주요 연구 성과

주요 연구 성과

  • 전은지 교수 연구실, 희박 기체 혼합물 해석을 위한 새로운 입자 기반 다중 완화 BGK 기법 개발
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  • 2026-08-24 09:40:05|
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고고도 비행 및 극초음속 재진입 환경에서는 분자 간 평균 자유 행로가 유동의 특성 길이와 비슷해지는 희박 유동이 나타난다. 이러한 환경에서는 연속체 기반의 나비에-스토크스 방정식의 정확도가 감소하므로, 볼츠만 방정식을 기반으로 입자의 이동과 충돌을 모사하는 몬테 카를로 직접 모사법(Direct Simulation Monte Carlo, 이하 DSMC)이 널리 활용된다. DSMC는 유동의 희박도와 관계 없이 희박/비평형 유동을 정확하게 모사할 수 있지만, 유동의 밀도가 증가하여 연속체 영역에 가까워질수록 평균 자유 행로와 평균 충돌 시간이 감소하기 때문에 매우 작은 격자 크기와 시간 간격이 요구되어 계산 비용이 크게 증가한다. 근연속체 영역에서 DSMC의 계산 비용을 완화하기 위한 방법으로 Bhatnagar-Gross-Krook(BGK) 방정식을 이용한 입자 기반 유동 해석 기법이 연구되고 있다. BGK 방정식은 복잡한 분자 간 충돌 과정을 입자의 분포함수가 특정 목표 분포함수로 완화되는 과정으로 근사함으로써 계산 효율을 향상시킬 수 있다.
 
최근 KAIST 항공우주공학과의 비평형 기체 플라즈마 연구실(지도교수: 전은지)은 희박 단원자 혼합물 기체를 위한 입자 기반 다중 완화 Unified-BGK(UBGK) 모델을 개발하였다. 새롭게 개발된 기법은 단일 기체를 대상으로 개발되었던 UBGK 모델을 혼합물로 확장하고, 혼합물 Boltzmann 방정식과 유사하게 각각의 화학종 쌍에 대해 독립적인 완화 과정을 적용한다. 운동량, 에너지, 전단응력 및 열유속에 대한 UBGK 모델의 생성항을 Boltzmann 방정식의 생성항과 일치시키는 방법을 통해 근연속체 영역에서 혼합물의 정확한 Navier-Stokes-Fourier 수준 수송 거동을 재현하도록 모델의 완화 특성을 결정하였다.
 
김인찬 석사과정 학생이 제1저자로 참여한 본 연구 성과는 2026년도 Physics of Fluids 저널 제38권에 게재되었다. Physics of Fluids는 유체역학 및 유동 물리 분야의 주요 국제 학술지이다. (Impact Factor: 3.8, JCR 분야 상위 10%)
 
논문명: A particle multi-relaxation Bhatnagar–Gross–Krook method for rarefied monatomic gas mixtures
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0340698
 

그림 1: 헬륨-아르곤-크립톤 기체 혼합물을 이용한 극초음속 실린더 주위 유동 해석 (Ma=10, Kn=0.02)
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