2025년 CFD 분야 연구동향 분석

1. 서 론

전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD)은 제품 개발, 설계 최적화, 성능 개선에 활용되는 핵심 공학 도구로 자리 잡았다. 컴퓨터 성능의 향상과 수치해석 기법의 고도화에 힘입어, CFD는 산업 장치의 운전 조건 비교, 성능 편차 원인 진단, 설계 대안 평가 등 실용적 의사결정을 지원하는 방향으로 적용 범위를 넓혀가고 있다. 반도체 폐가스 스크러버, U자형 초음파 유량계, 엘보 배관 내 혼합 장치 등 다양한 산업 장치에서 유동 특성이 처리 효율과 계측 신뢰성, 혼합⋅열전달 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 바탕으로 설계 변수의 최적화와 성능 개선을 지원하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 논문에서는 2025년도 한국유체기계학회에서 발표된 CFD 분야 논문 중 세 편의 연구를 중심으로, 최신 연구 동향과 기술 발전 방향을 살펴보고자 한다.

2025년 한해 동안 CFD 관련 총 3편의 논문이 게재되었으며, 지난 3년간 CFD 분야에 투고된 논문 수는 다음과 같다.

2023년^(1-6)에는 친환경 에너지 전환과 공정 효율 향상을 목표로 한 연구가 상대적으로 두드러졌다. 대표적으로, SCR 설비 내부 유동 균일화를 통해 배기가스 내 질소산화물 제거 성능을 높이려는 연구, 수영장 여과 시스템의 스트레이너 형상 변화에 따른 유동 및 여과 효율 개선 연구가 보고되었다. 또한 연료전지(PEMFC) 유동 채널 설계를 통해 성능 향상 연구와, 해수이차전지 모듈 주변 유동 특성을 수치적으로 분석하여 배치⋅운용 관점의 기초 정보를 제시한 연구가 발표되었다. 이와 함께, 실험 기반 안전 해석 시뮬레이션이나 PAV용 AI 설계 프로펠러 공력 특성 평가 등 적용 분야가 다양화되는 경향도 확인되었다.

2024년^(7-10)에는 CFD를 단순 성능 분석뿐만 아니라, 최적화⋅설계 자동화와 결합하여 설계 변수를 체계적으로 탐색하는 연구가 증가하였다. 구체적으로 열전발전기(TEG) 핀 형상 변화에 따른 경계층 열전달 특성 및 성능 개선, 전기화학 수소 압축기에서 셀 디자인 변수의 영향 분석, 초발수표면(SHS) 적용 난류 채널 유동의 저항 저감 효과 예측 모델링, 그리고 리튬이온 배터리팩의 입⋅출구 위치 최적화에 기반한 열전달 성능 향상 연구 등이 발표되었다. 또한, CFD 해석과 머신러닝을 결합하여 설계 자동화 및 최적화 기법을 적용하여 효율적인 최적화를 위한 연구가 활발하게 진행되었다.

2025년^(11-13)에는 산업 공정 장치 및 계측 시스템처럼 실제 운전 환경과 직결된 내부 유동 문제를 대상으로, CFD를 통해 유동⋅열⋅다상 현상을 정량화하고 설계/운전 변수 변화의 영향을 비교⋅평가하려는 연구가 두드러졌다. 공정 장치 관점에서는 유입 조건의 변화가 장치 내부의 온도 및 성분 분포의 균일성에 어떤 영향을 미치는지를 분석하여, 처리 성능과 운전 안정성을 높이기 위한 설계 방향을 제시하는 접근이 활용되었다. 또한 정밀 유량 계측과 관련해서는 유동 조건과 물성 변화에 의해 유발될 수 있는 공동현상(cavitation)을 수치적으로 해석하고, 배관 곡관 유동과 같은 대표적인 혼합 문제에서는 내부 유동 제어 개념을 바탕으로 혼합 성능 향상과 손실(압력 강하) 사이의 균형을 고려하는 CFD 기반 설계⋅최적화 기법 범위가 확장되는 경향을 확인하였다.

요약하자면, 2023년에는 친환경⋅에너지 시스템의 효율 향상과 관련된 연구가 증가하며 유동 균일화 및 시스템 성능 개선 중심의 적용이 확대되었고, 2024년은 다양한 에너지⋅전기화학⋅열관리 시스템을 대상으로, CFD 해석 결과와 최적화 기법을 결합한 접근 방법이 증가하는 경향을 보였다. 2025년에는 반도체 공정 후처리 장치, 초음파 유량계, 곡관 배관 혼합 장치 등 현장 적용성이 높은 대상에서 운전 조건 변화에 대한 민감도 분석과 형상/배치 최적화를 결합한 연구가 두드러졌다.

본 논문에서는 2025년도 한국유체기계학회에서 발표된 CFD 분야 논문 3편의 연구 내용을 종합적으로 정리하여, 최신 연구 동향 및 기술 발전 방향을 살펴본다. 2025년 한국유체기계학회 논문집에 발표된 논문은 다음과 같다.

•   <발표된 논문 목록>
• 1) 반도체 스크러버의 입구 위치 및 유량 조건에 대한 수치 해석 연구
• 2) 엘보 파이프 내 개방형 와류기 날개 최적화를 통한 유동 혼합 개선
• 3) 유동 조건에 따른 U자형 초음파 유량계 내부 공동현상에 관한 수치해석적 연구

2. 2025년 CFD 분야 발표 논문 분석

류은서⁽¹¹⁾ 등은 반도체 제조 공정에서 배출되는 난분해성 폐가스를 처리하기 위한 가스 스크러버 시스템을 대상으로, 반응기 내부의 열⋅유동 특성이 처리 효율과 어떤 방식으로 연결되는지를 CFD로 정량화하였다. 상용소프트웨어인 ANSYS FLUENT와 k-ω SST 난류 모델을 활용하여 수치해석을 수행하였다. 네 가지 유입 위치 조합을 시뮬레이션 하였으며, 대칭 구조인 유입구를 사용하는 조건에서 온도 표준편차가 2.40°C로 가장 낮게 나타나 온도장의 균일성을 확보했음을 입증하였고, 이는 가스 유입구 구성에 따라 온도 분포의 표준편차가 최대 86%까지 차이 날 수 있음을 보여주었다. 특히 스크러버 상부의 다중 유입구 배치가 챔버 내부 온도 균일성과 폐가스 성분(SiH₄) 분포에 미치는 영향을 중심으로, 유입 위치 조합을 바꿨을 때 온도 분포의 표준편차가 크게 달라질 수 있음을 보이며, 단순히 고온 영역을 만드는 것만으로는 충분하지 않고 챔버 전반에 걸친 균일한 열⋅혼합 환경이 중요하다는 점을 강조하였다. 또한 온도 균일성이 개선될수록 SiH₄ 몰분율 편차도 함께 감소하는 경향을 제시하여, 온도장(temperature field)과 조성장(species field)을 동시에 관리하는 설계 관점의 필요성을 드러냈다. 또한, 동일한 유입구 위치 조건에서 유량비를 조정하여, 유량비 변화가 온도 분포에 영향을 줄 수는 있으나, 특정 조건에서는 기본 설정을 압도하는 수준의 개선이 제한적일 수 있음을 보여주고, 결과적으로 유입구 위치 최적화가 성능을 좌우하는 핵심 인자로 작용함을 시사한다. 이러한 결과는 스크러버의 정화 성능이 유입구 배치뿐만 아니라 하부 영역의 혼합 구조 및 다공성 매질(촉매층)의 압력 강하 특성에 복합적인 영향을 받음을 시사한다. 이에 따라 향후 연구는 유입구 형상 변경과 내부 구조 재배치를 포함하여, 촉매층 및 다공판 설계 변수까지 통합적으로 고려한 시스템 최적화로 확장될 필요가 있다. 본 연구는 운전 조건(유량 조절)보다 구조적 설계(유입구 배치)가 우선적인 성능 개선 인자임을 규명함으로써, 스크러버 시스템의 성능을 더 정교하게 조정할 수 있는 기술적 기준이 마련될 것이며, 환경 유해 물질의 처리에 있어서 후처리 시스템의 고효율이 가능할 것으로 기대된다.

김현진⁽¹²⁾ 등은 엘보 파이프(특히 90° 엘보) 내부에서 곡률로 인해 형성되는 딘 와류(Dean vortex)가 유동을 특정 경로로 정돈시키면서 오히려 혼합을 제한할 수 있다는 점에 주목하고, 이를 완화하기 위한 수동 장치로 개방형 와류기(swirl generator)를 적용한 뒤 날개 각도 최적화를 통해 혼합 성능을 끌어올리는 접근을 제시하였다. 이 연구의 핵심은 엘보라는 제한된 배관 환경에서 혼합을 개선할 때 흔히 동반되는 압력 손실 증가 문제를 함께 고려하되, 설계 변수(날개 입구 각⋅출구 각)의 변화에 대해 혼합 지표와 압력 강하 지표가 서로 다른 민감도를 보인다는 점을 먼저 확인하고, 그 결과에 기반해 성능을 향상시키면서도 압력 손실은 과도하게 늘리지 않는 설계 방향을 체계적으로 탐색했다는 데 있다. CFD 해석에서는 곡관 및 벽면 근처 전단을 잘 포착할 수 있는 SST k-ω 모델을 사용하고, 난류 운동에너지(TKE)와 압력 강하를 성능 지표로 두어 형상 변화의 영향을 비교하였다. 특히 날개 각도 조합에 따라 TKE 변화 폭이 상대적으로 크게 나타나는 반면, 압력 강하 변화는 제한적일 수 있음을 제시함으로써, 제한된 계산 자원에서도 목표 함수를 명확히 두고 최적화를 수행할 수 있음을 보여준다. 또한 Surrogate Management Framework(SMF) 기반의 대리모델 최적화를 적용하여, 전수 탐색이 어려운 설계공간에서 유망한 설계 조합을 효율적으로 찾아가는 방법론을 실제 배관 혼합 문제에 연결했다는 점도 의미가 있다. 응용 관점에서는, 별도의 구동부 없이 내부 유동 구조만 조절하는 방식이므로 산업 배관에서 적용 장벽이 비교적 낮고(구조 단순성), 혼합/전달 성능이 중요한 공정 라인에서 에너지 효율 관점의 개선 가능성을 시사한다. 향후에는 레이놀즈 수 범위 확대, 다른 와류기 형상 변수(날개 수, 길이, 허브 등)까지 포함한 다변수 최적화, 그리고 실험 또는 현장 데이터 기반 검증이 결합될 경우, 곡관 구간 혼합 개선을 위한 실용 설계 지침으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 5회의 반복 최적화 과정을 거쳐 도출된 케이스(입구각 110°, 출구각 27°)의 경우, 기준 형상 대비 TKE는 5.97% 향상시키면서도 압력 강하는 오히려 1.59% 감소시키는 성과를 거두어 혼합 성능 개선과 에너지 효율 최적화라는 상충하는 목표를 동시에 달성할 수 있음을 입증하였다. 이러한 결과는 초기 5개의 LHS(Latin Hypercube Sampling) 샘플에서 시작해 크리깅(Kriging) 대리 모델을 거쳐 최적점으로 수렴하는 체계적인 절차를 배관 혼합 문제에 적용한 것으로, 향후 입구각과 출구각의 역할을 분리 접근하여 산업용 곡관의 유동 제어 장치 설계 최적화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

김재현⁽¹³⁾ 등은 반도체 세정 공정 등에서 요구되는 정밀 유량 계측의 신뢰성을 저해하는 요인 중 하나인 기포에 주목하고, U자형 초음파 유량계 내부에서 유동 조건 변화에 따라 공동현상(cavitation)이 어떻게 발생하고 확장되는지에 대하여 3차원 수치해석을 수행하였다. Mixture 모델과 Zwart-Gerber-Belamri 공동 모델을 활용하여 작동유체(물, 아세톤, 50/50 EGW)와 운전 조건(출구 압력, 입구 유량, 온도)이 기포 생성 부피에 미치는 영향을 정량화하였고, 분석 결과 유동 방향이 수직으로 급격히 변하는 출구 측 접합부가 국부적 압력 강하와 유속 증가를 유발하는 핵심 공동 발생 지점임을 확인하였다. 이 연구는 기포가 외부에서 유입되는 경우뿐 아니라, 유량계 내부의 급격한 유동 방향 변화 및 국부적 압력 저하로 인해 장치 내부에서 기포가 생성될 수 있다는 문제 설정을 하고, 장치의 형상 특성과 운전 조건이 공동 발생에 미치는 영향을 설명하였다. 해석은 출구 압력, 입구 유량(유속), 유체 온도, 작동 유체 종류를 주요 변수로 두고 수행되며, 조건 변화에 따라 기포 생성 영역이 어떻게 달라지는지를 비교함으로써 공동 발생이 쉬운 운전 구간과 회피 가능한 운전 구간을 구분할 수 있는 근거를 마련한다. 결과적으로 출구 압력이 낮아지거나 입구 유량이 증가할수록 기포 생성 영역이 확대되는 경향을 보이고, 온도 및 유체 물성 변화가 유동장과 공동 특성에 추가적인 영향을 준다는 점을 제시하였다. 특히 유량계에서 공동 발생 여부를 가르는 임계 캐비테이션 수(critical cavitation number)를 수치적으로 도출하여, 단순한 정성 판단을 넘어 운전 조건의 경계선을 정량화하였다. 이는 계측 장치 관점에서 정확도 저하를 유발하는 내부 기포 생성 메커니즘을 운전 변수와 연결해 설명하였고, 장치 설계(급격한 방향 전환 구간의 형상 완화 등)와 운전 조건 설정(출구 압력, 유량 범위 관리)의 우선순위를 정하였다. 이러한 연구 결과는 초음파 유량계의 계측 오차를 유발하는 내부 기포 생성 기전을 운전 변수와 직접 연결하여 설명함으로써, 실제 반도체 공정 라인에서 유량계의 신뢰성을 확보하기 위한 최적 운전 가이드라인을 제공할 것으로 기대된다. 특히 장치 설계 단계에서 유동 방향이 급격히 전환되는 구간의 형상 최적화 필요성을 시사할 뿐만 아니라, 출구 압력 및 유량 범위를 정밀하게 관리하여 공동현상을 사전에 차단함으로써 고정밀 세정 공정의 수율 향상 및 시스템 안정성 강화에 기여할 것으로 기대된다.

3. 결 론

본 논문에서는 2025년도 한국유체기계학회 논문집에 게재된 CFD 관련 세 편의 연구를 종합적으로 정리하여 최신 연구 동향과 기술 발전 방향을 살펴보았다. 2025년에는 반도체 폐가스 처리를 위한 스크러버 내부 열⋅유동 균일성 개선, 엘보 파이프에서의 혼합 성능 향상을 위한 와류기 설계 변수 최적화 연구, 그리고 반도체 세정 공정에서 활용되는 U자형 초음파 유량계의 공동현상 발생 특성 분석 및 임계 운전 조건 도출 연구가 보고되었다. 이 연구들은 CFD가 단순한 유동장 재현을 넘어, 장치 설계 변경의 타당성을 비교⋅평가하고 운전 조건의 허용 범위를 정량적으로 제시하는 실무 지향형 도구로 활용 범위를 확대하고 있음을 보여준다. 향후에는 이러한 흐름이 더욱 확장되어, 실제 운전 환경에서의 불확실성(유량 변동, 온도 변화, 유체 물성 변화 등)을 고려한 설계, 다상⋅열⋅화학반응⋅다공성 매질 등 복합 물리 모델의 신뢰도 향상, 실험 데이터와의 정합을 통한 검증 체계 강화, 인공지능(AI) 모델 및 데이터 기반 기법을 활용한 설계 공간 탐색의 효율화 등이 중요한 연구 방향으로 제시될 수 있다. 결과적으로 2025년의 연구 경향은 CFD가 공정 장치와 유체 시스템의 성능 향상을 위한 분석 도구를 넘어, 설계 최적화와 운전 전략 수립을 지원하는 실용적 설계 플랫폼으로 정착해 가는 과정을 보여주며, 다양한 산업 응용 분야에서 에너지 효율 향상과 신뢰성 확보에 더욱 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다.

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