수치해석에 유용한 SSD (메모리디스크) 가이드

본 자료는 ITWORLD 기사에서 2020년 6월과 4월 자료에서 발췌 인용된 자료입니다. (출처 : www.itworld.co.kr)

수치해석을 하는 경우 계산과정에서 생성되는 결과 파일 사이즈는 매우 크기 때문에, 빠른 디스크 속도는 사용자의 총 해석시간을 줄이는데 큰 도움이 됩니다.

수치해석에서 SSD가 필요한가?

수치해석 업무를 담당하는 사용자에게 SSD가 필요한가? 한마디로 말하면 수치해석을 하는 모든 사람은 보유하고 있는 수치해석 장비의 디스크를 SSD로 업그레이드하는 것이 좋다. 가장 빠른 기계식 하드 드라이브도 SSD 속도에는 미치지 못한다.

기존 노트북, 또는 데스크톱의 하드 드라이브를 SSD로 교체하면 완전히 새로운 시스템처럼 느낄 수 있다. 수치해석을 하는 사용자는 SSD를 구입하는 것은 컴퓨터를 업그레이드하는데 가장 적합한 옵션이다.

SSD는 기계식 하드 드라이브보다 기가바이트 당 비용이 더 많이 들기 때문에 초 고용량으로 제공되지 않는 경우가 많다. 속도와 저장 공간이 필요한 경우, 128GB 나 256GB의 SSD를 구입해 부팅 드라이브로 사용하고, 기존 하드 드라이브를 PC의 보조 저장 장치로 사용하면 최선의 선택이 된다.

하드 드라이브는 가격 대비 용량 측면에서 여전히 큰 이점을 제공하며, 자주 사용되지 않는 데이터를 저장하는 용도로 적합하다. 그러나 운영체제, 프로그램, 자주 사용하는 데이터에는 보유하고 있는 시스템이 지원한다면 NVMe SSD, 지원하지 않는다면 SATA SSD를 사용하는 것이 좋다.

아래 그래프를 보면 SSD를 왜 사용해야 하는지 명확해진다.

SATA SSD vs. NVMe SSD

시장에 SATA SSD와 NVMe SSD가 아직 공존하는 데는 이유가 있다. 메모리 기반 SSD의 잠재력을 감안할 때 결국 새로운 버스와 프로토콜이 필요할 수밖에 없으리란 점은 초기부터 명확했다. 그러나 초창기 SSD는 비교적 속도가 느렸으므로 기존 SATA 스토리지 인프라를 사용하는 편이 훨씬 더 편리했다.

SATA 버스는 버전 3.3에 이르러 16Gbps까지 발전했지만 거의 모든 상용 제품은 여전히 6Gbps에 머물러 있다(오버헤드를 더해 대략 550MBps). 버전 3.3이라 해도 현재 SSD 기술, 특히 RAID 구성으로 낼 수 있는 속도에 비하면 한참 느리다.

그 다음으로 등장한 방법은 역시 기존 기술이지만 대역폭이 훨씬 더 높은 버스 기술인 PCI 익스프레스, 즉 PCIe 활용이다. PCIe는 그래픽 및 기타 애드온 카드를 위한 기본 데이터 전송 계층이다. 3.x 세대 PCIe는 복수의 레인(대부분의 PC에서 최대 16개)을 제공하며, 각 레인은 1GBps(985MBps)에 가까운 속도로 작동한다.

PCIe는 썬더볼트 인터페이스의 기반이기도 하다. 썬더볼트는 게임용 외장 그래픽 카드, 그리고 내장 NVMe와 거의 대등한 속도를 내는 외장형 NVMe 스토리지에서 진가를 발휘하기 시작했다. 많은 사용자들이 이제 느끼고 있지만, 인텔이 썬더볼트를 버리지 않은 것은 현명한 판단이었다.

물론 PCIe 스토리지는 NVMe보다 몇 년 전에 나왔다. 그러나 이전 솔루션은 SATA, SCSI, AHCI와 같은 하드 드라이브가 스토리지 기술의 정점이었던 시절에 개발된 오래된 데이터 전송 프로토콜에 발목을 잡혔다. NVMe는 저지연 명령과 다수의 큐(최대 6만 4,000개)를 제공함으로써 스토리지의 발목을 잡았던 제약을 없앤다. 지속적인 원을 그리며 데이터가 기록되는 하드 드라이브와 달리 SSD에서는 마치 산탄처럼 데이터가 흩어져 저장되므로 특히 후자, 즉 다수의 큐가 큰 효과를 발휘한다.

SSD 선택 시 유의해서 봐야할 것

물론 저장 용량과 가격이 중요하다. 또한 긴 보증기간은 조기 데이터 사망에 대한 우려를 완화시킬 수 있다. 대부분의 SSD 제조업체는 3년 보증을 제공하며 일부 더 좋은 모델은 5년을 보증한다. 그러나 이전 세대의 SSD와는 달리, 몇 년 전에 혹독한 내구성 테스트로 입증한 것처럼 최신 SSD는 일반 소비자가 어지간히 사용해서는 마모되지 않는다.

가장 유의해야 할 것은 SSD를 PC에 연결하는 데 사용되는 기술이다.

  • SATA: 연결 유형과 전송 프로토콜을 나타내며, 대부분의 2.5인치 및 3.5인치 하드 드라이브와 SSD를 PC에 연결한다. SATA III 속도는 약 600MBps에 달할 수 있으며, 대부분의 현대 드라이브는 최대 속도를 제공한다.
  • PCIe: 이 인터페이스는 컴퓨터의 4개의 PCIe 레인을 활용해 SATA 속도를 훨씬 능가해 거의 4GBps를 제공한다(PCIe 3세대). 이런 파괴적인 속도는 강력한 NVMe 드라이브와 잘 어울린다. 메인보드의 PCIe 레인과 M.2 슬롯 모두 PCIe 인터페이스를 지원하도록 유선으로 연결할 수 있으며, “검정” M.2 드라이브를 PCIe 레인에 슬롯화할 수 있는 어댑터를 구입할 수 있다.
  • NVMe: 비휘발성 메모리 익스프레스(Non-Volatile Memory Express) 기술은 PCIe의 풍부한 대역폭을 활용해 SATA 기반 드라이브를 비교조차 못할 정도로 매우 빠른 SSD를 만든다. NVMe에 대해 더 자세히 알고 싶다면 여기를 클릭하라.
  • M.2: 설명이 쉽지 않다. 많은 사람이 M.2 드라이브가 모두 NVMe 기술과 PCIe 속도를 사용한다고 생각하지만 사실이 아니다. M.2는 단순히 폼 팩터에 불과하다. 물론 대부분의 M.2 SSD는 NVMe를 사용하지만 일부는 여전히 SATA를 사용한다. 많은 최신 울트라북이 저장을 위해 M.2를 사용한다.
  • U.2 및 mSATA: mSATA 및 U.2 SSD에서도 문제가 발생할 수 있지만, 이 형식을 지원하는 메인보드와 제품 가용성은 드물다. M.2가 대중화되기 전에 일부 구형 울트라북에 mSATA가 포함되어 있으며, 필요할 경우 드라이브를 사용할 수 있다.  

물론 속도도 중요하지만, 대부분의 최신 SSD는 SATA III 인터페이스를 지원한다. 그러나 전부 다 그런 것은 아니다.

ITWORLD : 6월 업데이트 | 2020년 최고의 SSD 선택 가이드

스토리지 PCWorld SSD(Solid-State Drive)로 전환하는 것은 PC에 가장 적합한 업그레이드다. SSD을 통해 PC는 부팅 시간이 짧아지고, 프로그램 및 게임 로드 속도가 빨라지는 등, 일반적으로 컴퓨터 속도가 빨라진다. 



그러나 모든 SSD가 동일한 것은 아니다. 최고의 SSD는 저렴한 가격으로 견고한 성능을 제공한다. 가격이 문제가 되지 않을 경우, 엄청난 속도의 빠른 읽기 및 쓰기 속도를 제공한다. 

많은 SSD가 2.5인치 폼 팩터로 제공되며 기존 하드 드라이브에서 사용하는 것과 동일한 SATA 포트를 통해 PC와 통신한다. 그러나 최첨단 NVMe(Non-Volatile Memory Express) 드라이브는 메인보드의 M.2에 직접 연결하는 작은 스틱 형태의 SSD다. PCIe 어댑터에 장착되는 이 드라이브는 구입하기 전에 메인보드에 슬롯이 있는지 확인해야 한다. 그래픽 카드나 사운드 카드처럼 메인보드에 꽂을 수 있는 SSD와 미래형 3D 크로스포인트(3D XPoint) 드라이브 등이 등장함에 따라 완벽한 SSD를 선택하는 것은 예전처럼 간단하지 않다. 

그래서 이 가이드가 필요하다. 본지는 사용자 상황에 적합한 SSD를 찾기 위해 수많은 SSD를 테스트했다. 본지가 선정한 최고 인기 제품과, SSD 선택 시 무엇을 봐야 하는지 알아보도록 하자. 


최신 SSD 소식 

  • 지난해 가을, AMD의 라이젠(Ryzen) 3000 CPU가 최첨단 PCIe 4.0 스토리지 지원을 받아 출시됐지만, 그 지원은 고가의 X570 메인보드에만 국한됐다. 이제 곧, B550 메인보드는 동일한 기능을 일반인에게도 제공할 것이며, 오래된 라이젠 칩과도 호환될 것이다. 6월 16일에 발표할 것이다.   
  • X박스 시리즈 X의 초고속 스토리지 기술의 중추인 다이렉트스토리지(DirectStorage)가 윈도우에 등장한다. 마이크로소프트는 다이렉트스토리지 자체에 대해 자세히 다루지 않았지만, X박스 시리즈 X의 ‘벨로시티 스토리지(Velocity Storage)’는 정말 인상적이다. 


대부분 사용자를 위한 최고의 SSD 

SK 하이닉스 골드(SK Hynix Gold) S31 SATA SSD 

ⓒ SK Hynix

실제 시장에서 등장한 SK 하이닉스의 첫 번째 SSD는 본지가 테스트한 것 가운데 가장 빠른 SATA 드라이브임을 입증했다. 사실 SK 하이닉스는 세계에서 가장 큰 반도체 공급업체 가운데 하나로, 모든 기술을 갖고 있다. 골드 S31 가격은 적당하며 아주 좋은 드라이브다.  

삼성의 주력인 EVO SSD 제품군은 2014년 이래로 줄곧 본지의 권장 목록에서 1위를 차지했으며, 현재 삼성 860 EVO는 여전히 속도, 가격, 호환성 및 5년 보증 및 뛰어난 마법사 관리 소프트웨어의 안정성 등 조화를 원하는 사람들에게 좋은 옵션이다. 하지만 최근 새롭게 출시되는 신제품에 의해 왕좌에서 내려왔는데, 이 신인은 사실 전혀 새로운 존재는 아니었다.   

대부분의 사람은 SK 하이닉스 골드 S31을 구입하는 것이 좋다. 본지가 테스트한 가장 빠른 SATA SSD 가운데 하나일뿐만 아니라 가격도 적절하다. 

250GB 드라이브의 경우 46달러, 500GB 드라이브의 경우 64달러, 대규모 1TB 드라이브의 경우 125달러인 골드 S31은 삼성의 제품군(500GB 90달러, 1TB 모델 140달러)보다 훨씬 저렴하다. 골드 S31은 실제 48GB 복사 테스트에서 지속적인 읽기와 쓰기 작업을 위해 테스트한 드라이브 가운데 가장 빠른 드라이브임을 증명했다. 

SK 하이닉스는 정확히 제품 이름이 아니기 때문에 브랜드 자체에 대해 조금 딴지를 걸 수도 있다. 그럼에도 불구하고 SK 하이닉스는 지구상에서 가장 큰 반도체 제조업체 가운데 하나다. SK 하이닉스는 시작부터 NAND 및 컨트롤러 기술을 개발해왔으며, 수많은 대형 컴퓨터 업체의 SSD 제조업체였지만 판매선상에는 자리하지 못했다. 이제 그 선상에 섰고, 결과는 훌륭했다. 

좀 더 큰 저장 용량을 원하는 사용자라면 비싸긴 하지만 삼성 860 EVO가 1TB, 2TB, 4TB 모델을 제공하고 있다. SK 하이닉스도 골드 S31 1TB 버전을 약 110달러에 제공했지만 현재는 사용할 수 없다(이 제품은 미국에서만 출시됐으며 국내에서는 해외 직구로만 구입할 수 있다. 편집자 주). 

 
가성비 최고의 SSD 

애드링크(AddLink) S22 QLC SATA 2.5인치 SSD

ⓒ Addlink 

애드링크 S22 QLC는 장시간 쓰기 작업 중에도 속도가 느려지지 않는다. 또한 SSD 치고는 매우 싸다. 몇 가지 문제가 있음에도 불구하고 본지는 이 제품을 가성비 최고의 SSD로 선정했다. 

기존의 MLC(Multi-Level Cell) 및 TLC (Triple-Level Cell) SSD 가격이 급락하면서 제조업체는 SSD 가격을 더욱 낮추는 새로운 형태의 QLC(Quick-Level Cell) 드라이브를 출시했다. 이 새로운 기술을 통해 SSD 제조업체는 하드 드라이브와 같은 용량의 SSD를 출시함과 동시에 매우 빠른 SSD 속도에 근접하게 됐다. 

여전히 최고인 삼성 860 QVO를 포함한 QLC 드라이브의 1세대는 수십 기가바이트의 데이터를 한번에 전송하면, 쓰기 속도가 하드드라이브 수준으로 떨어졌다. 하지만 애드링크 S22 QLC SSD는 그렇지 않다. 기존 TLC SSD가 QLC 드라이브에 비해 속도 우위를 유지하지만 애드링크 S22의 경우, 이런 한계를 벗어난 데다가 가격은 512GB 63달러, 1TB 104달러에 불과하다. SK하이닉스 S31 또한 이제 거의 같은 속도라는 점은 주목할 필요가 있다. 

대량의 데이터를 한번에 이동할 계획이 없고, 더 많은 공간이 필요하다면, 삼성 860 QVO는 여전히 훌륭한 옵션이다. 실제로 애드링크의 SSD보다 조금 더 빠르다. 그러나 아마존에서 1TB는 128달러, 2TB는 250달러, 5TB는 480달러로 더 비싸다. 더 낮은 용량은 판매되지 않는다. 

그러나 더 빠르고 새로운 NVMe M.2 드라이브를 지원하는 새로운 메인 보드가 있다면 무엇을 선택해야 할까? 


최고의 NVMe SSD 

WD 블루 SN550 NVMe M.2 SSD 

ⓒ WD

100달러짜리 1TB 드라이브는 마음에 들기 쉽다. 특히 블루 SN550은 SN500보다 눈에 띄게 향상되어 거의 모든 사람에게 만족을 준다. 약간의 빈약한 SLC 캐시가 약점이긴 하지만 250GB 용량은 950MBps 쓰기 속도를 갖고 있다는 점이다. 본지는 1TB 버전을 클럭킹해 1.75GBps를 기록한 바 있다. 

성능이 가장 중요한 경우, 삼성 970 프로 또는 시게이트 파이어쿠다(Seagate FireCuda) 510이 가장 빠른 NVMe SSD이긴 하지만, 대부분의 사람은 웨스턴디지털 블루 SN550 NVMe SSD를 구입하는 것이 좋다.  

WD SSD는 NVMe 드라이브 가운데 가장 화려하지도, 앞서 언급한 대안만큼 빠르지도 않다. 하지만 비용이 훨씬 저렴하다. WD 블루 SN550은 보급형 가격(250GB 55달러, 500GB 70달러, 1TB 110달러)에도 불구하고 다른 할인된 NVMe 드라이브와는 성능에서는 조금의 차이가 있다. 신뢰성이 뛰어나고 잘 알려진 유명 브랜드의 제품으로 평균 5년 이상의 보증 기간을 제공한다. 

조금 더 뛰어난 성능을 원한다면, 애드링크 S70 NVMe SSD가 또 다른 훌륭한 옵션이다. 본지는 WD 드라이브보다 성능을 약간 선호하지만, 애드링크 SSD는 가격 인상 이후, 약 15달러가 더 비싸졌으며, WD 블루 SN550의 성능은 일상적인 컴퓨터 사용자에게 충분하다고 판단했다. 애드링크는 WD만큼 잘 알려져 있진 않지만 해당 제품에 대해 5년 보증을 제공한다. 


가장 빠른 SSD 

인텔 옵테인(Intel Optane) SSD 905P 

ⓒ Intel

인텔 SSD 905P는 본지가 테스트한 가장 빠른 NVMe 드라이브 가운데 하나였으며, 가장 비싼 드라이브이기도 하다. 그러나 내구성이 매우 우수하다는 평가를 받고 있다. 많은 양의 데이터를 작성하는 경우, 구입할만한 가치가 있다.  

성능이 가장 중요하고 가격을 생각하지 않는다면, 인텔의 옵테인 SSD 905P는 구매할 수 있는 최고의 SSD다. 이 드라이브는 다른 SSD와 같은 기존 NAND 기술을 사용하지 않고 마이크론과 인텔이 개발한 미래형 3D 크로스포인트(3D Xpoint) 기술을 기반으로 만들어졌다. 

하지만 실질적인 측면에서 옵테인 SSD 900P는 스토리지 벤치마크를 완벽하게 통과해 NAND SSD가 제공하는 약 200TBW에 비해 엄청나게 많은 8,750TBW을 자랑한다. 만약 이것이 사실이라면, 이 초고속 드라이브는 기본적으로 압도적이며, 엄청나게 좋아보인다. 

그러나 최고의 성능이 누리는 권리에 대한 대가를 지불해야 한다. 인텔 옵테인 SSD 905P는 280GB 390달러, 480GB의 경우 599달러, 1.5TB의 경우 1,130달러이며, U.2 및 PCIe 카드 형태로 제공되는 등 몇 가지 추가 옵션이 있다. 

또한 NVMe SSD보다 훨씬 비싸다. 이런 특성으로 인해 인텔 SSD는 대량의 데이터를 정기적으로 이동하는 곳에는 가장 효과적이다. 또한 옵테인 SSD 900P는 실제로 NVMe 프로토콜을 사용해 PC와 통신하기 때문에 몇 가지 추가 기준을 충족시켜야 부팅이 가능하다.    

이 제품보다 한 단계 떨어진 인텔 옵테인 SSD 900P는 905P의 미디어처 버전과 유사하지만 더 낮은 용량과 가격에서도 기존 SSD를 능가한다(280GB 버전 390달러, 480GB 모델 599달러로 대부분의 NVMe 드라이브보다 훨씬 비싸다). 

AMD의 뛰어난 라이젠 3000 시리즈 프로세서가 최첨단 기술을 지원함에 따라 초고속 PCIe 4.0 SSD가 출시되기 시작했다. 이에는 고급 AMD X570 메인보드가 필요하다. 초기 평가를 통해 실제 환경에서 대용량 파일을 이동할 때 실질적인 이점만 얻을 수 있다는 것을 알 수 있지만, 여기서 언급된 기존 PCIe 4.0 SSD보다 훨씬 빠른 속도를 약속한다. 

커세어(Corsair), 기가바이트(Gigabyte), 세이브런트(Sabrent)는 사용 가능한 첫 번째 PCIe 4.0 SSD를 출시했으며, 1TB 모델과 비슷한 성능을 약 200달러에 제공했다. 그러나 본지는 아직 이 제품들에 대해 테스트하지 않았다. 


구입전 사용자가 알아야 할 NVMe SSD  

NVMe 드라이브는 구입하기 전에 어떤 특징을 갖고 있는지 알고 있어야 한다. 표준 SATA SSD는 이미 PC 부팅 시간과 로딩 시간을 대폭 단축하고 훨씬 저렴하다. NVMe 드라이브는 특히 대량으로 데이터를 정기적으로 전송하는 경우, 삼성 960 프로와 같은 M.2 폼 팩터나 또는 PCIe 드라이브를 가장 많은 효과를 누릴 수 있다. 그렇지 않으면 NVMe 드라이브는 가격만 비쌀뿐 가치도 없다.  

ⓒ Brad Chacos

NVMe SSD를 구입하기로 결정한 경우, PC에서 SSD를 처리할 수 있는지 확인해야 한다. 이는 비교적 새로운 기술이므로, 지난 몇 년 내에 제작한 메인보드만이 M.2 연결이 가능하다. 스카이레이크 시대의 AMD 라이젠과 주류 인텔 칩을 고려하라. PCIe 어댑터에 탑재된 NVMe SSD는 M.2 채택이 확산되기 전인 초기에 널리 사용됐지만 지금은 매우 드물다. NVMe SSD를 구입하기 전에 실제로 NVMe를 사용할 수 있는지 확인하고 최대한 활용하기 위해서는 4개의 PCIe 레인이 필요하다는 점에 유의해야 한다. 

NVMe 드라이브를 최대한 활용하려면 운영체제를 실행해야 하기 때문에 드라이브를 인식하고 부팅할 수 있는 시스템이 있어야 한다. 지난 1~2년 전에 구입한 PC는 NVMe 드라이브에서 부팅하는데 아무런 문제가 없지만, 좀 더 오래된 메인보드는 지원하지 않을 수 있다. 구글에서 자신의 메인보드를 검색하고 NVMe 부팅을 지원하는지 확인하라. 보드의 BIOS 업데이트를 설치해야 할 수도 있다. 하드웨어가 NVMe SSD에서 부팅할 수 없는 경우에도 보조 드라이브로 사용할 수 있어야 한다.  

editor@itworld.co.kr

Coating field – Slot Die Coating (슬롯다이 코팅)

Slot Die Coating (슬롯다이 코팅)

  • 응용
    – 배터리 전극
    – 광학 코팅
    – 전도성 필름
  • 공정 파라미터
    – 유량
    – 롤 속도
    – 기질 속도
    – 유동학
  • 품질 관리
    – 코팅 두께
    – 결함 최소화

슬롯다이 모델링

  • 세밀한 형상
  • 큰 종횡비
  • 간단한 격자 설정

슬롯다이 내부


슬롯다이 외부


슬롯다이 비교

  • 진공 보조 장치가 없는 슬롯 코팅
  • 실험 결과와 매우 일치

VOF (Volume of Fluid) 란 무엇인가?

본 자료는 국내 사용자들의 편의를 위해 원문 번역을 해서 제공하기 때문에 일부 오역이 있을 수 있어서 원문과 함께 수록합니다. 자료를 이용하실 때 참고하시기 바랍니다.

VOF – What’s in a Name?

A free surface is an interface between a liquid and a gas in which the gas can only apply a pressure on the liquid. Free surfaces are generally excellent approximations when the ratio of liquid to gas densities is large, e.g., for water to air the ratio is 1000.

자유 표면은 액체와 기체 사이의 계면이며, 기체에서만 액체에 대해 압력을 가할 수 있습니다.  자유 표면은 일반적으로 액체 대 기체의 밀도의 비율이 큰 경우 우수한 근사를 합니다.  예를 들어, 물 대 공기의 비율은 1,000입니다.

VOF Method Components

In FLOW-3D free surfaces are modeled with the Volume of Fluid (VOF) technique, which was first reported in Nichols and Hirt (1975), and more completely in Hirt and Nichols (1981). The VOF method consists of three ingredients: a scheme to locate the surface, an algorithm to track the surface as a sharp interface moving through a computational grid, and a means of applying boundary conditions at the surface.

FLOW-3D 의 자유 표면은 VOF (Volume of Fluid) 법을 사용하여 모델링됩니다.  이 기술은 Nichols 와 Hirt 에 의해 1975 년에 처음 보고된 Hirt 와 Nichols에 의해 1981년에 더 완전한 형태로 보고되었습니다.  VOF 법은 표면의 위치를 특정하는 방식, 계산 격자 내를 이동하는 명확한 계면으로 표면을 추적하는 알고리즘, 표면에서 경계 조건을 적용하는 방법 3가지 성분으로 구성되어 있습니다.

Pseudo VOF

In the past, a number of commercial CFD programs have claimed a VOF capability, when in reality they are only implementing one or two of the three VOF ingredients. Users of these programs should be aware that these pseudo-VOF schemes sometimes give incorrect results.

과거에도 많은 상용 CFD 프로그램이 VOF 기능을 주장했지만, 실제로는 세 가지 VOF 요소 중 하나 또는 두 개만 구현했습니다. 이들 프로그램 사용자는 이러한 pseudo VOF 체계는 때때로 잘못된 결과를 제공할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

Most pseudo-VOF methods use a fluid volume fraction to locate surfaces, but they then attempt to compute flow in both the liquid and gas regions instead of accounting for the gas by a boundary condition. This practice produces an incorrect motion of the surface since it is assumed to move with the average velocity of gas and liquid. In reality, the two fluids generally move independently of one another except for a thin viscous boundary layer.

많은 pseudo VOF 법은 유체의 체적 점유율을 사용하여, 표면의 위치를 파악하고 있으며, 경계 조건에 따라 기체를 처리하는 것이 아니라, 액체와 기체의 두 영역에서 흐름을 계산하려고합니다 .  이 방법에서는 표면은 기체와 액체의 평균 속도로 이동한다고 가정되기 때문에 표면의 움직임이 잘못 표시됩니다.  사실, 경계층이 가늘고 점성이있는 경우를 제외하고, 이 2 개의 유체는 일반적으로 서로 독립적으로 이동합니다.

VOF - What's in a name

Left: Correct jet shape predicted by TruVOF technique used in FLOW-3D.
Right: Incorrect jet shape predicted by pseudo-VOF technique used by other CFD codes.

그림 1 🙁 왼쪽) FLOW-3D 에 사용되는 TruVOF 법에 의해 예측되는 올바른 분류 모양
그림 2 🙁 우) 기타 CFD 코드에서 사용되는 의사 VOF 법에 의해 예측되는 잘못된 분류 형상

Comparing VOF methods

Left: FLOW-3D‘s TruVOF technique predicts jet impingement on wall and some outflow.
Right: Pseudo-VOF methods don’t predict realistic jetting of fluid on side walls.

그림 3 🙁 왼쪽) FLOW-3D TruVOF 법으로 분류 벽에 충돌과 유출을 예측
도표 4 🙁 우) 의사 VOF 법은 밀도가 높은 유체가 챔버에서 나가는 모습을 잘못 예측

VOF vs. Pseudo VOF Example

The consequences of trying to compute both gas and liquid flow can be illustrated with a simple example. All the computed results shown here were produced with FLOW-3D, which has a two-fluid option that can be run in a pseudo-VOF mode. Imagine a jet of water issuing at constant velocity from a long slit into air. If we neglect gravity and keep the velocity of the jet low (say 10.0 cm/s), we expect the jet to move more or less unimpeded by the air (see the FLOW-3D results in Fig. 1), obtained with its VOF free-surface model).

기체와 액체의 두 흐름을 계산하려고 한 결과는 간단한 예로 설명 할 수 있습니다.  여기에 표시된 계산 결과는 모든 FLOW-3D를 사용하여 요구한 것입니다.  FLOW-3D는 pseudo VOF 모드에서 실행할 수있는 2 유체 옵션이 있습니다.  물 분사를 일정한 속도로 가늘고 긴 슬릿에서 공기 중에 방출하는 경우를 상상해보십시오.  중력을 무시하고 분류 속도를 저속 (예 : 1.0cm / sec)으로 유지하면 기류는 공기에 전혀 구애받지 않고 자유롭게 이동할 것으로 예상됩니다 (그림 1, FLOW-3D의 VOF 자유 표면 모델에서 얻어진 결과 참조).

Pseudo-VOF methods produce a growth at the tip of the jet (Fig. 2). This growth is numerical, not physical, because it is independent of the density of air (e.g., the growth remains largely unchanged for air densities 100, 1000 and 10,000 times smaller than the liquid density).
At later times the FLOW-3D jet (Fig. 3) strikes the right-hand wall and a small portion of the flow has entered a slot in the wall.

Pseudo-VOF 방법은 제트의 끝에서 확산됩니다(그림 2). 이 확산은 공기 밀도와 무관하기 때문에 물리적인 현상이 아니라 수치적입니다 (예 : 액체 밀도보다 100, 1000 및 10,000 배 더 작은 공기 밀도의 경우 확산은 크게 변하지 않습니다).
그 후, FLOW-3D의 기류 (그림 3)는 오른쪽 벽에 충돌하고 흐름의 일부가 벽의 틈새에 들어갑니다.

In contrast, the lower density air flow in the pseudo-VOF method is pulling liquid into the slot just before the jet strikes the wall (Fig. 4). Also, because of the incompressibility of the air remaining in the chamber, the amount of liquid flowing out the slot in the pseudo-VOF method must be equal to the amount injected, which is more than would be expected under most physical conditions.

대조적으로, pseudo-VOF 방법의 저밀도 기류는 제트가 벽에 부딪히기 직전에 액체를 슬롯으로 끌어 당깁니다 (그림 4). 또한 챔버에 남아있는 공기의 비압축성으로 인해 pseudo-VOF 방법에서 슬롯 밖으로 흘러 나오는 액체의 양은 주입되는 양과 같아야 하며, 이는 대부분의 물리적 조건에서 전혀 예상할 수 없슨 것입니다.

Another pseudo-VOF practice is to use some type of higher-order advection scheme to track interfaces. The interface is represented as a rapid change in density. Such schemes result in smoothed transition regions between gas and liquid that cover several control volumes rather than sharp interfaces localized in one control volume as in the original VOF method. The reason that most people don’t implement free-surface boundary conditions is that it requires major changes to the structure of existing programs, and it must be done carefully to avoid numerical instabilities.

pseudo VOF 또 하나의 관례는 어떤 유형의 고차 이류(advection) 구성표를 사용하여 계면을 추적하는 것입니다.  계면 밀도의 급격한 변화로 표현됩니다.  이러한 방식은 기체와 액체 사이의 매끄러운 전환 영역이 복수의 컨트롤 볼륨에 펼쳐지는 결과가되어, 원형의 VOF 법처럼 하나의 컨트롤 볼륨에 명확한 계면이 국소화되는 것은 아닙니다 .  대부분의 사람들이 자유 표면 경계 조건을 구현하지 않는 이유는 기존의 프로그램의 구조를 크게 변경해야 하므로, 수치적 불안정을 피하기 위해 매우 신중하게 이루어져야 하기 때문입니다.

FLOW-3D has all the ingredients recommended for the successful treatment of free surfaces. Moreover, it incorporates major improvements beyond the original VOF method in each of its three major ingredients.

FLOW-3D는 자유 표면을 제대로 처리하기 위해 권장되는 모든 성분이 포함되어 있습니다.  또한 원형의 VOF 법의 3 가지 주성분에 대해 상당한 개선처리를 진행하였습니다.

References

Nichols, B.D. and Hirt, C.W., “Methods for Calculating Multi-Dimensional, Transient Free Surface Flows Past Bodies,” Proc. First Intern. Conf. Num. Ship Hydrodynamics, Gaithersburg, ML, Oct. 20-23, 1975

Hirt, C.W. and Nichols, B.D., “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries,” Journal of Computational Physics 39, 201, 1981.

Contact Line Insights

Contact Line Insights

FLOW-3D의 수치 모델링 기능은 코팅 성능 향상에 관심이 있는 엔지니어에게 이상적입니다. 계산 시뮬레이션은 코팅 흐름에 영향을 미치는 다양한 물리적 공정의 상대적 중요성과 효과를 연구하는 훌륭한 방법입니다. 물리적 테스트에서 프로세스를 분리하거나 해당 프로세스의 규모를 임의로 조정하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 이 섹션에서는 리 블릿 형성(rivulet formation), 핑거링(fingering), 증발, 거친 표면 위의 접촉선 이동 및 유체 흡수와 관련하여 FLOW-3D의 정적 및 동적 접촉각 처리에 대해 설명합니다.

Static and Dynamic Contact Angles

FLOW-3D는 입력으로 설정된 정적 접촉각의 함수로 동적 접촉각과 자유 표면 인터페이스에서 작용하는 관련 힘을 정확하게 계산하여 유체의 소수성을 캡처 할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 물방울이 경사면 아래로 이동함에 따라 정적 접촉각이 동적 접촉각에 미치는 영향을 보여줍니다.

L.M. Hocking 박사는 그의 저서 [“A moving fluid interface on a rough surface,” J. Fluid Mech., 76, 801, (1976)]에서 표면에 미세한 요철이 흐름 구조를 유도하기 때문에 Contact line이 고체 표면을 통해 이동할 수 있으며 이는 거시적 관점에서 “velocity slip”로 해석 될 수 있다고 했습니다.

이 가설에 대한 전산 해석은 FLOW-3D를 이용하여 쉽게 수행됩니다. 선택된 테스트는 가로, 규칙적으로 이격 된 직사각형 슬롯 패턴 이차원 고체 표면 구성됩니다. 슬롯은 2mm 깊이 10mm 폭, 그리고 그들 사이 폭 10mm 고체 조각을 갖고 이격 됩니다. 이 크기는 전형적으로 상대적으로 부드러운 표면에 긁힌 모양입니다. 액체와 고체 사이의 정적인 접촉각이 60 °가 되도록 선택 하였습니다. 작동 유체는 물로 선정되었고 시험은 채널을 통해 속도30cm / s의 평균 물높이 15mm의 채널의 바닥에 있는 거친 표면을 두고 구동 이루어져 있습니다. 채널의 상단은 free-slip boundary로 정해집니다.

Hocking의 주장대로 micro-scale 교란이 Large scale 관점에서 보았을 때 계산된 속도장으로 보면 velocity slip의 한 종류로서 해석 될 수 있습니다. 아래는 계산된 수평 속도 분포를 나타내고 있습니다. 이것은 표면 바로 위에 제어 볼륨 층의 계산 된 수평 속도 분포를 제공하는 X-Y 플롯에 그래픽으로 보여 주고 있습니다. 격자 미세화에 의해 표면의 고체 부분의 윗쪽 속도가 영이 되는 경향이 있지만, 슬롯들 위에 있는 속도는 영이 안되게 유지됩니다. 많은 요철 위의 이러한 속도의 평균은 효과적인 슬립으로 해석 될 수 있는 non-zero 수평 이송 속도를 일으킵니다.

Evaporative Effects

분산된 고체 물질을 포함하는 액체 방울이 고체 표면에서 건조되면 고체 물질이 침전물로 남습니다. 이 퇴적물의 패턴은 많은 인쇄, 청소 및 코팅 공정에 중요한 의미를 갖습니다. 한 가지 유형의 침전물의 전형적인 예는 왼쪽 이미지와 같이 유출 된 커피 조각의 둘레를 따라 링 얼룩이 형성되는 “커피 링”문제입니다. 이러한 유형의 링 침전물은 액체의 증발로 인한 표면 장력 구동 흐름의 결과로 발생하며, 특히 방울 주변에서 발생합니다 [1].

Drying

건조는 코팅 공정의 중요한 부분입니다. 잘 도포된 코팅은 건조 결함으로 인해 완전히 손상될 수 있습니다. 건조 중에 온도 및 용질 구배는 밀도 및 표면 장력 구배로 인해 코팅 내 흐름을 유도 할 수 있으며, 이로 인해 잠재적으로 코팅 품질이 손상 될 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류물 모델을 통해 사용자는 건조로 인한 흐름을 시뮬레이션하고 값 비싼 물리적 실험에 소요되는 시간을 줄일 수 있습니다.

FLOW-3D’s evaporation residue model simulates a 3D view of residue formed from toluene after drying (magnified 30x)

Modeling Ring Formation

FLOW-3D는 증발이 가장 큰 접촉 라인에서의 증착으로 인해 에지 고정이 발생 함을 보여줍니다.

링 형성 모델링
증발에 의해 접촉 라인에서 생성 된 흐름 시뮬레이션
증발은 증발로 인한 열 손실로 인해 액체를 냉각시킵니다 (색상은 온도를 나타냄). 동시에 고체 표면은 전도에 의해 액체를 가열합니다. 증발은 접촉 라인 근처에서 가장 크므로 액체가 접촉 라인을 향해 흐르게하여 정적 상태를 다시 설정합니다. 최종 결과는 액체가 완전히 증발하는 액체 가장자리에 부유 고체가 증착됩니다.

FLOW-3D의 접촉 선 고정 모델에 대해 자세히 알아보십시오.

Simulation of flow generated at a contact line by evaporation

Slot Coating

Slot Die Coating

FLOW-3D는 슬롯 다이 코팅의 산업 연구 및 설계에 사용됩니다. 슬롯 다이 코팅에서 유체는 슬롯에서 슬롯에 매우 가까운 곳에 위치한 빠르게 움직이는 기판 위로 강제 배출됩니다. 때로는 여러 슬롯을 사용하여 여러 재료의 레이어드 코팅을 만들기도 합니다. 많은 산업에서 슬롯 다이 코팅 기계는 상대적으로 단순하기 때문에 슬롯 다이코팅이 사용됩니다. 슬롯 다이 코팅의 또 다른 이점은 나노미터 단위로 측정한 코팅 두께에서도 높은 코팅 균일성 비율입니다.

아래 예에서, 한 슬롯은 120미크론 두께의 뉴턴이 아닌 재료를 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이는 기질에 적용하고 있습니다.

FLOW-3D에서 유체-솔리드 접촉 선과 접촉각은 흐름의 전체 역학의 일부로 자동으로 계산됩니다. 이것은 슬롯과 웹(Web) 사이의 영역에서 세 개의 개별 접촉 선이 발생하는이 예에서 잘 설명됩니다.

Case Study

Roche Diagnostics GmbH가 2014년 FLOW-3D 유럽 사용자 컨퍼런스에서 발표한 산업 사례 연구의 이 이미지는 진공 보조 장치가 없는 슬롯 다이 코팅의 3D 모델을 보여줍니다. 왼쪽 상단에 그려진 실험과 FLOW-3D로 수행된 시뮬레이션 사이에는 훌륭하게 일치하고 있습니다.

Simulation of a slot die coating without vacuum assist, courtesy Roche Diagnostics GmbH

Slot Die Design

아래에 표시된 3M의 FLOW-3D 시뮬레이션은 슬롯 다이의 내부 캐비티 내부의 유체 체류 시간을 보여줍니다. 슬롯 다이 설계는 코팅 프로세스의 성공에 매우 중요하며 코팅 액의 유변학(rheology)에 따라 다릅니다.

Simulation courtesy of 3M

Two-Layer Slot Coating

왼쪽의 시계열 이미지에서 보면 웹(web)이 이동되고, 슬롯 코팅 다이는 두 개의 슬롯에서 서로 다른 물성의 두 유체가 나오고 있습니다. two-layer slot die를 사용하는 이점은 코팅기의 die station의 수를 감소시킬 수 있는 것입니다. 그러나, 단일 층의 경우에는 존재하지 않는 이층 슬롯 코팅에 존재하는 많은 문제점들이 나타납니다. 두 개의 유체 층 사이의 계면(interface), 보통은 혼합될 수 있는 물성을 가진 Interlayer 는 die surfae에 안정적으로 잘 고정되어야 합니다. 그리고 Interlayer 부근이 순환은 두 유체의 혼합을 막기 위해 최소화 되어야만 합니다. 일반적으로 이것들은 각각의 유체의 밀도, 점도 및 유량이 배출율을 조작함으로써 제어될 수 있습니다.

Start-Up of Slot Coating

슬롯 코터를 이용하여 연속 코팅 공정을 시작하면 시작부터 폐기해야 불완전한 재료의 양을 감소시키기 위해, 가능한 한 빨리 균일한 wettig을 수립하는 것이 바람직합니다. Wet start 기술은 잉크가 웹에 가까워지기 전에 슬롯에서 잘 빠져 나오는 것 보장하는 중요한 기술중의 하나입니다. 이 예에서, web은 액체의 상류 및 하류 모두 압착 슬롯을 향해 이동된다.

슬롯 장치의 경사진 앞쪽면에 유체를 위로 밀어올리는 약간 늦은 적당한 접근 속도는 슬롯장치의 더 나은 성능을 제공합니다.

 

 

Slide Coating

Slide Coating

모든 코팅 공정은 코팅 물질이 정상 상태에 도달하기 전에 큰 변형을 겪게 되는 초기 전개 시기(startup period)를 가집니다. 초기 전개 시기의 좋은 특성들은 유체의 낭비를 감소시키고 공정을 기술자가 원하는 범위 내에서 작동시키게 합니다.

다층 커튼 코팅 공정의 경우, 아래 시뮬레이션에서 볼 수 있듯이 유체가 슬롯 다이에서 배출된 다음 물질이 중력에 노출 될 수 있습니다.

유체층은 일반적으로 서로 다른 특성을 갖지만 자주 혼합되기 때문에 층 사이의 계면 장력이 작습니다. 특히 중요한 것은 다이면에서 정적 접촉 라인의 위치와 안정성, 그리고 유체가 이동 표면과 처음 만나는 동적 접촉 라인입니다. 이 위치는 유체 흐름 속도, 움직이는 기판의 속도 및 동적 접촉 상류의 공기 공간의 진공 양에 의해 영향을받습니다. 또한 중요한 것은 각 유체 사이에 날카로운 중간층을 유지하는 것입니다. FLOW-3D는 완전히 일시적인 3 차원 흐름 모델이므로 시작하는 동안 프로세스의 일시적인 동작을 시뮬레이션 할 수 있습니다.

Startup of a multi-layer slide coating

모든 코팅 공정에는 일정한 조건을 달성하기 전에 코팅 재료가 큰 변형을 겪는 일종의 시작 기간이 포함됩니다. 시작 프로세스의 우수한 특성화는 낭비를 줄이고 프로세스가 원하는 한계 내에서 작동하는지 확인하는 데 중요합니다. 다양한 섭동에 대한 코팅 흐름의 일시적인 반응에 대한 유사한 이해가 또한 바람직하여 코팅 비드의 파손 및 코팅의 불균일성을 방지 할 수 있습니다.

Curtain Coating

Curtain Coating

커튼 코팅에서 액체는 슬롯이나 슬라이드 다이에서 흘러 나와 중력을 받아 수평으로 움직이는 기판에 떨어집니다. 커튼 코팅은 단일 층의 유체 또는 다중 유체 층을 포함 할 수 있으며 사진 필름, 특수 용지 및 포장의 생산에 사용됩니다.

슬롯에서 나오는 유속과 관련된 액체의 물리적 특성과 기질 속도에 따라 액체가 먼저 기질에 접촉하는 접촉선의 안정성은 물론 코팅 두께를 결정합니다.
접촉 라인이 불안정하면 코팅 아래에 웅덩이나 공기 유입이 발생하여 균일하지 않은 코팅 두께 및 기타 결함을 발생시킬 수 있습니다.
FLOW-3D는 유량, 유량, 기질 속도 등 다양한 공정 파라미터로 공정을 시뮬레이션하고 점성, 표면 장력, 접착력 등 액체의 물리적 성질을 변화시켜 커튼 코팅의 안정성을 조사하는 데 사용할 수 있습니다.

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    FLOW-3D 를 이용한 각각의 산업분야 적용 가능성을 살펴보십시오.
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    주조분야
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