 시뮬레이션 결과를 얻기 위한 중요한 과정이다. 이와 관련된 두 가지 속성이 수렴성과 격자 독립성이다. 해를 구하기 위한 알고리즘은 대게 반복 계산의 방법을 채택하고 있다. 해가 수렴되면 소위 residual은 매우 작다. Relaxation factor나 가속을 위한 알고리즘을 잘 선택한다면 그것이 해의 수렵에 있어서 크게 도움이 될 수 있다. 이러한 과정에서 선택에 대한 직접적인 가이드는 있을 수 없다. 왜냐하면 그러한 것들이 문제에 따라 다르기 때문이다. 해를 구하는 데 필요한 시간을 최대한 단축하는 일은 코드 사용에 있어서 상당한 경험이 필요하다. 일반 유동 현상을 해석하면서 부적절한 격자로 인해 발생하는 오차를 추정하기 위한 정해진 방법은 없다. 초기에 얼마나 좋은 격자 계를 구성하느냐는 유동의 특성을 처음부터 얼마나 잘 예측하느냐에 달려있다. 특정한 유동 문제의 해의 특성에 대한 배경지식을 가지고 있다면 물론 도움이 될 것이고, 또한 유사한 문제에 대한 격자 생성 경험이 있다면 이 또한 큰 도움이 될 것이다. 듬성한 격자 계로 인해 생기는 오차를 예측하는 유일한 길은 격자 의존성을 조사하는 것이다. 즉, 가장 듬성한 격자 계로부터 점진적으로 격자를 조밀하게 구성해 나갈 때 핵심 변수가 더 이상 변하지 않을 때까지 해를 구해보는 일이다. 핵심 변수의 값이 더 이상 변하지 않을 때 우리는 시뮬레이션 결과가 격자에 비 종속적이라고 표현한다. 격자 계의 독립성을 확인하는 체계적인 작업은 고품질의 CFD 연구를 위해 필수적이다.