희박기체 유동 해석에 대한 CFD와 Kinetic 모델의 비교 연구

Q: 이 논문에서 정의한 희박기체 유동이란 무엇인가?

희박기체 유동은 유동의 희박도를 나타내는 누센 수(Kn)가 0.001 이상인 조건의 유동을 의미한다. 이는 분자 간 평균 자유 경로가 물체의 특성 길이와 비교하여 무시할 수 없는 수준으로, 입자 간 충돌 수가 적어 비평형 유동이 발달하며 연속체 가정이 유효하지 않게 되는 영역의 유동이다.

Q: 멀티-스케일 희박 유동 해석에 적합한 방법은 무엇인가?

연구 결과, 멀티-스케일 희박 유동 해석에는 기존의 CFD나 DSMC 방법만으로는 정확도 및 효율성 측면에서 한계가 있다. 따라서 BGK 및 FP와 같은 중시적 입자 시뮬레이션 기법들이 연속체 영역에서 Navier-Stokes-Fourier 방정식을 재현하고 희박기체 영역에서도 DSMC와 유사한 정확도를 보여주어 효과적인 대안이 될 수 있다.

김상훈; 박웅휘; 전은지

doi:10.5139/JKSAS.2023.51.12.849

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자료유형: 학술저널

저자정보: 김상훈 (KAIST) 박웅휘 (KAIST) 전은지 (KAIST)

저널정보: 한국항공우주학회 한국항공우주학회지 한국항공우주학회지 제51권 제12호

발행연도: 2023.12

수록면: 849 - 859 (11page)

DOI: 10.5139/JKSAS.2023.51.12.849

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일반적으로 Navier-Stokes-Fourier 방정식에 근거한 Computational Fluid Dynamics (CFD) 방법은 연속체 영역에 적용되고, Boltzmann 방정식에 근거한 Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) 방법은 희박기체 영역에 적용된다. 하지만 재진입 비행체와 같이 공기역학의 많은 문제는 국소적으로 밀도가 크게 변하는 멀티-스케일 희박 유동으로 알려져 있다. 멀티-스케일 희박 유동에 대해서는 CFD 방법만으로는 정확도 측면에서 한계가 있고, DSMC 방법만으로는 효율성 측면에서 제한이 있다. 최근 CFD와 DSMC 사이의 격차를 메우기 위해 대안적인 입자 시뮬레이션 기법들이 제시되고 있다. 가장 활발히 연구되고 있는 대상은 Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) 방법과 Fokker-Planck (FP) 방법이 있다. 하지만 수치 방법들의 성능을 일관성 있게 평가하는 비교 연구는 아직 부족한 상황이다. 본 연구에서는 희박기체 유동 해석에 대해 CFD, DSMC, BGK, FP 방법을 적용하고 성능을 분석하였다.

#Rarefied Gas Flow(희박기체 유동) #Computational Fluid Dynamics(전산유체역학),Direct Simulation Monte Carlo(직접모사법) #Boltzmann Equation(볼츠만 방정식),Bhatnagar Gross Krook Equation(BGK 방정식) #Fokker-Planck Equation(FP 방정식)

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