CFD 결과가 틀리는 이유: 그리드 품질의 중요성
똑같은 모델인데 왜 해석 결과가 다를까?
전산 유체 해석(CFD)을 처음 배우거나 실무에 적용해 보면 자주 겪는 문제가 있습니다. 바로 “같은 조건으로 설정했는데 결과가 이상하다”는 현상이죠. 속도 분포가 왜곡되거나, 압력이 비정상적으로 튀거나, 수렴이 되지 않는 경우까지 다양한 오류가 발생합니다.
이럴 때 가장 먼저 점검해야 할 것은 그리드(mesh) 품질입니다. CFD는 해석의 정확도가 해당 영역을 얼마나 정밀하게 나누었는가에 크게 좌우되며, 그 핵심이 바로 그리드입니다.
이번 글에서는 그리드 품질이 CFD 결과에 어떤 영향을 주는지, 흔히 발생하는 문제와 해결법까지 상세히 설명드릴게요.
CFD에서 그리드란 무엇인가?
그리드는 해석 공간의 조각
그리드(Grid) 또는 메쉬(Mesh)는 유체가 흐르는 영역을 수많은 작은 셀(cell)로 나눈 것입니다. 이 셀들은 각각 물리량(속도, 압력, 온도 등)을 계산하는 기본 단위가 되죠.
그리드의 종류
| 구분 | 특징 | 활용 예 |
|---|---|---|
| 구조적 그리드 (Structured) | 규칙적인 사각형/육면체, 계산 효율 높음 | 단순한 형상, 채널 유동 |
| 비구조적 그리드 (Unstructured) | 자유로운 삼각형/사면체 배치, 복잡 형상 대응 | 자동차, 항공기, 건축 구조물 |
| 하이브리드 그리드 | 두 가지 이상 혼합, 성능과 정확도 균형 | 실제 산업 모델 대부분 |
저도 CFD 초보 시절엔 그리드 종류에 신경 쓰지 않고 기본 자동 생성만 사용했는데요, 결과가 실제와 너무 달라서 원인을 찾다 보니 결국 ‘그리드 품질’ 문제였습니다.
그리드 품질이 중요한 이유
수치 해석의 기초는 공간 분할
CFD는 복잡한 미분 방정식을 수치적으로 풀기 위해, 공간을 조각내고 그 안에서 근사 계산을 합니다. 따라서 공간 분할이 정교하지 않으면 오차가 누적되거나, 결과가 수렴되지 않을 수 있습니다.
나쁜 그리드가 만드는 오류
- 비정상적 압력 스파이크: 셀 왜곡으로 인해 수치 진동 발생
- 수렴 실패: 경계면 근처에서 셀이 너무 작거나 겹침
- 물리현상 왜곡: 경계층이나 와류가 제대로 계산되지 않음
- 계산 시간 증가: 불필요한 셀 분포로 연산량 낭비
“좋은 격자는 좋은 결과를 만든다” – CFD 커뮤니티의 흔한 조언
그리드 품질 평가 기준
| 지표 | 권장 값 | 설명 |
|---|---|---|
| Aspect Ratio | < 5 | 셀의 길이 대비 폭 비율. 너무 길면 수치 불안정 |
| Skewness | < 0.3 (Fluent 기준) | 셀 기하 구조 왜곡 정도 |
| Orthogonality | > 0.2 | 셀 면과 벡터 간 직각성 유지 여부 |
| Smoothness | 인접 셀 크기 차이 < 1.5배 | 셀 크기 변화가 급격하면 오류 발생 |
CFD 툴에는 이 값을 자동 분석해주는 기능이 탑재되어 있으므로, 해석 전 반드시 점검해 보는 것이 좋습니다.
경계층 해석에서의 그리드 중요성
경계층의 정의
경계층은 유체가 벽과 접촉하면서 속도가 0으로 감소하는 박막 영역입니다. 여기서 유속, 마찰, 열전달이 가장 크게 발생하므로 해석 정밀도가 매우 중요합니다.
Y+ 값의 중요성
벽 근처 셀의 위치를 나타내는 무차원 수가 Y+입니다. 적절한 Y+ 값을 갖는 격자를 구성하지 않으면, 벽면 유동이 제대로 해석되지 않습니다.
| 모델 | 권장 Y+ 값 |
|---|---|
| Standard wall function | 30~300 |
| Enhanced wall treatment | 1~5 |
| Low-Re 모델 | Y+ ≈ 1 이하 |
저는 한 번 Y+ 값이 500 이상으로 계산된 적이 있었는데, 마찰계수가 말도 안 되는 수치로 나왔어요. 그리드 리파인먼트만 다시 했더니 결과가 정확히 맞아떨어졌습니다.
좋은 그리드를 만들기 위한 전략
1. 관심 영역 국부 세분화
전체 도메인을 무작정 촘촘하게 나누기보다는, 경계층, 와류 발생 지점, 압력 변화가 큰 영역만 국부 정제하는 방식이 효율적입니다.
2. 비율 유지
인접 셀 간의 크기 변화가 크면 계산 정확도가 떨어집니다. Smooth Transition을 위해 비율 변화 1.2~1.5 이내로 제한하세요.
3. 경계 조건 주변은 특별 관리
Inlet, Outlet, Wall 등 경계 조건 근처는 해석 민감도가 높습니다. 이 구간은 높은 orthogonality와 적절한 aspect ratio 유지가 중요합니다.
CFD 툴별 메쉬 생성 팁
- ANSYS Fluent: Inflation 기능을 통해 경계층 셀을 자동 분리
- OpenFOAM: SnappyHexMesh의 castellated mesh 주의
- SimScale: 자동 리파인먼트 제안 기능 활용
- Star-CCM+: Polyhedral mesh 생성 기능으로 품질 개선
각 툴마다 메쉬 품질 체크 기능이 내장되어 있으니 반드시 해석 전후로 점검하는 습관을 들이세요.
결론: CFD의 절반은 그리드가 결정한다
“Garbage In, Garbage Out”이라는 말처럼, 아무리 좋은 모델과 수식도 잘못된 그리드 위에서는 제대로 작동하지 않습니다.
그리드는 단순한 ‘모양 만들기’가 아니라, 해석의 정밀도와 신뢰성을 좌우하는 핵심 기술입니다.
이번 글에서는 그리드의 정의부터 품질 평가, 개선 전략까지 정리해 봤습니다. CFD를 공부하거나 실무에서 해석을 수행하는 분들이 꼭 한 번은 점검해 봐야 할 부분입니다.
다음에는 ‘Y+ 자동 계산법’이나 ‘CFD 초보자 실수 Top 5’ 같은 실전 중심의 글로 다시 찾아올게요!
FAQ
- Q1. 그리드 수가 많을수록 무조건 좋은가요?
A: 아닙니다. 지나치게 많은 셀은 계산 부담만 늘리고 수렴을 방해할 수 있습니다. 품질이 더 중요합니다. - Q2. 자동 메쉬 기능만 사용해도 될까요?
A: 단순 형상에는 가능하지만, 복잡한 형상이나 경계층 분석에는 수동 리파인먼트가 필요합니다. - Q3. 수렴이 되지 않을 때 가장 먼저 확인할 것은?
A: 경계 조건, 시간 스텝, 그리고 가장 먼저 그리드 품질을 확인하세요.