주요 연구 성과

주요 연구 성과

  • 전은지 교수 연구실, 몬테카를로 직접모사법 기반의 다중스케일 2상유동 시뮬레이션 접근법
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  • 2024-06-28 17:27:30|
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고체 입자를 포함한 다중스케일 기체 유동의 수치 시뮬레이션은 항공우주 응용 분야에서 연구되고 있으며, 정확한 예측은 안전과 효율성을 보장하는 데 중요하다. 예를 들어, 고고도에서의 고체 로켓 플룸과 달 표면 착륙 시 발생하는 유동들은 복잡한 물리적 현상을 내포하고 있으며, 임무의 성공 여부에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 유동들은 희박한 환경으로 인해 연속체 가정을 기반으로 한 시뮬레이션 기법이 부정확한 결과를 도출할 수 있다. 이는 입자 기반 시뮬레이션 기법을 이용한 2상 유동 해석 모델이 필요함을 의미한다.
 
직접 시뮬레이션 몬테카를로(DSMC) 기법에서, Burt의 모델은 고체 입자의 직경이 기체의 평균 자유 경로보다 훨씬 작다는 가정에 기반하여 만들어졌으며, 기체-고체 상호작용을 예측하는 데 널리 사용되고 있다. 그러나 이 가정은 특히 연속체 기체 영역에서, 기체의 평균 자유 경로가 희박 기체 영역에서보다 작을 때 유효하지 않을 수 있다. 이는 Burt의 모델이 다중스케일 2상 유동 시뮬레이션에서 유효하지 않을 수 있음을 의미한다.
 
Burt의 모델의 한계를 보완하기 위해, 본 연구는 GSS 모델을 소개한다. 이 모델은 고체 입자 주변의 기체 유동 영역을 가정하지 않고 연속체 기체 영역에서 기체-고체 상호작용을 예측한다. Burt의 모델과 유사하게, GSS 모델은 두 상의 양방향 상호작용을 고려하기 위해 gas-to-solid solid-to-gas 상호작용 모델을 포함한다. GSS gas-to-solid 모델은 DSMC 시뮬레이션 결과와 비교하여 정확한 semi-empirical 힘 및 열 전달 모델을 선택하여 만들어졌다. GSS solid-to-gas 모델은 운동량 및 에너지 보존의 원칙을 기반으로 개발되었으며 Burtsolid-to-gas 모델과 비교하여 검증되었다. 유동을 해석한 결과, Burt의 모델은 고체 입자 직경에 대한 가정이 유효하지 않을 때 기체-고체 간 힘과 에너지 전달률을 과대평가할 수 있지만, 기체 속도 분포 함수가 Maxwell-Boltzmann 분포를 따르지 않는 2상 유동의 비평형 특성을 재현할 수 있음을 보여준다. 반면, GSS 모델은 연속체 기체 유동에서 기체-고체 상호작용을 정확하게 예측할 수 있으나, 2상 유동의 비평형 특성을 포착할 수 없다. 이는 각 기체-고체 상호작용에 대해 유효한 모델을 사용하는 것이 다중스케일 2상 유동의 정확한 시뮬레이션에 중요함을 나타낸다.
 
신영호 석사과정이 제 1저자로 참여한 본 연구 성과는 항공우주분야 국제학술지 “Physics of fluids” (IF: 4.1) 에 게제되었다. (논문명: An approach for multiscale two-phase flow simulation in the direct simulation Monte Carlo framework)
 
https://doi.org/10.1063/5.0212766


 

그림: (a) 고체 입자를 포함한 다중스케일 기체 유동, (b) 기체 분자와 고체 입자 간의 충돌 개념도, (c) 고체 입자 표면에서 반사되는 기체 분자의 움직임을 모사하는 Maxwell GSI 모델
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