주요 연구 성과
- 전은지 교수 연구실, 몬테카를로 직접모사법 기반의 다중스케일 2상유동 시뮬레이션 접근법
- 관리자 |
- 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 및 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 Burt의 solid-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
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 및 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 Burt의 solid-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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