쉽게 따라하는 Mesh Morpher Optimizer 사용방법 : Airfoil 형상 최적화

이번 호에서는 2D Airfoil을 대상으로 Mesh Morpher/Optimizer 사용방법을 소개하고자 한다.

 
Introduction

형상 최적화를 처음 시작하시는 분들을 위해 Fluent® Mesh Morpher/Optimizer 기능으로 형상 최적화에 대한 기본적인 사용방법을 소개 드리고자 한다
일반적으로 Mesh Morpher/Optimizer를 일반적으로 줄여서 “MMO”라고 부르고 있으며 지오메트리와 격자를 매번 새로 생성할 필요 없이 사용자가 정의한 목표값으로 만족할 때까지 격자를 자연스럽게 이동시는 것을 반복적으로 Morpher/Optimizer가 수행하여 형상을 최적화하는 기능이다 

설계단계에서 마주할 수 있는 형상에 대한 최적화 문제를 NACA 0012 2D Airfoil Mesh를 대상으로 사용자들이 쉽게 형상 최적화를 할 수 있도록 설명하겠다.

 
[그림1] 2D Airfoil Mesh

■ Fluent Mesh Morpher/Optimizer 

Fluent에 Mesh Morpher/Optimizer가 기본으로 탑제되어 있기에 Fluent 사용자라면 더욱 쉽게 사용할 수 있으며 시작 아이콘은 리본메뉴의 Design Tab > Mesh Morpher/Optimizer를 통해서 사용이 가능하다.

 
[그림2] Mesh Morpher/Optimizer 시작 아이콘

 [그림3] Mesh Morpher/Optimizer 패널

Mesh Morpher/Optimizer 패널에서 모든 MMO에 대한 형상 최적화 설정이 가능하다. 하지만 일반적인 해석에 필요한 조건해석/경계조건 및 기타 설정 등은 Fluent에서 설정이 완료된 상태에서 진행하여야 한다.
형상 최적화에 대한 처음 설정의 시작은 Region Tab에서 형상 최적화에 대한 영역을 설정해 주는 것으로 시작하고, 이때 Control Point Distribution에 Regular와 Unstructured로 형상(격자) 이동을 위한 컨트롤 포인트를 생성해주어야 한다. 

[그림4] 컨트롤 포인트 생성에 대한 영역 정의

Regular는 사용자가 정의한 영역에 정렬된 형태로 컨트롤 포인트를 생성할 수 있으며 Unstructured는 사용자가 원하는 임의 위치에 생성할 수 있다. 컨트롤 포인트와 형상변경이 필요한 영역을 Update from Zone의 Bounding Box로 정의해 주어야 한다.

- Define : Boundary Zone으로 영역 정의
- Enlarge : 생성된 영역의 크기가 증가
- Reduce : 생성된 영역의 크기가 감소

Origin과 Direction Vector, Size of Region으로 형상(격자) 이동이 일어날 영역의 위치와 방향, 크기를 적절히 설정해주어야 한다.

 
[그림5] 바운딩 박스 설정

영역의 설정이 끝나면 컨트롤 포인트를 생성해 주어야 한다. Control Points : Direction-1, 2 기능을 통해서 컨트롤 포인트의 생성 개수를 정의할 수 있다.

[그림6] 컨트롤 포인트 생성

 
[그림7] 컨트롤 포인트 생성 모습
 

Constraints Tab에서는 형상(격자) 이동에 대한 구속조건을 정의할 수 있다. 원방경계인 ff-Inlet과 ff-outlet을 Fixed로 고정하고 나머지 Airfoil zone들은 Unconstrained로 설정한다.

- Unconstrained : 매개변수에 따라 형상 변경
- Passive : 매개변수에 의한 형상변경은 이루어지지 않고 Unconstrained와 Fixed 경계 사이의 부드러운 변경을 위해 사용 됨
- Fixed : 형상 고정

[그림8] 구속조건 정의

Deformation Tab에서는 형상 최적화에 파라미터 개수를 설정하고 각 파라미터에 대한 범위를 정의할 수 있는데 예)로 Set Bounds에 각각의 6개 파라미터는 0부터 5까지 범위를 가지고 형상(격자) 이동되는 방향을 X : 0 / Y : 1방향으로 정의한다.
파라미터 개수 정의가 가능하고 만들어진 해당 파라미터에 컨트롤 포인트를 한 개 또는 여러 개를 넣을 수 있다.

 
[그림9] 파라미터 범위 정의

1번 파라미터에 10번 컨트롤 포인트가 입력되어 있다.

 [그림10] 파라미터의 형상(격자) 이동 방향

6개의 파라미터를 만들고 6개의 컨트롤 포인트를 만든 파라미터마다 하나씩 매칭해 주었다.

[그림11] 컨트롤 포인트 번호

 [그림12] 파라미터와 컨트롤 포인트 매칭

마지막 단계인 Optimizer Tab은 형상 최적화 방법과 목표값 그리고 모니터를 정의할 수 있다. 예를 들어 설명하면 Optimizer 방법은 Powell를 사용하고 전체 디자인 수(해석 케이스 수)와 각 디자인마다 계산 횟수 등을 설정한다.

 
[그림13] Optimizer Tab

가장 중요한 점은 목표값 정의에 있는데 Objective function definition… 기능으로 목표 정의할 수 있다. 여기에서는 양항비(Lift/Drag)를 최대로 갖는 형상을 목표로 정의하였다. 
Custom Calculator로 기존에 정의한 Report Definition을 사용하였다. 

[그림14] 형상 최적화 목표 값 정의 

 
모니터를 활성화해야 형상 최적화가 진행되는 동안 형상의 변화마다 목표 값의 변화를 쉽게 체크할 수 있다.

[그림15] 모니터 설정 

■ 결과

정의한 모든 형상 최적화가 끝나면 모니터를 통해서 양항비(Lift/Drag)를 최대로 갖는 형상을 얻을 수 있다.
오리지날 형상인 NACA0012의 양항비는 48.34에서 87.65를 가지는 형상 최적화를 완료하였다.

 
[그림16] 형상 최적화 

항력을 줄이기 위해 두께가 감소되었고, 양력을 증가시키기 위해 캠버가 증가하는 형상으로 최적화되었음을 알 수 있다.

맺음말

기존에는 형상 최적화는 지오메트리를 수정하고 격자를 새로 생성하는 방식으로 시간적인 소모가 매우 큰 일이었다. 
형상 최적화 기능인 Mesh Morpher / Optimizer(MMO) 기능으로 사용자가 특정 영역만을 정의하여 그 영역만 대상으로 최적화를 진행하기 때문에 매우 빠르게 최적화를 할 수 있다. 하지만 컨트롤 포인트를 생성하는 위치와 개수에 따라 형상 최적화의 형상이 달라지기 때문에 주의도 필요하다.
이러 부분들을 고려하여 잘 사용한다면 시간적인 소모와 공수를 줄일 수 있어 진행하는 업무에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.