KR102236493B1 - 열전달 평가 시스템 - Google Patents

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KR102236493B1
KR102236493B1 KR1020190149509A KR20190149509A KR102236493B1 KR 102236493 B1 KR102236493 B1 KR 102236493B1 KR 1020190149509 A KR1020190149509 A KR 1020190149509A KR 20190149509 A KR20190149509 A KR 20190149509A KR 102236493 B1 KR102236493 B1 KR 102236493B1
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KR
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grid
heat transfer
lattice
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evaluation system
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KR1020190149509A
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이주희
이용준
이승필
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호서대학교 산학협력단
(주)비이엘테크놀로지
주식회사 두올테크
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Abstract

실시예는 특정 대상물에 대한 정보를 수신하여 글로벌 격자를 생성하고, 표면 격자 및 내부 셀 검색을 수행하고, 경계 처리를 수행하여 격자 변환하는 격자 변환 파트; 및 상기 격자 변환된 데이터를 수신하여 열전달 솔버 프로그램을 실행하여 열전달 특성을 평가하는 열전달 솔버 실행 파트를 포함하는 열전달 평가 시스템을 제공한다. 따라서, 기존의 상용되어 있는 프로그램을 통해 해석한 결과 및 실험을 통해 도출한 결과에 대하여 매우 작은 오차율을 가지는 새로운 모델링 방법을 제공한다. 특히, 열 전달 문제를 수치적으로 해석하도록 격자를 생성함으로써, 사용자의 입력을 최소화하면서, 고질의(high quality) 완전 육면체(full hexahedral) 격자를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 격자 개수를 최소화하면서 자동 격자를 생성할 수 있는 방법을 제공하여 최적화된 격자 생성 기법을 제공한다.

Description

열전달 평가 시스템{The heat conduction evaluation system}
본 발명은 열전달 평가 시스템에 대한 것이다.
더욱 상세하게는 건축물의 격자변환으로 열전달 성능을 분석하여 열전달 평가를 수행하는 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.
건설 분야에서, 건축물을 물리적 단위인 공간 객체와 부위 객체로 분류하고, 공간 객체는 건축물의 층, 구역, 실 등 공간의 범위를 정의하는 객체를 말하고, 상기 부위 객체는 건축물의 공간을 둘러싸고 공간의 기능을 지원하는 시설물의 구성 요소를 정의하는 것으로서 기둥, 벽, 문, 창 등과 같은 객체를 말하며, 상기 공간 객체와 상기 부위 객체에 식별, 형상, 물성, 참고 등의 각 객체별 속성을 부여한다.
이러한 건설 분야의 공지 기술로서 대한민국특허등록공보 제1224627 호의 구조 비아이엠을 이용한 건축 구조물의 설계 및 물량 산출 방법이 공지되어 있다.
한편, 우리나라의 '공동주택 열전달을 위한 설계기준'에 따르면 단열 및 결로 성능 평가에 있어서 ISO15099 의 적용에 적합한 컴퓨터 프로그램을 활용하도록 의무화하고 있으며, 주로 전열 해석 프로그램인 썸앤윈도우(Therm & Window)와 피지벨(Physibel)을 사용한다.
종래의 전열 해석 프로그램인 썸앤윈도우(Therm & Window)와 피지벨(Physibel)을 사용하는 단열 및 결로 해석하는 방법은 2D CAD 도면에서 결로에 취약한 부위(즉, 결로 해석이 필요한 부위)를 선정하고, 전열 해석 프로그램에 이용하기 적합하도록 해당 부위의 X, Y, Z 축의 좌표값을 입력하여 레이어(layer)와 그리드(grid)를 생성함으로써 결로 해석이 필요한 부위를 2D 기반의 모델로 모델링(modeling)하고, 모델링된 결로 해석 부위를 전열 해석 프로그램인 썸앤윈도우(Therm & Window)와 피지벨(Physibel)를 이용하여 건축물의 단열 및 결로의 전열 성능을 해석하게 된다. 이후, 수행된 전열 성능의 해석 결과에 의하여 법적 성능 평가인 공동주택 열전달을 위한 설계기준에서 고시한 평가 방법인 온도차이비율(TDR) 평가를 실시하게 된다.
상기 온도차이비율(TDR) 평가는 썸앤윈도우(Therm&Window)와 피지벨(Physibel)의 시뮬레이션 결과 화면에서 최저표면온도를 수동으로 체크한 후, 기설정된 계산식을 활용하여 단열 및 결로 등급을 평가한다.
근래 아파트와 같은 공동주택에 있어서 건축물의 벽면이나 창호의 단열 등의 문제가 발생한다. 이러한 단열 하자는 건축물의 설계 단계 및 시공 단계에서 예측이 어렵고 하자 보수 과정이 어렵고 그 비용도 높게 발생되는 문제점이 있어, 건축물의 초기 설계 단계부터 단열 및 결로에 관한 검토가 필요하며 이에 따라 설계단계에서 단열 및 결로 분석과정의 효율성을 향상시킬 필요성이 있다.
(문헌 1) 대한민국특허등록공보 제1224627호
본 발명은 열전달 해석을 위한 모델링을 새로운 방법을 통해 수행할 수 있는 고효율의 모델링 방법을 제공한다.
실시예는 특정 대상물에 대한 정보를 수신하여 글로벌 격자를 생성하고, 표면 격자 및 내부 셀 검색을 수행하고, 경계 처리를 수행하여 격자 변환하는 격자 변환 파트; 및 상기 격자 변환된 데이터를 수신하여 열전달 솔버 프로그램을 실행하여 열전달 특성을 평가하는 열전달 솔버 실행 파트를 포함하는 열전달 평가 시스템을 제공한다.
상기 격자 변환 파트는, 상기 특정 대상물에 대한 STL 파일로부터 CAD 형상을 읽고, 형상 정보를 추출하여 상기 글로벌 격자를 생성할 수 있다.
상기 형상 정보는 상기 CAD 형상으로부터의 객체, 꼭지점 위치를 추출할 수 있다.
상기 격자 변환 파트는, 상기 꼭지점 위치로부터 기초점을 찾고, 상기 기초점 사이에 들어가는 격자점의 수를 결정할 수 있다.
상기 격자 변환 파트는, 상기 격자점의 수를 결정할 때, XYZ 3방향의 면 각각에 대하여 격자점의 수를 결정할 수 있다.
상기 격자 변환 파트는, 상기 기초점 사이의 격자점의 수를 줄이기 위해 비균일 격자 분포를 수행할 수 있다.
상기 열전달 솔버 실행 파트로부터 평가된 열전달 특성을 수신하고 가공하여 사용자에게 제공하는 결과 정의 파트를 더 포함할 수 있다.
상기 결과 정의 파트로부터 데이터를 수신하여 사용자에게 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
실시예는 기존의 상용되어 있는 프로그램을 통해 해석한 결과 및 실험을 통해 도출한 결과에 대하여 매우 작은 오차율을 가지는 새로운 모델링 방법을 제공한다.
특히, 열 전달 문제를 수치적으로 해석하도록 격자를 생성함으로써, 사용자의 입력을 최소화하면서, 고질의(high quality) 완전 육면체(full hexahedral) 격자를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 격자 개수를 최소화하면서 자동 격자를 생성할 수 있는 방법을 제공하여 최적화된 격자 생성 기법을 제공한다.
이러한 새로운 모델링 방법을 통해 복합 재질 적용 시에 문제가 없고 정확도 및 안정성이 확보된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전달 평가 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 열전달 평가 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 3a 내지 도 3g는 도 2에 따른 각 단계의 상태를 나타내는 화면이다.
도 4는 도 2의 모델의 격자 변환 단계를 상세하게 설명하는 순서도이다.
도 5a 내지 도 5b는 도 4의 정보 추출 단계를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 4의 격자 생성 과정을 간략하게 설명한 도면이다.
도 7a 내지 도 9b는 다양한 객체 형상에 대한 격자 생성의 예를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 예에 따른 실험체의 대상물을 나타내는 도면이다.
도 11는 실험체의 전열 실험에 따른 열전달 상태를 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 10의 실험체의 종래 프로그램을 이용한 열전달 결과와 도 11의 전열 실험의 결과 비교를 나타낸다.
도 13은 도 10의 실험체를 본 발명의 열전달 평가 시스템에 적용하기 위한 경계면의 도면이다.
도 14는 도 10의 실험체를 본 발명의 열전달 평가 시스템에 의해 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 도 10, 도 11 및 도 13을 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전달 평가 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 열전달 평가 시스템의 동작을 나타내는 순서도이며, 도 3a 내지 도 3g는 도 2에 따른 각 단계의 상태를 나타내는 화면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전달 평가 시스템(100)은 평가 대상이 되는 복수의 대상물에 대한 다양한 정보가 저장되어 있는 데이터 베이스(20), 상기 데이터 베이스(20)에서 특정 대상물에 대한 STL 파일을 추출하여 평가 장치(10)로 전송하는 전송부, 그리고 상기 전송부로부터 상기 특정 대상물에 대한 STL 파일을 수신하고, 이를 변환 및 솔버 프로그램을 실행하여 특정 대상물에 대한 열전달 평가를 수행하는 평가 장치(10)를 포함한다.
상기 열전달 평가 시스템(100)은 상기 평가 결과를 표시하여 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이부(30)를 별도로 포함할 수 있다.
대상물에 대한 STL 파일은 대상물의 유체 해석, 구체적으로는 열, 공기 등의 흐름 해석을 진행할 수 있으며, 일 예로 전열 해석에 요구되는 형상 정보와 구조정보, 부위정보, 재료정보, 재료의 물성정보 등을 포함할 수 있다.
구체적으로, 데이터 베이스(10)에 저장되어 있는 다양한 건축물에 대한 부위 정보, 재료 정보와 물성 정보는 기본적으로 건축물의 벽체, 슬라브, 창문, 문 등과 같은 건축물의 기본적인 구조 정보에 따라서 구분되며, 예를 들어, 구조 정보가 벽이나 슬라브라면 이에 따른 부위 정보는 외벽, 지붕, 최하측 바닥, 중간 바닥, 복합 벽체이며, 이에 따른 재료 정보는 구조체 재료로서의 콘크리트, 벽돌, 블록이고, 단열재 재료로서의 비드법, 압출법, 경질우레탄이고, 마감 재료로서의 석고보드, 우드, 석재이고, 물성 정보로서의 비열, 열 관류율, 열 전도율, 용적 비열 등의 요소를 들 수 있다. 또한, 구조 정보가 창문이나 문이라면 해당 구조정보에 따른 부위 정보, 재료 정보 및 물성 정보가 각각 정의된다. 즉, 창문 구조인 경우 부위 정보로서 유리 중앙부, 유리 모서리부, 창틀, 창문틀, 재료 정보로서의 유리의 종류, 창문과 창문틀의 자재로서의 목재, 알루미늄, PVC, 물성 정보로서의 비열, 열관류율, 열전도율, 용적비열, 투과 일사량, 태양열 취득율, 광 투과율이고, 문 구조인 경우 부위 정보로서 문짝, 문틀, 문짝틀, 재료 정보로서 목재, 유리, 강철, 물성 정보로서 비열, 열 관류율, 열 전도율, 용적 비열이다.
평가 장치(10)는 이러한 정보를 수신하고, 전열 해석 프로그램이 로드(load)할 수 있는 파일 포맷으로 자동적으로 변환한다.
이때, 본 발명 실시예의 평가 장치(10)는 모델 접면 처리 파트(11), 격자 변환 파트(12), 열전달 솔버 실행 파트(13) 및 결과 정의 파트(14)로 분류되어 있을 수 있다.
모델 접면 처리 파트(11)는 수신한 STL 파일로부터 대상물의 접면을 분할하여 격자(mesh)를 만들 준비를 하고 대상물을 검토하며, 객체 트리에 처리된 모델을 추가하고, 객체별 열 속성을 선택하여 세팅을 진행한다.
격자 변환 파트(12)는 대상물을 솔버 프로그램에서 처리 가능한 격자 형태로 변환한 뒤 검토를 진행한다.
객체 트리에 변환된 격자를 추가하고, 바운더리별 컨디션을 세팅할 수 있다.
열전달 솔버 실행 파트(13)는 격자, 대상물의 열속성, 바운더리 컨디션을 가지고 솔버 프로그램을 실행하여 결과를 도출한다.
객체 트리에 솔빙된 격자 결과를 추가할 수 있다.
결과 정의 파트(14)는 솔버 프로그램의 결과를 다양한 뷰어 프로그램을 통해 정리한 뒤 디스플레이부(30)를 통해 사용자에게 대상물에 대한 결과 정보를 제공한다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참고하여 열전달 평가 시스템(100)의 동작을 설명한다.
먼저, 열전달 평가 시스템(100)은 평가를 진행할 특정 대상물에 대하여, 데이터 베이스(20)로부터 STL 파일을 로딩한다(S10).
이때, 도 3a와 같이, 특정 대상물의 재질이 다른 각각의 STL 파일을 로딩하고 모델을 검토하게 된다.
다음으로 모델 접면 처리 파트(11)에서 수신한 STL 파일로부터 대상물의 접면을 분할하여 격자를 만들 준비를 하고 대상물을 검토한다(S20).
이때, 정점 오류 보정 필터를 적용하여, 캐드 파일을 주고 받을 때, STL 파일에 정점 데이터를 이용하여 계산 오차로 같은 정점이 다른 정점으로 입력 되는 것을 보정할 수 있다.
또한, 접면 추출 필터를 사용하여 재질이 다른 모델의 열전달 해석을 위해 접면의 추출과 접면에 폴리곤 분할을 제공할 수 있다.
또한, 폴리곤 라인 추출을 진행하여 재질이 다른 모델의 열전달 해석과 모델의 효과적인 표현을 위해서 외곽선의 추출을 진행할 수 있다.
이와 같이, 모델 접면 처리 파트(11)에서 다양한 필터링을 진행하여 격자 형성 전 처리를 진행할 수 있다.
이때, 도 3b와 같이 객체 트리에 처리된 모델을 추가하고, 도 3c와 같이 객체별 열 속성을 선택하여 세팅을 진행한다(S30).
다음으로 격자 변환 파트(12)는 필터링되어 모델 접면 처리된 대상물을 솔버 프로그램에서 처리 가능한 격자 형태로 변환한다(S40). 도 3d와 같이 객체 트리에 변환된 격자를 추가하고, 도 3e와 같이 바운더리별 컨디션을 세팅할 수 있다(S50).
다음으로, 열전달 솔버 실행 파트(13)는 도 3f와 같이 격자, 대상물의 열속성, 바운더리 컨디션을 가지고 솔버 프로그램을 실행하여 결과를 도출하고, 객체 트리에 솔빙된 격자 결과를 추가할 수 있다(S60).
마지막으로, 도 3g와 같이 결과 정의 파트(14)가 솔버 프로그램의 결과를 다양한 뷰어 프로그램을 통해 정리한 뒤 디스플레이부(30)를 통해 사용자에게 대상물에 대한 결과 정보를 제공한다(S70).
이와 같이, 대상물의 접면 처리를 위한 전처리를 진행한 뒤 격자 변환을 진행하고 솔버 프로그램을 실행하는 경우, 종래 적용하던 피지벨(physibel)프로그램을 활용하는 것과 비교하였을 때, 또는 실측에 따라 각 부위의 측정 결과와 비교하였을 때 거의 유사한 수준의 결과를 도출할 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예에서는 격자 변환 파트(12)에서의 동작에 대하여, 글로벌 격자를 생성하고, 표면 격자를 검색한 뒤 내부 셀(cell) 검색을 수행하고 계면 처리를 수행함으로써 최종적인 커스터마이즈된(customized) 격자를 생성할 수 있다.
즉, 복잡한 형상을 가지면서 다양한 재료를 포함하고 있는 열전달 문제를 수치적 방법으로 해석하기 위해서는 각 재료나 형상을 적절히 표현하면서 손쉽게 격자를 생성할 수 있어야 한다. 이때, 각 영역을 독립적으로 격자를 생성하고 이들 영역 사이에 격자점을 모두 일치시키는 방법이 가장 효과적이다.
이와 같이, 각 영역의 격자점을 일치시키기 위해 사용자의 계면(interface)을 최소할 할 수 있는 방법으로 격자를 생성할 수 있는 방법이 제시되었다.
즉, 여러 개의 영역으로 나누어진 계산 영역에 관한 STL 파일(CAD 도면)을 읽어 들이고 이들 영역에 필요한 육면체 격자를 형상 정보로부터 자동으로 생성하도록 격자 변환 파트(12)에서 동작을 수행한다.
이때, 사용자가 필요로 하는 정보를 최소로 할 수 있도록 각 방향으로의 최소 크기 혹은 최소점의 수만을 지정하여 필요한 격자를 생성할 수 있다.
구체적으로, 격자 생성 파트(12)는 형상 읽기, 형상정보축출(도메인, 꼭지점 위치, 표면 정보 등), 글로벌격자생성, 각 도메인의 표면에 해당하는 셀 면 찾기, 내부 셀 찾기, 해석을 위한 읽기의 과정을 수행한다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 다른 격자 생성 파트(12)의 동작을 설명한다.
도 4는 도 2의 모델의 격자 변환 단계를 상세하게 설명하는 순서도이고, 도 5a 내지 도 5b는 도 4의 정보 추출 단계를 설명하는 도면이고, 도 6은 도 4의 격자 생성 과정을 간략하게 설명한 도면이다.
도 4를 참고하면, 격자 생성 파트(12)는 형상을 읽어들이고 정보를 추출한다(S41).
구체적으로 격자 생성 파트(12)는 도 5a와 같이 저장되어 있는 객체 트리로부터 저장된 객체의 STL 파일을 읽어들이고, 이와 같은 3차원의 CAD 형상을 3방향 면에서 투영하여 각 꼭지점의 위치를 찾는다.
이때, 각 꼭지점의 정보는 글로벌 격자를 생성하는 기초 정보가 될 수 있다.
도 5b와 같이, 각 방향에서 투영하는 객체의 형상에서 꼭지점을 찾게 되며, 일 예로, x방향으로는 기초점이 0, 0.2, 0.8, 1.0, y 방향으로는 0, 0.2, 0.5, 0.8 1.0이 된다. 같은 방법으로 z방향으로 기초점들을 구성하게 된다.
다음으로, 각 기초점에 기반하여 글로벌 격자를 형성한다.
글로벌 격자를 형성하기 위해서, 격자 생성 파트(12)는 각 방향의 격자 개수를 결정하고, 비균일 격자 분포를 적용할 수 있다.
구체적으로, CAD 형상으로부터 기초점을 찾고, 이와 같은 기초점을 기초격자점으로 두고, 이들 기초격자점 사이에 들어갈 격자점의 개수를 적절히 분포시킨다.
이에 따라, 격자점을 포함하는 글로벌 격자의 점의 개수를 각 방향에 따라 결정할 수 있다.
도 5b의 기초격자점에 대하여, 두 기초격자점 사이의 최소 개수(2개이상) 혹은 최소 격자의 크기를 지정하여 이에 맞추어 격자를 생성할 수 있다.
기초격자점과 그 사이에 격자격자점의 개수가 결정되면 각 방향으로 기초격자점을 포함한 전체 격자점만큼의 글로벌 격자를 생성한다. 기초격자점 사이의 격자점의 분포는 최종적으로 얻어지는 격자점의 개수를 최소화할 수 있도록 비균일격자분포를 사용할 수 있다.
이때, 비균일격자분포의 사용은 최적의 격자의 분포는 해의 구배(gradient)가 큰 곳에 많은 수의 격자를 배치함으로써 이루어질 수 있다.
일반적으로 경계면 근방에서 해의 구배가 커지며 그 외의 영역에서는 구배가 작아지는 경향을 가진다. 따라서, 계산시간과 효율성을 고려하면 벽면 근방에 격자를 조밀하게 가져가며 대공간에 대해서는 격자의 분포를 성기게 할 수 있다.
또한, 벽면에 격자를 모을 수 있도록 하기 위하여 최대크기와 최소크기의 비율을 매개변수로 하여 격자의 분포를 결정할 수 있다.
이때, 각 방향(x, y, z방향) 격자 생성의 최소단위인 세그먼트(segment)의 시작지점은 1, 끝지점은 R의 크기가 되도록하며, 예를 들어, R=1이면 전체 격자의 크기가 같으며, R>1이면 끝으로 갈수록 격자의 간격이 증가하는 것을 의미하고, R<1이면 격자의 간격이 끝으로 갈수록 좁아지는 것을 의미할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019119296710-pat00001
이때, R<0이면 R배의 크기를 갖는 격자가 중심부에 위치하도록 배치되고, 이를 이용하여 격자의 조밀한 위치를 가장자리 혹은 중심부가 되도록 할 수 있다.
이와 같이, 격자의 개수를 결정하면, 그에 따라 글로벌 격자를 생성한다(S42).
글로벌 격자는 모든 STL 파일의 CAD 형상을 포함할 수 있는 충분히 큰 영역으로 형성되며, 각 방향의 격자 개수에 따라 격자의 분포가 결정된다.
도 6과 같이, 해당 CAD 형상에 대하여, 글로벌 격자가 3차원적으로 표현될 수 있다.
다음으로, 격자 생성 파트(12)는 표면 격자를 검색한다(S43).
즉, 격자 생성 파트(12)는 각 CAD영역에 포함되어 있는 표면 정보로부터 각 격자의 면이 포함되어 있는 모든 면들을 검색할 수 있다. 이때, 모든 면을 대상으로 함으로 많은 시간을 소요하게 되며, 이와 같은 시간을 감소하기 위한 하기와 같은 방법이 제시될 수 있다.
즉, min-max값을 이용해서 가능성이 있는 셀(격자)을 검색하고, 대상 셀에 포함되어 있는 면의 목록을 작성한다.
이때, 공칭 거리를 이용하여 해당 면을 검색할 수 있으며, 공칭 거리는 점으로부터 수직선을 내린 직선의 길이로 정의할 수 있다.
또한, 윈딩 수(winding number)를 이용하여 표면에 포함 여부를 최종적으로 결정할 수 있으며, 윈딩 수는 점을 둘러싼 폐곡선의 수로 정의할 수 있다.
다음으로, 바운더리 정보를 면에 추가하며, 이때, 추출되는 정보는 CAD 형상에서 추출한 표면에 대한 정보를 요한다. 따라서, 표면에 해당하는 표면 격자에 대한 좌표 정보가 모두 검색될 수 있다.
다음으로, 각 형상에 해당하는 표면에 포함되어 있는 면이 검색되면, 내부의 셀(격자)은 이들 면으로 둘러싸인 영역 내에 존재하게 된다.
격자 생성 파트(12)는 이와 같은 내부에 배치되어 있는 셀을 검색하기 위해 셀을 구성하는 면이 표면에 해당하는지 내부 면에 해당하는지 검색한다(S44).
이와 같은 검색은 셀-면을 재귀적으로 검색함으로써 이루어진다.
먼저, 검색을 시작하는 첫 번째 셀은 서브 도메인(서브 객체)을 구성하는 임의의 면을 가지는 임의의 셀을 선택한다.
다음으로, 첫 번째 셀을 구성하는 6개의 셀을 찾고 이것이 객체의 면에 속하면 다음 면으로 넘어갈 수 있다.
만약, 면이 객체의 면이 아니면, 그 현재의 셀을 현재의 객체에 포함된 셀로 표시하고 객체 트리에 저장하고, 면에 대한 검색이 완료된 것으로 표시한다.
다음으로, 새로운 셀을 현재의 셀로 지정하고, 현재의 셀의 모든 면이 검색되거나, 객체의 면에 포함되어 있으면, 더 이상 검색을 할 필요가 없으므로 현재의 셀에 대한 검색을 중단한다.
이때, 새로운 셀을 객체 트리에서 추출하고 나머지 면을 검색을 위해 셀-면 검색을 반복적으로 수행하며, 모든 객체 트리의 셀에 대하여 검색이 수행되면 검색을 종료한다.
다음으로, 격자 생성 파트(12)는 계면을 자동으로 검색한다(S45).
계면(interface)는 면을 공유하는 셀이 가지고 있는 물성 정보가 다른 경우, 이 면은 계면으로 정의되고, 지오메트리 기록에서 제외된다.
이와 같은 계면 검색은 모든 면을 검색 대상으로 하고, 면에 인접한 격자의 물성치를 서로 비교한다. 모든 면에 대하여 계면 여부를 검색한 뒤, 면에 인접한 2개의 셀, 즉 격자가 모두 서브-객체 내에 포함되어 있으면, 해당 면을 계면으로 정의한다. 이 면을 면 리스트에서 제거하게 된다.
마지막으로, 격자 생성 파트(12)는 격자 정보를 출력 가능하도록 설정한다. 즉, 전열 해석을 수행하거나 경계 조건을 설정하기 위해 필요한 정보를 기록하여, 전/후 동작 정보를 읽어올 수 있도록 설정할 수 있으며, 글로벌 격자에서 가지고 있는 정보와 새롭게 검색한 셀의 정보를 이용하여, 면, 격자, 점, 오너, 이웃의 정보를 구성한다.
이와 같이 도 7a 내지 도 9b와 같은 생성이 가능하다.
도 7a 및 도 7b는 객체가 상하로 중첩되도록 배열되어 있는 경우를 도시하고 있으며, 도 8a 및 도 8b는 객체가 사각의 형상을 가지는 경우에서 객체와 격자 생성 후를 각각 나타내고 있다.
도 9a 및 도 9b는 객체가 우각부를 가지는 경우에 객체의 형상과 격자 생성 이후를 나타내고 있다.
이와 같이, STL 파일에서의 객체의 형상이 다양하게 제시되어도 각 형상에 대한 격자 생성이 원반하게 이루어짐을 볼 수 있다.
이와 같이 격자 생성이 종료되면, 앞서 설명한 바와 같이 변환된 격자의 바운더리 컨디션이 각각 세팅되고, 열전달 솔버를 실행한다.
이하에서는 도 10 내지 도 15b를 참고하여 결과를 해석한다.
도 10은 본 발명의 일 예에 따른 실험체의 대상물을 나타내는 도면이고, 도 11은 실험체의 전열 실험에 따른 열전달 상태를 나타내는 그래프이고, 도 12는 도 10의 실험체의 종래 프로그램을 이용한 열전달 결과와 도 11의 전열 실험의 결과 비교를 나타내고, 도 13은 도 10의 실험체를 본 발명의 열전달 평가 시스템(100)에 적용하기 위한 경계면의 도면이며, 도 14는 도 13의 실험체를 본 발명의 열전달 평가 시스템(100)에 의해 분석한 결과를 나타내는 도면이고, 도 15a 및 도 15b는 도 11, 도 12 및 도 14를 비교한 그래프이다.
도 10의 실험체를 대상물로 설정하고, 도 10의 대상물의 4개의 지점을 각각 Center(평면), WW_Corner(2차원우각부), WS_Corner(2차원우각부), 및 WWS_Corner(3차원우각부)로 정의하고 각 지점에 대하여 다음의 표 1과 같이 설정하여 전열 실험을 측정하였다.
구분 측정 설정
Center 외벽+단열재 중앙 (열교의 영향이 없는 중앙부)
①_hot (고온측 표면), ①ㅡin (단열재/구조체 경계면), ①(저온측 표면)
WW_Corner 외벽+단열재(Wall)와 내벽(Wall)의 접면에 형성되는 2차원 우각부)
②_hot (고온측 표면), ②ㅡin (단열재/구조체 경계면), ②(저온측 표면)
WS_Corner 외벽+단열재(Wall)와 슬라브(Slab)의 접면에 형성되는 2차원 우각부)
③_hot (고온측 표면), ③ㅡin (단열재/구조체 경계면), ③(저온측 표면)
WWS_Corner 외벽+단열재(Wall)와 내벽(Wall) 및 슬라브(Slab)가 접하여 형성되는 3차원 우각부)
④_hot (고온측 표면), ④ㅡin (단열재/구조체 경계면), ④(저온측 표면)
공기온도 ⑤_hot (고온측 공기온도_각 측정인접 3cm 별도 측점 설치), ⑤(저온측 공기온도),
이에 대한 결과는 도 11과 같다.즉, 4개의 지점에서 각각 내부 및 외부로 전달되는 온도를 측정한 결과, 중앙평면부가 가장 높은 온도를 가지고, 2차원 우각부, 3차원 우각부 순서로 온도가 하강하는 형상을 나타내고 있다.
즉, 구조 형상에 따라 표면에 인접한 공기 온도가 서로 다르게 나타났으며, 이에 따라 표면 열전달율이 다르게 형성되어 볼 수 있다.
다음으로 도 10의 대상물에 대하여 피지벨(physibel)프로그램을 활용하여 표면 열전달 효율을 도출하였다.
대상물의 재료별 열 전도율은 다음과 같다.
단열재 0.033 W/mK, 콘크리트 16 W/mK, 블록 0.6 W/mK 로 설정하였으며, 이에 대한 도 10의 대상물의 피지벨(physibel)프로그램 결과는 다음과 같다.
구분 저온측
표면 열전달율 [W/m2K]		 저온측 공기온도
[℃]		 저온측 표면온도
[℃]		 구조체 단열재
경계면
[℃]		 고온측 표면온도
[℃]		 고온측 공기온도
[℃]		 고온측
표면 열전달율 [W/m2K]		 비고
Center 5.0 5.18 7.05 9.64 18.30 18.93 9.1 평면
WS_corner 5.0 5.18 7.81 10.80 12.90 16.51 5.0 2차원우각부
WW_corner 5.0 5.18 7.02 11.90 15.84 18.80 5.0 2차원우각부
WWS_corner 5.0 5.18 7.79 10.48 11.83 16.08 3.0 3차원우각부
도 12는 종래 피지벨 프로그램을 적용한 해석값과 도 11의 실험값을 각 지점에 대하여 비교하여 나타낸 것이다.실험값에 대하여 해석값이 오차범위 내에서 각 수치를 나타내고 있음을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 열전달 평가 시스템(100)을 통해 도 10의 대상물의 열전달을 평가한 결과를 나타낸다.
도 13은 도 10의 대상물을 본 발명의 열전달 평가 시스템(100)에 적용하기 위한 경계면의 도면으로서, 건축물의 외기에 접한 면과 실내면의 단면을 잘라낸 것으로, 도 13과 같이 대상물을 바라보는 방향에 따라 다양한 경계가 존재함을 알 수 있다.
본 발명의 열전달 평가 시스템(100)의 솔버 프로그램을 적용할 때, 재료별 열 전도율은 피지벨을 적용할 때와 동일하게 적용하였으며, 그에 대한 해석 결과는 다음의 표 3과 같고, 이를 시각적으로 도 14와 같이 표시할 수 있다.
구분 저온측
표면 열전달율 [W/m2K]		 저온측 공기온도
[℃]		 고온측 공기온도
[℃]		 고온측
표면 열전달율 [W/m2K]		 비고
Center 5.0 5.18 18.93 9.1 평면
WS_corner 5.0 5.18 16.51 5.0 2차원우각부
WW_corner 5.0 5.18 18.80 5.0 2차원우각부
WWS_corner 5.0 5.18 16.08 3.0 3차원우각부
도 15a는 도 10의 대상물에 대하여 각 정점에서의 실험값과 본 발명의 열전달 평가 시스템(100)의 솔버 프로그램을 적용한 결과의 온도차와 기존 프로그램(피지벨)을 적용한 결과와 본 발명을 적용한 결과의 온도차를 각각 나타난 것으로, 그 차이가 0.5도 내외로 매우 근사한 것을 볼 수 있다. 또한, 도 15b는 도 15a의 값을 오차율로 환산한 것으로, 오차율의 범위가 모두 5% 내를 충족하는 것을 확인할 수 있다.이와 같이 본 발명의 솔버 프로그램을 적용하는 경우, 실측값에 대하여 오차범위 내의 결과를 도출할 수 있으며, 종래 사용하는 피지벨 등의 프로그램을 사용하지 않고 신뢰성이 있는 결과 도출이 가능하다.
이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이다.
해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 평가 장치 11: 모델 접면 처리 파트
12: 격자 변환 파트 13: 열 전달 솔버 실행 파트
14: 결과 정의 파트 20: 데이터 베이스
30: 디스플레이부 100: 열전달 평가 시스템

Claims (8)

  1. 특정 대상물에 대한 정보를 수신하여 글로벌 격자를 생성하고, 표면 격자 및 내부 셀 검색을 수행하고, 경계 처리를 수행하여 격자 변환하는 격자 변환 파트; 및
    상기 격자 변환된 데이터를 수신하여 열전달 솔버 프로그램을 실행하여 열전달 특성을 평가하는 열전달 솔버 실행 파트를 포함하고,
    상기 격자 변환 파트는, 상기 특정 대상물에 대한 STL 파일로부터 CAD 형상을 읽고, 형상 정보를 추출하여 상기 글로벌 격자를 생성하고, 상기 형상 정보는 상기 CAD 형상으로부터의 객체, 꼭지점 위치를 추출하고, 상기 격자 변환 파트는, 상기 꼭지점 위치로부터 기초점을 찾고, 상기 기초점 사이에 들어가는 격자점의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 열전달 평가 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 격자 변환 파트는,
    상기 격자점의 수를 결정할 때, XYZ 3방향의 면 각각에 대하여 격자점의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 열전달 평가 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 격자 변환 파트는,
    상기 기초점 사이의 격자점의 수를 줄이기 위해 비균일 격자 분포를 수행하는 것을 특징으로 하는 열전달 평가 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전달 솔버 실행 파트로부터 평가된 열전달 특성을 수신하고 가공하여 사용자에게 제공하는 결과 정의 파트를 더 포함하는 열전달 평가 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 결과 정의 파트로부터 데이터를 수신하여 사용자에게 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 열전달 평가 시스템.
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