1. 머리말

3차원 열유체 시뮬레이션의 기술은 눈에 보이지 않는 공기흐름, 온도분포, 공기 중의 확산물질 농도 등을 ‘시각화’할 수 있다. 설계단계에서 이루어지는 평가·검토 툴로서 그리고 기술제안 내용을 알기 쉽게 제3자에게 전달하기 위한 프레젠테이션 툴로서 다양한 분야에서 활용되고 있다. 

사실 클라이언트에게 제안하는 단계에서도 눈에는 보이지 않는 ‘공간상의 속도라든가 온도 분포를 나타내는 화상’, ‘공기 흐름을 나타내는 애니메이션’으로 설계안의 Before/After 차이를 보여주는 효과가 매우 커 영업 제안력을 향상시킬 목적으로도 열유체 시뮬레이션 소프트웨어를 도입하는 Case가 늘고 있다. 

2. 설계 현장에서의 과제

시뮬레이션을 실시하는 목적은 무엇일까? 어떤 건물 내부의 온열환경을 검토하는 경우에 대해 생각해 보자. 여름철을 가정해 냉방을 검토한다. 열부하를 계산해 나온 결과대로 냉방공조의 능력을 정한다. 그러나 실내의 평균온도를 계산으로 예측할 수는 있지만 온도분포까지는 알 수 없다. 예를 들어 ‘냉풍이 거주공간에 도달하지 않고 배출된다’ ‘냉풍이 가열된 후 거주공간에 전달된다’는 구조로 돼 있으면 거주공간은 예측했던 온도보다 더 높은 온도일 가능성이 있다. 즉 실제로는 공간 내의 온도차가 커 쾌적하다고는 할 수 없는 상황일 지도 모른다. 이런 의문과 우려 사안을 해소하고 더 좋은 설계안으로 만들기 위해 시뮬레이션이 필요한 것이다. 

만일 시뮬레이션 소프트웨어를 활용해 ‘공간 내의 분포를 고려한 설계검토’를 실현했다고 하더라도 그것이 꼭 설계목표를 충족시킨다고는 볼 수 없어 여지없이 설계변경을 해야 하는 경우도 적지 않다. 종전의 일반적인 시뮬레이션 소프트웨어에서는 설계자가 생각한 설계안을 입력조건으로 하고 기류와 온도 분포를 해석해 구할 뿐이다. 

그러므로 당초의 설계조건으로 목표치를 달성할 수 없을 경우에는 설계목표를 충족시키기 위한 개선조건을 설계자 스스로 몇 번이나 다시 생각해야 한다. 개선 관련 공조 배치, 분출구의 유속, 분출방향, 분출온도라는 설계변수를 시행착오적으로 혹은 파라미터 스터디에서 수정한 다음 그 결과가 설계목표를 충족시키는 지의 여부를 다시 확인하는 작업이 불가피하다. 통상 설계목표를 충족시키기 위한 조건을 찾는 작업에 있어서는 많은 설계 요인들이 얽혀있기 때문에 시뮬레이션을 반복 실행할 필요가 있다. 

파라미터 스터디를 기본으로 하는 검토 방법에서는 공조의 ‘배치’ ‘유량’ ‘풍향’ ‘온도’라는 변수의 수만큼 해석할 필요가 있고 각각의 변수를 조금씩 변화시킨 몇몇 Case에 대해 시행착오를 거쳐 계산하게 되는데 그렇게 되면 계산량이 너무 방대해져 그다지 현실적이지 않다. 설계현장에서는 하나의 안건에 소요되는 시간도 사람도 모두 한정적이다. 그러므로 실제로 개선안을 검토할 때는 ‘그 위치에 공조를 배치하면 개선될 것이다’ ‘유량, 풍향을 이렇게 하면 개선될 것이다’라는 식의 ‘짐작’으로 실행하는 것이 통상적이다. 

그러나 이런 식은 아무래도 개인의 경험이나 스킬 등에 의존하는 부분이 크다. 과연 그렇게 해서 얻은 ‘개선안’에 의한 결과가 정말 개선됐을까? 많은 자원을 들여 고생해서 얻은 개선안이 사실과 다르거나 또는 제품, 설비를 납품한 후 어딘가에 문제가 발생하거나 하면 그것을 다시 하는 데 시간과 인건비가 들게 된다. 뿐만 아니라 사용자로부터의 ‘신용 저하’ 리스크도 피할 수 없다. 

3. FlowDesigner의 Non-parametric 역해석 

설계자가 안고 있는 이런 문제에 대한 타개책으로 나온 것이 FlowDesigner의 역해석 기능이다. 오사카 대학과의 공동 개발로 열유체 해석 분야에서는 처음으로 ‘Non-parametric 역해석 기능’을 실현했다(일본, 미국, 유럽에서 특허 취득). 열유체 시뮬레이션으로 설계를 검토할 때 설계목표를 충족시키는 데 효과적인 포인트를 3차원 모델상에서 시각화 해 개선안을 신속하고 효과적으로 찾아내는 기능이다. 

통상적인 해석(순해석)에서는 설계변수를 입력하고 속도, 온도 등의 결과를 얻는다. 그에 대해 역해석에서는 ‘그 부분을 풍속 2m/s 이하로 억제’ ‘방 전체의 온도를 27℃로 균일하게’라는 설계목표를 입력하면 ‘역으로’ 설계변수를 어떻게 변화시켜야 목표에 근접하는지 개선할 포인트를 가르쳐 준다. FlowDesigner의 역해석에서는 설계목표와 현재 수치와의 ‘차분정보’를 토대로 ‘설계목표를 달성하려면 무엇이 가장 효과적인가’를 전체 설계공간의 설계변수에 대해 그 개선 방향과 영향력의 세기=감도(感度)의 형으로 구한다. 

감도는 순해석의 결과와 마찬가지로 3차원 모델상에서 등고선이나 벡터의 그래픽으로 표시되기 때문에 결과를 한눈에 파악하기 쉽다. 감도가 높게 표시되는 곳은 목표를 달성하는 데 효과적인 변수로 볼 수 있고 거기서부터 설정치를 검토하면 설계목표에 효율적으로 다가갈 수 있다. 

Non-parametric 역해석을 적용한 감도해석상의 큰 이점은 <그림 1>에 나타내는 바와 같이 설계부하가 아주 적어진다는 것이다. 계산 회수는 현재의 설계안에 대한 순해석과 역해석 단 2회이면 된다. 수학적으로 식을 반전시키는 방법을 취하고 있기 때문에 변수마다 계산을 돌릴 필요가 없고 일단 역해석을 실행하면 제어 가능한 모든 변수에 대한 감도 결과가 출력된다. 

그러므로 설계상의 제약조건이 까다롭더라도 반드시 개선점을 찾을 수 있다. 그리고 종전의 방법처럼 짐작을 하지 않아도 되기 때문에 경험과 스킬에 의존할 필요가 없다. 이로써 설계자가 가상하지 못했던 개선점도 찾을 수 있어 종전의 설계안보다 더 크게 개선되는 점도 있다. Non-parametric 역해석을 적용하면 지금까지 파라미터 스터디에서 소비했던 방대한 노력과 시간을 크게 줄인다. 

또한 FlowDesigner에는 Non-para-metric 역해석을 베이스로 하는 최적화 기능도 탑재돼 있다. 최적화란 어느 설계변수에 대해 설계목표를 달성하기 위한 최적의 설정치를 정량적으로 구하는 기능을 말한다. FlowDesigner의 최적화에서는 순해석과 감도해석을 반복 실행해 신속하고 효율적으로 최적의 해를 구한다. 이하에서는 Non-parametric 역해석의 특징에 대해 기술한다. 

<FlowDesigner Non-parametric 역해석의 특징>

(1) 설계 개선안을 유도하기 위한 공수(工數)가 적다

‘현재의 상황안 해석(순해석)’과 ‘현재의 상황안에 대한 개선안 해석(역해석)’의 단 2회 해석으로 개선안을 얻는다. <표 1>에 나타내는 바와 같이 한 번의 역해석으로 제어 가능한 모든 변수에 대한 감도가 출력되기 때문에 변수마다 계산할 필요가 없어 파라미터 스터디를 적용한 방법과 비교하면 짧은 시간과 적은 공수로 개선안을 구할 수 있다. 

(2) 더 좋은 설계안 모색 가능

역해석을 실행하면 ‘설계목표를 달성하는 데 무엇이 효과적인가’를 파악할 수 있고 감도가 높은 위치의 변수를 우선적으로 바꾸므로 개선안을 효율적으로 찾는다. 예를 들어 실내 공조 검토에서는 설계목표를 충족시키면서도 가능한 한 공조 능력을 누를 수 있기 때문에 에너지 절감으로 이어진다. 더 나은 설계안을 찾아 건물에 부가가치를 준다. 

(3) 반드시 개선안이 발견된다

한 번의 역해석으로 제어 가능한 모든 변수에 대한 감도가 출력되기 때문에 가상하지 못했던 개선안도 발견할 수 있다. 그런 특징이 있어 설계상의 제약조건이 까다롭더라도 개선안을 찾아낼 수 있다. 예를 들면 천장 안쪽이나 벽안의 덕트 때문에 공조 위치, 벽 위치를 바꾸지 못할 경우 다른 부분의 감도에 주목해 풍향판을 활용하기도 하고 배기구의 크기나 위치를 검토하면 반드시 다른 개선안을 얻을 수 있다. 

2019년 9월 월간 설비기술 특집 2 발췌