대와동시뮬레이션 (Large Eddy Simulation)

한 줄 정의: 크기가 큰 소용돌이(에디)는 직접 계산하고, 격자보다 작은 미세한 소용돌이는 모델로 처리하는 난류 해석 기법입니다.

쉽게 풀면

물살 속에는 눈에 보일 만큼 큰 소용돌이도 있고, 아주 미세해서 거의 열로 흩어지는 작은 소용돌이도 있습니다. LES는 큰 소용돌이는 시간에 따라 실제로 계산해서 따라가고, 격자로 표현하기 힘든 작은 소용돌이는 통계적인 근사 모델로 대충 처리합니다. 마치 지도에서 큰 산과 강은 정확히 그리지만, 자잘한 바위와 돌멩이는 뭉뚱그려 표시하는 것과 비슷합니다. 그 결과 RANS보다 더 많은 난류의 실제 움직임 정보를 얻으면서도, DNS보다는 계산 비용을 줄일 수 있습니다.

왜 중요한가

연소, 소음, 혼합처럼 시간에 따라 변하는 비정상 난류 구조가 결과에 큰 영향을 주는 문제에서는 RANS의 시간 평균만으로는 부족한 경우가 많습니다. LES는 이런 비정상 유동 구조를 어느 정도 현실적으로 재현할 수 있어, 정밀한 유동 해석이 필요한 연구에서 중요하게 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"본 연구는 LES를 이용하여 후류 영역의 비정상 와류 구조와 압력 변동 특성을 분석하였다."

LES로 물체 뒤편에서 발생하는 시간에 따라 변하는 소용돌이와 압력 변화를 살펴보았다는 뜻입니다.

"Smagorinsky 아격자 모델을 적용한 LES 해석 결과, RANS 대비 박리점 예측 정확도가 향상되었다."

격자보다 작은 규모를 처리하는 특정 모델을 사용한 LES가 RANS보다 유동 박리 지점을 더 정확히 예측했다는 설명입니다.

조금 더 깊게 보면

LES는 공간 필터링을 통해 유동을 큰 규모(resolved scale)와 격자보다 작은 규모(subgrid scale)로 나누고, 후자의 영향을 아격자 모델(subgrid-scale model)로 근사합니다. 대표적으로 Smagorinsky 모델 계열이 널리 쓰이며, 격자 해상도가 결과 정확도에 직접적인 영향을 줍니다. RANS보다 계산량이 많아 시간 이력을 계산해야 하므로, 실무에서는 필요한 부분에만 선택적으로 적용되는 경우도 있습니다.

주의할 점

LES는 벽면 근처의 매우 미세한 난류 구조까지 정확히 잡으려면 상당히 조밀한 격자가 필요해 계산 비용이 크게 늘 수 있습니다. 격자 해상도가 부족하면 결과가 격자 크기에 민감하게 달라질 수 있다는 점에 유의해야 합니다.