주요 연구 성과
- 전은지 교수 연구실, 2차 시공간 정확도를 가지는 이원자 Fokker-Planck 모델 개발
- 관리자 |
- 2025-11-13 17:06:24|
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- 2025-11-13 17:06:24|
뉴 스페이스 시대에 돌입함에 따라, 지구 재진입 비행체의 발사가 활발해지고 있다. 재진입 비행체의 안전한 귀환을 위해, 비행체가 경험하는 열공력 특성을 정확히 예측하는 것이 중요하다. 재진입 초기 단계인 고고도 대기 영역은 유동의 밀도가 매우 희박하여, 연속체 가정에 기반한 해석 방법이 유효하지 않다. 이러한 희박 유동을 정확하게 해석하기 위해서 볼츠만 방정식을 지배 방정식으로 하는 몬테카를로 직접 모사법(Direct simulation Monte Carlo, DSMC)이 주로 사용된다. DSMC 방법은 계산 입자의 이동과 확률적인 충돌을 통해 유동을 모사하는 방법으로, 희박 유동을 포함한 모든 영역의 유동을 해석할 수 있다. 하지만, 유동의 밀도가 높아질 수록 입자 간의 충돌 수가 증가하기 때문에 계산 비용이 높아진다는 단점이 있다. 이러한 계산 문제를 해결하기 위한 대안으로 포커-플랑크(Fokker-Planck, FP) 방법이 제안되었다. FP 방법은 입자 간의 충돌을 각 입자의 브라운 운동으로 근사하는 모델이다. FP 방법은 입자의 충돌을 모사하지 않으므로, 격자 크기와 시간 간격 크기를 충돌 해상도인 평균 자유 행로와 평균 충돌 시간과 무관하게 설정할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 일반적으로 FP 모델은 1차 시공간 정확도를 가지고 있어서, 격자 크기와 시간 간격을 증가시키면 오차가 발생한다는 한계가 있다. FP 모델의 시공간 정확도를 향상시켜, DSMC 방법 대비 더 큰 격자와 더 큰 시간 간격을 사용하여 높은 정확도를 유지하면서 계산 효율 향상을 이루고자 하는 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 현재까지의 FP 모델의 시공간 정확도 향상 연구는 단원자에 대해서만 이루어졌다.
KAIST 항공우주공학과의 비평형 기체 플라즈마 연구실(지도교수: 전은지)에서는 이원자 기체에 대한FP 모델의 시공간 정확도를 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. USP-FPM (Unified stochastic particle Fokker-Planck-Master) 기법으로 명명된 해당 기법은 기존의 이원자 FP 모델의 시공간 정확도를 향상시킨 기법이다. USP-FPM 기법은 2차 시간 정확도를 달성하기 위해 에너지, 전단 응력, 열 유속의 2차 정확도 완화식을 보장하는 새로운 시간 적분 기법을 적용하였고, 2차 공간 정확도를 달성하기 위해 다항식 재구성 기법을 사용하였다. 개발한 USP-FPM 기법의 성능을 평가하기 위해 마하 5의 극초음속 실린더 유동 해석을 진행하였다. 극초음속 실린더 유동에 대해서 조밀한 격자계에서 DSMC 방법의 결과와, 이보다 격자 크기와 시간 간격 크기가 5배 증가한 성긴 격자계에서 USP-FPM 방법의 결과를 비교하였다. 그림1은 실린더 주위의 병진, 회전, 진동 온도의 분포를 나타낸 그림으로, 성긴 격자계에서 USP-FPM 방법의 결과가 조밀한 격자계에서 DSMC 방법의 결과와 일치하는 것을 확인하였다.
김준범 석사과정이 제1저자로 참여한 본 연구 성과는 2025년도 Physics of Fluids 저널 제37권 제11호에 게재되었다. Physics of Fluids는 유체 역학 분야 전반의 심도 깊은 연구를 다루는 최상위 저널이다 (IF: 4.3, JCR 상위6.1%)
논문명: A second-order particle Fokker–Planck–Master method for diatomic gas flows
DOI: 10.1063/5.0292414
KAIST 항공우주공학과의 비평형 기체 플라즈마 연구실(지도교수: 전은지)에서는 이원자 기체에 대한FP 모델의 시공간 정확도를 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. USP-FPM (Unified stochastic particle Fokker-Planck-Master) 기법으로 명명된 해당 기법은 기존의 이원자 FP 모델의 시공간 정확도를 향상시킨 기법이다. USP-FPM 기법은 2차 시간 정확도를 달성하기 위해 에너지, 전단 응력, 열 유속의 2차 정확도 완화식을 보장하는 새로운 시간 적분 기법을 적용하였고, 2차 공간 정확도를 달성하기 위해 다항식 재구성 기법을 사용하였다. 개발한 USP-FPM 기법의 성능을 평가하기 위해 마하 5의 극초음속 실린더 유동 해석을 진행하였다. 극초음속 실린더 유동에 대해서 조밀한 격자계에서 DSMC 방법의 결과와, 이보다 격자 크기와 시간 간격 크기가 5배 증가한 성긴 격자계에서 USP-FPM 방법의 결과를 비교하였다. 그림1은 실린더 주위의 병진, 회전, 진동 온도의 분포를 나타낸 그림으로, 성긴 격자계에서 USP-FPM 방법의 결과가 조밀한 격자계에서 DSMC 방법의 결과와 일치하는 것을 확인하였다.
김준범 석사과정이 제1저자로 참여한 본 연구 성과는 2025년도 Physics of Fluids 저널 제37권 제11호에 게재되었다. Physics of Fluids는 유체 역학 분야 전반의 심도 깊은 연구를 다루는 최상위 저널이다 (IF: 4.3, JCR 상위6.1%)
논문명: A second-order particle Fokker–Planck–Master method for diatomic gas flows
DOI: 10.1063/5.0292414