ANSYS CFX Time Scale 설정 가이드

요약

• ANSYS CFX Steady-State 해석에서 Time Scale은 수렴 속도와 안정성을 결정하는 핵심 설정입니다.
• Auto Timescale은 안정적이지만 느리고, Physical Timescale은 빠르지만 직접 계산이 필요합니다.
• 수렴이 불안정하면 Time Scale을 줄이고, 너무 느리면 늘리는 것이 기본 전략입니다.

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Time Scale이란?

ANSYS CFX의 Steady-State 해석은 가상의 시간 진행(Pseudo-Transient)을 통해 정상 상태에 수렴시키는 방식으로 작동합니다. 이때 각 반복(Iteration)에서 사용하는 가상 시간 간격이 Time Scale입니다.

Time Scale이 크면 한 번의 반복에서 큰 변화를 허용하므로 수렴이 빠르지만 불안정해질 수 있고, 작으면 안정적이지만 수렴이 느려집니다.

설정 경로: Solver Control → Convergence Control → Fluid Timescale Control

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설정 옵션 — 3가지 방식

Auto Timescale (기본값)

CFX가 도메인 형상, 경계조건, 유동 조건, 물리 모델 등을 기반으로 자동 계산하는 방식입니다. 보수적(Conservative)으로 계산되어 안정적이지만, 최적이 아닌 경우가 많아 수렴이 느릴 수 있습니다.

Auto Timescale 하위 옵션:

• Length Scale Option = Conservative — 도메인 부피의 세제곱근 기반. 기본값
• Length Scale Option = Aggressive — 도메인 최대 길이 기반. 더 큰 Time Scale 산출
• Length Scale Option = Specified Length Scale — 사용자가 직접 길이 스케일 입력

Timescale Factor

Auto Timescale 값에 곱해지는 계수입니다. 기본값 1. 값을 높이면 수렴이 빨라지지만, 과도하면 불안정해집니다.

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Physical Timescale

사용자가 직접 물리적 시간 간격을 입력하는 방식입니다. Auto Timescale보다 빠른 수렴이 가능하며, ANSYS 공식 문서에서는 Physical Timescale 선택 시 Auto 대비 최소 2배 빠른 수렴을 기대할 수 있다고 안내합니다.

적절한 Physical Timescale 계산 방법

기본적인 산출 공식:

$$
\Delta t = \frac{L}{U}
$$

• L: 도메인의 대표 길이 (유로 길이, 직경 등)
• U: 대표 유속 (inlet 속도, 평균 유속 등)

예시: 유로 길이 0.5 m, inlet 속도 10 m/s인 경우

$$
\Delta t = \frac{0.5}{10} = 0.05 \text{ s}
$$

유동 저항이 큰 모델(Porous Domain, 밸브 등)에서는 저항 계수를 반영한 공식을 사용합니다.

$$
\Delta t = \frac{2L}{C_d \cdot U}
$$

• Cd: 저항 계수

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Local Time Scale Factor

Auto Timescale과 달리, 각 메시 셀마다 로컬 유동 조건에 따라 개별적인 Time Scale을 적용하는 방식입니다. 도메인 내 유속 차이가 큰 경우(예: 일부 영역은 고속, 일부는 저속)에 수렴 초기 단계를 안정적으로 넘기는 데 효과적입니다.

주의 — 최종 결과에 사용 금지

Local Time Scale Factor는 셀마다 서로 다른 가상 시간 간격을 적용하므로, 도메인 전체에서 물리적으로 일관된 해를 보장하지 않습니다. 따라서 수렴이 극도로 어려운 경우 초기 또는 중간 과정에서만 사용하고, 최종 결과는 반드시 Auto Timescale 또는 Physical Timescale로 전환하여 계산해야 합니다.

실무에서의 활용 순서:

1. Local Time Scale Factor로 초기 수렴을 안정적으로 확보 (50~100 iteration)
2. 어느 정도 수렴된 결과를 초기 조건으로 사용
3. Auto Timescale 또는 Physical Timescale로 전환하여 최종 수렴까지 계산

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수렴성에 미치는 영향

• Time Scale이 너무 크면 — 잔차 그래프가 진동(bouncy)하거나 발산. 이 경우 값을 1/4로 줄여 테스트
• Time Scale이 너무 작으면 — 잔차가 매우 천천히 감소하여 불필요하게 많은 반복 필요
• 적절한 Time Scale — 잔차가 단조롭게 감소하며 안정적으로 수렴

비선형성(Non-linearity)으로 적절성 판단

솔버 출력 파일(.out)의 Linear Solution 컬럼 값을 확인합니다. 이 값이 1e-2(1~2%) 수준이면 Time Scale이 적절하다고 판단할 수 있습니다. Time Scale을 늘리면 비선형성도 증가하므로, 이 값이 급격히 높아지면 줄여야 합니다.

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튜닝 전략

기본 접근 순서

1. Auto Timescale로 초기 실행하여 수렴 경향 확인
2. 수렴이 느리면 Timescale Factor를 2~3으로 높이거나 Length Scale Option을 Aggressive로 변경
3. 그래도 느리면 Physical Timescale로 전환하여 L/U 기반으로 직접 계산한 값 입력
4. 수렴 그래프가 진동하면 Time Scale을 1/4로 줄여 안정화 후 점진적으로 증가

초기 조건의 중요성

초기 조건을 실제 정상 상태에 가깝게 설정하면 필요한 반복 횟수가 크게 줄어듭니다. Time Scale 튜닝 전에 초기 조건부터 점검하는 것이 효율적입니다.

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고급 설정 — 방정식별 Time Scale (CCL)

CHT(Conjugate Heat Transfer) 해석이나 멀티도메인 해석에서는 방정식마다 최적의 Time Scale이 다를 수 있습니다. GUI에서는 전체 도메인에 하나의 Time Scale만 설정할 수 있지만, CCL(Command Language)을 사용하면 방정식별로 개별 지정이 가능합니다.

설정 경로: CFX-Pre → Insert → Solver → Solver Control → Command Editor

FLOW: Flow Analysis 1
  DOMAIN: FluidDomain
    SOLVER CONTROL:
      EQUATION CLASS: momentum
        CONVERGENCE CONTROL:
          Physical Timescale = 0.001 [s]
          Timescale Control = Physical Timescale
        END
      END
      EQUATION CLASS: energy
        CONVERGENCE CONTROL:
          Physical Timescale = 0.0005 [s]
          Timescale Control = Physical Timescale
        END
      END
    END
  END
END

 

사용 가능한 방정식 클래스: momentum, energy, ke(난류 운동 에너지), ed(난류 소산), rs(레이놀즈 응력) 등

우선순위: 방정식 > 도메인 > 유체 > 글로벌 순으로 적용됩니다. 가장 세부적으로 지정된 설정이 우선합니다.

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실무 팁 — Auto Timescale 과신 금지, .out 파일 확인 필수

대부분의 해석에서 Auto Timescale이면 충분하지만, 간혹 솔버가 엉뚱한 Time Scale을 산출하는 경우가 있습니다. 특히 복잡한 형상이나 다중 물리 모델에서 이런 현상이 발생할 수 있으므로, 해석 시작 후 .out 파일에서 실제 적용된 Time Scale 값을 반드시 확인하는 습관이 필요합니다.

실무 팁 — CHT 해석에서 Solid Time Scale 별도 조정

CHT(Conjugate Heat Transfer) 해석에서는 Fluid Domain의 유동 방정식은 비교적 빠르게 수렴하지만, Solid Domain의 에너지 방정식은 수렴이 훨씬 느린 경우가 많습니다. 이는 고체 내 열전달이 전도(Conduction)에 의존하기 때문으로, 대류나 운동량 전달보다 본질적으로 느린 물리 현상입니다.

Fluid의 잔차는 충분히 수렴했는데 Solid의 에너지 잔차만 남아 있다면, Solid Domain의 Time Scale을 Fluid 대비 10배 이상으로 키워 해석하는 것이 효과적입니다. 경우에 따라 그 이상의 배율도 적용 가능합니다. CCL에서 Solid Domain의 energy 방정식에 별도 Physical Timescale을 지정하거나, Solid Timescale Factor를 높이는 방식으로 설정할 수 있습니다.

실무 팁 — Auto Timescale 고급 파라미터

Auto Timescale의 동작을 더 세밀하게 제어하고 싶다면, Command Editor에서 아래 파라미터를 조정할 수 있습니다.

• Timescale Ramping Factor — Auto Timescale 값을 반복마다 점진적으로 증가시키는 배율. 초기에는 작은 Time Scale로 안정적으로 시작하고, 수렴이 진행되면서 자동으로 키워가는 효과
• Timescale Update Frequency — Auto Timescale을 몇 반복마다 재계산할지 결정. 기본값은 매 반복 업데이트
• Number of Timescale Updates — Auto Timescale 재계산 총 횟수 제한. 일정 횟수 이후에는 마지막 계산값을 고정

CCL 설정 예시:

FLOW: Flow Analysis 1
  SOLVER CONTROL:
    CONVERGENCE CONTROL:
      Timescale Control = Auto Timescale
      Timescale Factor = 1.0
      Timescale Ramping Factor = 2.0
      Timescale Update Frequency = 1
      Number of Timescale Updates = 50
      Maximum Timescale = 0.1 [s]
    END
  END
END

 

위 예시는 Auto Timescale을 매 반복마다 2배씩 키우되, 50회 업데이트 후 고정하고, 최대 0.1 s를 넘지 않도록 제한하는 설정입니다.

이 파라미터들은 수렴 초기에 불안정하다가 후반에 안정되는 해석에서 유용합니다. 초기에는 보수적으로 시작하고 점진적으로 Time Scale을 키워가므로, Physical Timescale을 직접 입력하기 어려운 복잡한 모델에서 Auto Timescale의 장점을 유지하면서 수렴 속도를 개선할 수 있습니다.

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결론

ANSYS CFX Steady-State 해석에서 Time Scale은 수렴 속도와 안정성의 균형을 결정합니다. Auto Timescale로 시작하되, 수렴이 느리면 Timescale Factor 조정 또는 Physical Timescale 전환을 검토합니다. 수렴 그래프가 진동하면 값을 줄이고, 잔차가 너무 천천히 감소하면 값을 늘립니다. CHT 해석에서 방정식별 Time Scale이 필요한 경우 CCL로 개별 지정할 수 있습니다.

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• 테스트 환경: ANSYS CFX 2020 R1 이상
• 마지막 업데이트: 2026.03

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