가열 및 냉각 장비 제조업체는 Simcenter STAR-CCM+를 통해 여러 펌프 설계의 시뮬레이션을 가속함으로써 시간과 비용을 절약합니다

가상으로 전환

펌프는 일상의 여러 측면에서 보이지 않는 기반 역할을 합니다. 이를 통해 상하수도 시스템, 환기 시스템, 에너지 플랜트의 냉각은 물론 여러 응용 분야가 효과적으로 작동할 수 있습니다.

펌프 설계 엔지니어는 새롭고 더 우수한 제품을 만드는 과정에서 여러 문제에 직면합니다. 펌프는 다양한 조건에서 작동해야 하며, 정부 효율 규정을 준수하고 수리를 위한 다운타임을 최소화하면서 긴 수명 동안 안정적으로 작동해야 합니다.

전통적인 설계 방법에서는 물리적 프로토타입 테스트에 크게 의존했습니다. 이는 비용과 시간이 많이 소요될 수 있으며, 신제품마다 여러 주기의 설계/재설계 및 테스트를 실행해야 합니다. 가상 프로토타입을 생성하면 가능한 다양한 작동 조건에서 여러 펌프 설계를 신속하게 조사할 수 있으므로 설계 프로세스의 속도가 높아질 뿐만 아니라 물리적 테스트와 관련된 비용도 절감됩니다. Taco Comfort Solutions(이하 'Taco')는 이 접근 방식을 사용하여 더 강력한 펌프를 더 빨리 출시할 수 있습니다.

설계 및 시뮬레이션

Taco는 실제 프로토타입을 제작하고 테스트하는 데 Simcenter STAR-CCM+® 소프트웨어를 가상 실험실로 사용합니다. 제품 엔지니어인 Peter Vandal은 Taco에서 CFD(전산 유체 역학) 설계 작업을 이끌고 있습니다. SolidWorks 소프트웨어에서 지오메트리를 가져온 후 그림 2와 같이 Simcenter STAR-CCM+를 통해 모든 메싱, 시뮬레이션, 해석을 수행합니다. 각 펌프 설계마다 CFD 시뮬레이션을 실행하여 펌프 하우징 내의 흐름과 압력에 대한 완전한 3차원 표현을 제공합니다.

Vandal은 "가상 프로브처럼 모델의 어느 지점에서나 판독할 수 있습니다."라고 설명하며 다음과 같이 덧붙입니다. "예를 들어, 실험실 테스트에 사용된 프로브와 동일한 지점에서 정압 또는 총 압력 값을 추출할 수 있으므로 Simcenter STAR-CCM+ 결과를 실제 적용 결과와 직접 비교할 수 있습니다."

이러한 CFD 모델 검증을 통해 팀은 헤드, 효율, BEP(최고 효율점) 유량과 같은 성능 특성에 대한 예측 인사이트와 함께 CFD 결과에 대한 높은 수준의 확신을 얻을 수 있습니다. Vandal과 그의 팀은 Simcenter STAR-CCM+에서 허용 가능한 성능을 제공하는 3개 또는 4개의 설계를 확보한 다음 물리적 프로토타입을 구축하고 테스트합니다. SLA(광조형) 임펠러의 프로토타입을 3D 프린팅으로 신속하게 제작할 수 있지만 각 임펠러를 제작하고 테스트하는 데 최대 2,500달러의 비용이 듭니다. Simcenter STAR-CCM+에서 수많은 디지털 프로토타입의 성능을 살펴보면 상당한 비용과 시간을 절약할 수 있으며, 프로토타입 테스트의 단일 단계에서 성공 확률을 높이고 개발 기간을 단축할 수 있습니다.

그림 1: Taco Comfort Solutions 순환 펌프의 예시

전체 펌프 곡선 시뮬레이션

Vandal과 그의 팀은 각 설계에 대해 정상 상태 시뮬레이션을 실행하여 여러 유량 지점을 테스트하고 BEP 유량을 설정합니다. 이상적인 환경에서는 펌프가 항상 BEP 근처에서 작동하겠지만 실제로는 그렇지 않은 경우가 많습니다. 현장 문제를 예방하고 고객의 요구를 충족하려면 설계에서 벗어난 흐름을 살펴보고 펌프가 전체 작동 곡선에서 강력하게 유지되는지 확인하는 것이 중요합니다. Vandal은 세 가지 섹션을 설명합니다. "펌프 곡선의 왼쪽에는 용납할 수 없는 과도한 조정(droop)이 있을 수 있습니다. BEP는 중앙과 오른쪽에 있으며 이 지점에서 높은 유속으로 작동 조건을 검사해야 합니다."

Taco는 Simcenter STAR-CCM+에서 불안정한 시뮬레이션을 수행하여 전체 펌프 곡선을 검사합니다.

Vandal은 "BEP 유속에서 정상 상태로 CFD 모델을 초기화한 다음 경계 조건을 변경하여 유속이 극도의 유속으로 변경되게 합니다."라고 말합니다.

그는 성능 곡선의 왼쪽에서 성능이 저하되는 설계를 보여주는 사례의 한 가지 예시에 대해 설명했습니다(그림 3). "설계에서 벗어난 유속에서는 펌프 흐름이 매우 불안정해질 수 있습니다(그림 4). 펌프 곡선의 왼쪽에 압력 강하가 과도하면 병렬 펌핑 설정을 작동하는 데 문제가 있을 수 있습니다. Simcenter STAR-CCM+를 통해 BEP 유량(분당 갤런)의 10% 및 50%에서 불안정하게 시뮬레이션을 실행하여 최대 헤드 포인트(50%)와 거의 차단 헤드(10%) 사이의 조정 양을 정량화할 수 있었습니다. 실험실 테스트를 위해 SLA 임펠러를 구축하기 전에 동일한 방법을 사용하여 대체 설계를 시뮬레이션했습니다. 테스트를 위해 진행된 설계는 BEP뿐만 아니라 낮은 유속에서도 성능 곡선의 왼쪽에서 압력 강하가 더 적게 나타나는 등 의미 있는 결과를 얻었습니다."

Taco는 펌프 설계가 훨씬 더 견고할 수 있으며, 설계에서 벗어난 경우에도 최대한 효율적이고 안정적으로 작동할 수 있다고 확신합니다.

그림 3: 두 테스트 사례에 대한 성능 곡선의 예시입니다. 점선은 Simcenter STAR-CCM+ 결과를 나타내고, 실선은 실험실 테스트 결과를 나타냅니다. 사례 A는 50% BEP(최대 헤드)와 10% BEP 사이에서 압력(ΔA)이 크게 강하된 것으로 나타났습니다. 임펠러(사례 B)를 재설계하면 이 압력 강하(ΔB)가 감소합니다.

그림 2: CAD 소프트웨어에서 설계된 펌프 모델을 Simcenter STAR-CCM+(첫 번째)로 가져와 메시 생성(두 번째) 및 시뮬레이션(세 번째)을 수행합니다.

워크플로 간소화

Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 가상 테스트를 실행함으로써 Taco는 설계 워크플로를 가속하고 물리적 테스트와 관련된 비용을 절감했습니다.

Vandal은 "몇 년 전 작업한 첫 번째 펌프의 경우, 테스트를 위해 부품을 주문하면 그 부품이 부적합하여 전체 설계, 주문 및 테스트 프로세스를 다시 수행해야 했습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "이제 Simcenter STAR-CCM+를 사용하고 있으므로 반복적으로 '다시 시작'하는 프로세스를 없애고 전체 설계 주기를 단축할 수 있습니다.

"Simcenter STAR-CCM+를 처음 사용하기 시작할 당시에는 CFD 결과와 연관시킬 수 있는 실험실 테스트 데이터가 많지 않았기 때문에 견고성 또는 누설 흐름과 같은 최상의 모델 설정을 파악하지 못 했습니다. 이제 Simcenter STAR-CCM+ 결과를 검증하는 실험실 테스트 데이터 라이브러리를 보유하고 있으며 정확한 결과를 얻기 위해 사용할 수 있는 최상의 모델 설정을 알고 있습니다."

하지만 Taco는 설계 프로세스를 더 간소화하기로 결정했습니다. Vandal은 "우리는 항상 소프트웨어를 더 빠르게 사용할 수 있는 방법을 찾고 있습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "어떤 일에 몇 시간을 투자할 때마다 '어떻게 하면 이 일을 50분 안에 할 수 있을까?'라고 생각할 것입니다. '더 열심히'가 아니라 소프트웨어를 사용하여 '더 효율적으로' 일하고자 합니다."

Vandal과 그의 팀은 시뮬레이션을 간소화하고자 Siemens DSE(전담 지원 엔지니어)와 긴밀히 협력했습니다.

Vandal은 "우리 회사의 프로세스를 잘 알고 솔루션을 찾도록 지원하는 Siemens 전담 직원이 있어 큰 도움이 됩니다."라고 설명합니다. Taco는 DSE와 협력하여 Simcenter STAR-CCM+ 부품 교체 기능을 사용함으로써 빠른 다중 설계 테스트 프로세스를 개발했습니다. Simcenter STAR-CCM+에서 모델을 설정하고 실행한 후에는 부품 교체를 통해 Vandal은 그림 5와 같이 임펠러 또는 볼류트만 대체 설계로 교체하고 CFD 모델 설정 및 경계 조건은 그대로 유지했습니다. 그런 다음 Simcenter STAR-CCM+는 메시를 빠르게 재생성하고 새로운 솔루션을 계산합니다.

Vandal은 "SolidWorks에서 표준화된 명명 규칙을 사용하기 때문에 Simcenter STAR-CCM+ 모델에서 부품 하나를 변경하려면 실질적으로 부품 교체 버튼을 누르고 새로운 시뮬레이션을 실행합니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "우리는 동일한 메시와 시뮬레이션 설정을 사용하여 여러 사례를 차례로 테스트할 수 있기 때문에 이러한 방식으로 작업하는 것을 선호합니다. 이를 통해 여러 시뮬레이션을 빠르게 실행할 수 있을 뿐만 아니라 결과가 일관되고 반복 가능하다는 확신을 얻을 수 있습니다."

또한 Taco는 메시 앤 런(mesh-and-run) 프로세스를 자동화하는 Java 매크로를 제작하여 펌프 곡선을 자동으로 생성할 수 있었습니다. 이와 같은 자동화된 프로세스를 통해 Taco는 현재 설계 프로세스 시간을 절반으로 줄인다는 목표를 달성했습니다.

Taco는 또한 지난 2년 동안 구축된 지식을 기반으로 미래를 구상하고 있습니다. CTO(최고기술책임자)인 Greg Case는 "CFD 시뮬레이션을 전략적으로 사용하여 펌프 성능을 강화함으로써 시장 경쟁에서 이기고 시장 점유율을 높이고자 합니다."라고 말합니다.

Vandal은 "Simcenter STAR-CCM+를 사용함으로써 얻을 수 있는 최대 이점은 경쟁이 치열한 산업에서 반복적인 설계 프로세스를 단축할 수 있다는 데 있습니다."라고 설명합니다. 실험실 테스트 작업이나 부품 툴링에 투자할 때 성공적인 결과를 얻을 수 있을지 여부는 결정에 중요한 요인입니다. Simcenter STAR-CCM+를 사용하면 성공 가능성에 대한 확신을 얻을 수 있습니다. 기본적으로, 실험실 테스트와 설계 단계 사이의 피드백 루프를 제거하여 각 펌프 설계에 대한 실험실 테스트를 최대한 줄이고자 합니다."라고 설명하며 다음과 같이 덧붙입니다.

"우리는 디지털 방식으로 탐색하고 물리적 방식으로 확인하려고 합니다. 현재 SLA 및 금속 부품을 모두 사용하여 현재 보유 중인 SLA 실험실 테스트 데이터 라이브러리와 지금까지 생성한 Simcenter STAR-CCM+ 데이터에 대한 신뢰성을 기반으로, 미래에는 더 이상 SLA 테스트를 사용하지 않고 Simcenter STAR-CCM+에서 금속 임펠러 테스트로 바로 전환하는 것을 목표로 삼고 싶습니다. 이는 약간의 위험성을 내포하지만, 가능한 목표이고 시간과 비용을 절약할 수 있으므로 더 효율적이며 안정적인 새로운 펌프의 출시 시간을 단축할 수 있다고 생각합니다."

그림 5: 부품 교체를 통해 임펠러를 빠르게 변경할 수 있으며 나머지 지오메트리는 동일하게 유지할 수 있습니다. 모든 메시와 물리 설정이 동일하므로 결과를 쉽게 비교할 수 있습니다.

그림 5: 부품 교체를 통해 임펠러를 빠르게 변경할 수 있으며 나머지 지오메트리는 동일하게 유지할 수 있습니다. 모든 메시와 물리 설정이 동일하므로 결과를 쉽게 비교할 수 있습니다.

그림 4: 펌프가 설계에서 훨씬 벗어난 유속(첫 번째)으로 작동되면 펌프의 흐름이 분명히 매우 불안정해지며 BEP(두 번째)의 흐름에 비해 훨씬 더 많은 재순환이 발생합니다.