Ansys Speos 및 Multiphysics를 활용한 적외선 영역 (IR) 분석 1
이번 블로그에서는 Ansys Speos 및 다양한 물리학 도구를 활용한 적외선 영역(IR) 분석에 대해 설명합니다. Ansys Speos는 주로 자동차 헤드램프, 조명, 카메라 분야와 같은 눈에 띄는 영역에서 사용되어 왔습니다. 그러나 Ansys Speos의 제품 등급을 높이면 가시광선 영역뿐만 아니라 자외선과 적외선 영역까지 해석이 가능하며, Ansys의 다른 제품인 Mechanical과 Fluid 제품들의 결과도 반영하여 해석이 가능합니다. 따라서 이 블로그에서는 Aero & Defense 분야에서 빈번히 활용되는 IR 영역에 대한 적외선 해석 사례를 다룹니다.
적외선 영역
적외선 영역의 사용 예를 들자면 코로나 시기 외부에서 유입되는 사람들의 체온을 측정하던 열화상 카메라를 한 예로 설명할 수 있습니다. 열을 가진 물체들은 복사열을 발산하는데, 이때 나오는 복사열을 감지할 수 있는 영역은 눈으로 볼 수 있는 가시광선 영역의 파장대를 넘는 적외선 영역입니다. 일반적으로 적외선 영역은 근적외선 영역(NIR), 단적외선(SWIR), 중적외선(MWIR), 장적외선(LWIR), 원적외선(FIR)으로 구분됩니다.
적외선 카메라와 열화상 카메라들은 모든 적외선 영역을 포함하는 것이 아니라 센서에서 인지하는 파장대 영역에 따라 분류됩니다. 파장대 영역에 따라 인지 가능한 물체가 다르며 센서의 가격도 달라서 사용 환경에 따라 적합한 파장대 영역의 카메라를 사용하게 됩니다. 흔히 보게 되는 열화상 카메라는 MWIR과 LWIR 파장대 영역에서 사용되고 있는데, 보통 Defense 분야와 초음속으로 이동하는 항공기에 대해서는 MWIR 파장대 영역의 카메라가 사용되고 있습니다. 또한, 자율 주행 자동차 분야에서도 적외선 카메라 및 센서가 사용되며 전자 광학 카메라와 센서에서 인지 못하는 물체에 대하여 열을 가지는 물체에서 나오는 복사열을 감지하여 좀 더 정확하고 안전한 시스템을 만드는데 이용되고 있습니다.
Ansys Speos InfraRed
Ansys Speos에서 IR 해석을 진행하기 위해서는 Thermic source를 활용합니다. Source의 온도와 광학적 특성에 따라 Flux 및 Spectrum이 정의되는데 형상의 면을 사용하여 표면에 대한 열 조건 Source를 정의할 수도 있습니다. Ansys Thermal simulation을 통해 열해석을 진행한 후 Multiphysics Tool을 이용하여 TemperatureField file을 생성하여 좀 더 정확한 Thermic source를 구현할 수도 있습니다.
아래는 표면에 대하여 Thermic source를 구현한 항공기 형상과 추가적인 열해석을 진행하여 TemperatureField file로 Thermic source를 구현한 이미지입니다.
IR 결과를 확인하기 위해서는 Camera sensor를 사용하는데 설정된 카메라의 광학 정보에 따라 실제 카메라와 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 다만, 카메라의 왜곡율과 투과율, 그리고 IR 카메라의 정보에 대한 값이 필요한데 이번 블로그에서는 Ansys로부터 제공받은 설정값을 이용하여 진행하였습니다.
아래는 설정한 Camera sensor의 Framing을 보여줍니다. 앞에서 설정한 Camera Sensor의 광학 설정 정보에 따라 Camera에 인식되어지는 Framing이 달라지게 됩니다.
위에서 설정한 값을 이용하여 Inverse simulation으로 IR Image에 대한 해석을 진행하였으며 결과 이미지는 아래와 같습니다. 해석을 통해 나온 결과를 보면 항공기의 표면에 비하여 엔진 배기구에서 나오는 Plume 영역이 더 높은 IR 값이 나오는 것을 확인할 수 있습니다.
현재 시뮬레이션의 설정 및 입력 값들은 간단하게 임의의 값을 지정하여 진행하였지만, 이 블로그에서 다룬 결과는 Ansys Speos와 Fluent, Mechanical을 활용한 Multiphiysics 해석 사례로 소개될 수 있다고 봅니다. 또한, 항공기의 생존성에 대한 IR 해석이 중요하게 여겨지고 있는데, 이 부분에 대하여 Ansys Speos를 적용할 수 있을 것으로 판단됩니다. 다만, 정확한 해석과 결과를 위해서는 정밀하고 정확한 모델 및 입력값들이 필요할 것이며, IR 해석에 있어 중요한 것은 항공기의 열 분포 데이터입니다. 다음에 작성할 블로그에서는 Fluent를 활용하여 Plume 모델을 생성한 과정에 대해 자세히 설명하도록 하겠습니다. 그 동안 이번 블로그를 통해 제공된 내용이 도움이 되었기를 바랍니다.
