Simcenter STAR-CCM+란 무엇인가?
Simcenter STAR-CCM+의 역할과 해석 절차를 액랭 콜드플레이트 예로 설명합니다. 유체와 고체의 열전달을 모델링하고, 온도와 압력손실을 비교하며, 시험으로 결과를 검증하는 기준을 정리합니다.
델타이에스 엔지니어
Simcenter STAR-CCM+란 무엇인가요? 유체의 흐름과 열전달을 비롯해 서로 영향을 주는 물리 현상을 모델링하고, 격자 생성부터 계산·결과 분석까지 수행하는 전산유체역학(CFD) 소프트웨어입니다.
예를 들어 인버터의 액랭 콜드플레이트는 유로를 바꾸면 부품 온도와 압력손실이 함께 달라질 수 있습니다. 이 글에서는 어떤 영역과 조건을 모델링하고, 어떤 결과를 비교해야 설계안을 판단할 수 있는지 살펴봅니다.
그림 1. 전력반도체를 냉각하는 콜드플레이트의 내부 유로 (AI 생성 개념도)
핵심 요약
유동과 고체의 열전달이 함께 영향을 주는 문제에서는 냉각수 유로, 발열 부품, 열이 전달되는 고체 영역을 함께 모델링합니다.
설계안을 비교할 때는 최대 온도와 압력손실을 함께 보고, 격자와 경계조건을 바꿔도 판단이 유지되는지 확인합니다.
검증은 실제 시험과 같은 위치·운전 조건의 값을 비교하고 모델의 사용 범위를 정하는 과정입니다.
STAR-CCM+가 다루는 물리와 적용 범위
CFD는 유체가 흐르는 영역을 작은 계산 셀로 나눠 속도와 압력 등을 구하는 방법입니다. 전자 냉각에서는 고체 안에서 전도로 이동한 열이 유체로 전달되고 유체 흐름에 따라 냉각 성능이 달라집니다. 고체와 유체의 온도장을 연결해 계산하는 방법을 복합 열전달(CHT) 해석이라고 합니다.
콜드플레이트에서는 부품이 발생시킨 열이 열전달 재료(TIM)와 금속판을 지나 유로 벽에 도달하고, 냉각수가 이 열을 가져갑니다. 입구 유량과 온도가 같아도 유로의 분배나 접촉 열저항이 다르면 부품의 온도가 달라질 수 있습니다. 비교하려는 설계 변수에 따라 주요 열전달 경로와 유로를 해석 영역에 포함합니다.
그림 2. 고체에서 냉각수로 이어지는 열전달 경로 (AI 생성 개념도)
STAR-CCM+는 열유동 외에도 회전 기계, 여러 유체 상이 섞이는 다상유동 등 다양한 해석에 활용할 수 있습니다. 적용할 물리 모델은 설계 질문에 맞춰 고릅니다. 예를 들어 액체로 채워진 유로의 압력손실과 온도를 비교하는 문제에서는 먼저 단상 유동과 열전달을 검토합니다.
액랭 콜드플레이트를 해석하는 순서
1. 계산 영역과 경계조건을 정합니다
발열 부품, 접촉층, 금속판을 고체 영역으로 두고 냉각수가 흐르는 내부 공간을 유체 영역으로 만듭니다. 입구 유량과 냉각수 온도, 출구 압력처럼 계산 영역의 가장자리에서 유동과 온도를 정하는 경계조건을 설정합니다. 발열량, 냉각수와 고체의 물성, 외부 열손실을 반영하는 방법도 기록합니다.
두 유로안을 같은 유량에서 비교할지, 같은 펌프를 연결했을 때 비교할지 먼저 정합니다. 같은 펌프를 쓰면 유로의 압력손실 특성에 따라 실제 유량이 달라질 수 있습니다.
그림 3. STAR-CCM+ 가열 금속판 예제의 영역·경계조건 설정 화면
출처 · Gerald Recktenwald, Portland State University, STAR-CCM+ 13.02 교육 자료, 9쪽
2. 격자와 관심 결과를 함께 점검합니다
좁은 유로, 굴곡, 유체와 고체가 맞닿는 벽처럼 속도나 온도 변화가 큰 영역의 격자를 확인합니다. 난류 모델을 쓴다면 벽면 처리 방식에 맞는 격자도 고려합니다. 대표 운전 조건에서 격자를 단계적으로 세분화하며 관심 부품 온도와 압력손실의 변화를 비교합니다.
계산 중에는 잔차와 함께 입·출구 유량의 균형, 주요 부품 온도와 압력손실이 안정되는지 봅니다. 온도 분포는 고온 위치를, 유선과 단면별 유량은 냉각수가 지나가는 경로와 분배를 설명합니다. 설계안끼리 그림을 비교할 때는 같은 단면, 색 범위, 평가 위치를 사용합니다.
실행 화면. STAR-CCM+의 Run 버튼과 계산 반복에 따른 에너지 잔차 그래프
출처 · Gerald Recktenwald, Portland State University, STAR-CCM+ 13.02 교육 자료, 11–12쪽
그림 4. STAR-CCM+로 계산한 액랭 배터리 모듈의 유로 배치별 단면 온도 분포
출처 · Gao 외, Energies (2025), 그림 9 · CC BY 4.0
3. 시제품과 같은 조건으로 비교합니다
시험에서는 냉각수 입·출구 온도와 유량, 두 압력 측정 위치, 발열부의 입력 전력, 온도 센서 위치를 기록합니다. 해석에서도 같은 두 위치의 압력 차이와 같은 표면 위치의 온도를 추출합니다. 접합온도가 설계 기준이라면 표면 온도와 별개로 접합온도에 적합한 평가 방법을 정합니다.
차이가 크면 발열 입력과 외부 열손실, 접촉층, 시험 배관 및 측정 불확실성부터 점검합니다. 시험에 맞춰 모델을 보정했다면 가능한 경우 별도 유량이나 전력 조건에서 다시 비교합니다.
그림 5. 히터와 센서를 사용하는 콜드플레이트 시험 구성 (AI 생성 개념도)
설계안을 비교하는 판단 기준
굴곡형과 병렬형 유로의 결과는 통과해야 하는 온도 기준과 시스템에서 허용하는 압력손실을 함께 놓고 평가합니다. 같은 유량에서 두 유로의 차이를 살핀 뒤, 실제 펌프와 배관을 포함했을 때 그 유량을 확보할 수 있는지 확인합니다.
그림 6. 굴곡형 유로와 병렬형 유로 설계안 (AI 생성 개념도)
설계 질문 | 확인 지표 | 비교 조건과 판단 방법 |
|---|---|---|
가장 뜨거운 부품에 여유가 있는가? | 최대 온도, 고온 위치, 온도 여유 | 같은 발열과 냉각 조건에서 허용온도와 같은 물리량을 비교합니다. |
펌프로 필요한 유량을 확보할 수 있는가? | 두 위치의 압력손실, 압력손실과 유량의 관계 | 동일한 압력 평가 위치를 쓰고 펌프와 시스템의 운전점을 확인합니다. |
병렬 유로에 냉각수가 고르게 흐르는가? | 가지별 유량, 부품 간 온도 차이 | 같은 입구 조건에서 유량이 적은 가지와 고온부 위치를 함께 봅니다. |
시험에서도 같은 판단이 유지되는가? | 온도·압력 차이와 불확실성 | 같은 측정 위치와 운전 조건을 사용하고 그 차이가 설계 결정을 바꾸는지 확인합니다. |
해석 검토 체크리스트
설계 질문, 고정 조건, 비교 지표와 허용 기준을 정했는가?
열원과 냉각수 경계조건, 압력과 온도의 평가 위치를 문서화했는가?
격자 변경과 입력값 범위에서 결과와 설계안의 순위가 유지되는가?
시제품 시험 조건과 해석 조건이 일치하고 차이의 원인을 설명할 수 있는가?
그림 7. 비교 기준 설정부터 해석·실측 검증까지의 절차 (절차 도식)
기판·패키지·함체 중심의 전자냉각 모델링은 Simcenter Flotherm의 전자기기 열·유동 해석에서 살펴볼 수 있습니다. 설계자가 CAD 환경에서 형상 변경안을 비교하는 방법은 Simcenter FLOEFD의 CAD 기반 열·유동 해석을 참고할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
유동 해석과 복합 열전달 해석은 어떻게 다른가요?
유동만 계산하면 속도와 압력 분포를 볼 수 있습니다. 부품 온도까지 평가하고 고체와 냉각수 사이의 열전달 영향이 크다면 두 영역을 연결해 열전달을 계산합니다.
격자를 세분화하면 결과를 신뢰할 수 있나요?
격자 세분화는 계산 결과가 격자 크기에 얼마나 민감한지 확인하는 방법입니다. 발열량, 물성, 접촉 조건과 측정 위치의 영향은 별도로 살펴보고 결과가 설계 판단에 적합한지 시험과 비교합니다.
냉각수 유량을 늘리면 어떤 점을 함께 봐야 하나요?
유량이 변하면 부품 온도와 함께 유로의 압력손실 및 펌프 운전점이 달라질 수 있습니다. 관심 온도와 필요한 유량을 만족하는지, 펌프가 그 조건에서 동작할 수 있는지 확인합니다.
참고 자료
Siemens · Simcenter STAR-CCM+ · 다중물리 CFD, 격자 생성, 설계 탐색
NASA Glenn Research Center · Examining Spatial (Grid) Convergence · 격자 세분화와 결과 변화 확인
NASA Glenn Research Center · Validation Assessment · 사용 목적에 따른 모델 검증
글쓴이 델타이에스 엔지니어
델타이에스는 Siemens Simcenter 파트너로, 본문에 언급된 제품의 공급과 기술 지원을 하고 있습니다.