Thermal Desktop을 활용한 위성 궤도 해석부터 데이터 센터 열해석까지

현대 공학 설계에서 시뮬레이션의 가장 주된 목표는 개발 시간을 단축하여 비용을 절감하는 것이다. 하지만 모델의 규모가 커지고 형상이 복잡해질수록 연산 부하가 급증하여 오히려 개발 주기가 지연되는 모순이 발생하곤 한다. Thermal Desktop™은 3D 격자망에서 Navier-Stokes 방정식을 푸는 일반적인 유한체적법(Finite Volume Method) 기반 CFD 프로그램과 달리, 집합매개변수법(Lumped Parameter Method)을 활용하여 유동 시스템을 거시적 네트워크 형태로 모델링한다. 또한, 3D 형상의 열·복사 계산을 위해 곡률을 고려하면서도 선형화된 솔루션을 제공하는 비선형 유한 요소 기반의 저비용 메시 기법을 기반으로, 대규모 시스템에서도 계산 속도와 정확도를 동시에 만족시킨다.

Introduction

[그림 1] 인공위성의 복사열해석 이미지

Thermal Desktop의 솔버인 SINDA/FLUINT는 해당 코드를 개발하던 C&R Technologies(CR Tech)의 설립자들이 NASA 존슨 우주 센터를 위해 상용 제품으로 전환하고 발전시켜 왔다. 이후, CR Tech는 Thermal Desktop을 비롯해 FloCAD®와 TD Direct® 등의 모듈을 출시하며 확장해 왔고, 2022년 Ansys사에 인수됨에 따라 활용 범위가 더욱 넓어질 것으로 기대된다. 이 프로그램은 전도, 복사 및 유동 분석에 특화된 수치 해석 기법을 바탕으로, 열관리 이슈를 빠르고 정확한 해석 결과를 바탕으로 설계 검증 시간을 단축시킨다.

[그림 2] Thermal Desktop 라이선스 종류

Thermal Desktop은 기본적으로 AutoCAD 환경을 기반으로 작동하는 3D 열해석 솔루션이다. 형상 모델링과 해석 설정이 CAD 인터페이스 내에서 이루어지므로, 사용자는 작업 환경에 따라 AutoCAD 라이선스가 포함된 패키지를 선택하거나, 별도의 라이선스를 보유하여 운용해야 한다. 이처럼 작업 환경과 가용 자원에 따라 요구되는 라이선스 구성이 상이하므로, 도입 전 사용 목적과 가용 자원 고려가 필요하다.

Thermal Desktop 적용 가능 분야

[그림 3] Thermal Desktop의 다양한 활용 분야

Thermal Desktop은 강력한 복사 해석 능력과 유체 네트워크 해석 기능을 바탕으로 다양한 산업군에서 활용된다.

가장 대표적인 영역은 우주·항공 분야이다. 대기가 희박하거나 존재하지 않아 복사가 지배적인 열전달 경로가 되는 우주 환경에서 Thermal Desktop은 독보적인 강점을 지닌다. 행성 반사광, 태양 복사, 우주 배경 복사 등 복잡한 외부 열부하를 정밀하게 계산하여 인공위성의 정교한 열제어 솔루션을 제공한다.
우주 발사체 체계에서는 극심한 고온을 견뎌야 하는 로켓 노즐 분석부터 초저온 환경의 액체 산소(LO₂) 터보 펌프 시스템까지 극단적인 열관리가 필수적이며, 내부 구획의 환기 및 배기 예측에 적용된다.
저온 공학에서는 줄-톰슨 냉각 시스템의 설계나 저온 저장 탱크 내 액체 가스의 증발 현상 및 상변화를 구현하며, 항공·해양·지상 수송용 연료 탱크의 열적 안정성 평가에도 활용된다.
또한, 복잡한 유체 및 전자 시스템 검토에도 유용하다. A/C 및 공조 시스템, 응축기, 증발기 등 비선형적 상변화가 일어나는 복잡한 열교환 장비와 가스 분배망 해석을 신속하게 지원한다.
아울러 미세한 온도 변화에 민감한 광학 렌즈와 센서의 열-광학 설계까지 가능하여 온도별 굴절률 왜곡 문제를 제어할 수 있다.

[그림 4] 데이터 센터 열해석

최근 수요가 급증하고 있는 데이터 센터도 Thermal Desktop이 필요한 분야이다. 데이터 센터는 고성능 컴퓨팅 및 AI 서버 도입으로 인한 고발열 문제가 주요 과제로 대두된다. 그러나 서버실 전체를 아우르는 대규모 시스템 특성상, 일반적인 3D CFD 프로그램을 적용할 경우, 해석에 매우 많은 시간이 소요된다. 반면 Thermal Desktop은 복잡하고 무거운 3D CFD 방식 대신 집합 매개변수법 기반의 1D 유체 네트워크 모델링 기능을 활용함으로써 연산 부하를 획기적으로 낮춘다. 이를 통해 단 몇 분에서 몇 시간 내에 해석을 완료하는 압도적인 연산 속도를 제공한다.

Ansys 제품군과의 연동성

[그림 5] Thermal Desktop 중심의 다중 물리 연성 해석 워크플로

Thermal Desktop은 Ansys 내의 다양한 제품들과 연동되어 해석의 완성도를 높일 수 있다. 예를 들어, Ansys STK®로부터 우주에서 행성들의 궤도 정보 및 외부 복사 환경 데이터를 전달받아 경계 조건을 세팅하며, Ansys Fluent® 및 Mechanical™과의 연성 해석을 통해 상세 유동 조건 반영부터 온도 분포에 따른 구조 안정성 검토까지 아우르는 통합 워크플로를 구축할 수 있다.

또한, Ansys OptiSLang®과 연계한 MDAO(다분야 통합 최적화) 프로세스를 지원하여 데이터 센터와 같은 대규모 시스템의 디지털 트윈 구축 및 설계 최적화에 뛰어난 해석 능력을 보여준다. 복잡한 다중 물리 문제를 통합 환경 내에서 신속하고 정확하게 해결할 수 있다.

맺음말

이번 호에서는 인공위성 열 설계를 위해 개발되어 발전을 거듭해 온 Thermal Desktop에 대해 알아보았다. 집합 매개변수법 기반의 네트워크 해석 방식을 채택하여 압도적인 연산 속도를 자랑하는 Thermal Desktop은, 우주·항공 분야의 복사 해석을 비롯해 대규모 데이터 센터의 유동 해석에 이르기까지 그 효용성을 증명하고 있다. 특히 Ansys 제품군으로의 통합과 TD Designer와 같은 지속적인 업데이트는 복잡한 다중 물리 문제를 해결해야 하는 엔지니어들에게 필요한 프로그램으로 자리매김하게 될 것이다. 앞으로 모델의 규모가 더욱 커지고, 복잡해지는 현대 공학 설계 환경에서, 속도와 정확도 두 마리 토끼를 잡는 Thermal Desktop은 선택이 아닌 필수적인 솔루션이 될 것이다.

Appendix: Thermal Desktop 2026 R1에서 달라지는 점

[그림 6] TD Direct vs TD Designer

Thermal Desktop 2026 R1 버전의 가장 큰 업데이트 사항은 TD Designer이다. 과거의 버전에서는 SpaceClaim에서 형상 수정 후 TD Direct에서 메싱 작업을 수행하는 이원화된 구조였다. 하지만 이번 2026 R1부터는 Discovery 플랫폼 기반의 독립형 기능인 TD Designer를 사용해 형상 수정부터 메싱까지 한 번에 완료할 수 있다.

SpaceClaim 2024 R2가 TD Direct를 지원하는 마지막 버전이며, 향후 버전부터는 TD Designer가 모든 기능을 대체할 것이다.

참고자료

• Introducing Ansys Thermal Desktop New Tools for Thermal Simulation

• C&R TECHNOLOGIES - Introduction to Thermal Desktop