Computational Fluid Dynamics

Computational fluid dynamics (CFD)는 다양한 수치해석 기법들을 사용하여 유체의 흐름을 분석하는 유체역학의 한 분야입니다. CFD는 액체 뿐만 아니라 기체, 미세입자의 흐름 등 넓은 영역의 분석에 사용되고 있습니다. 복잡한 구조와 다양한 환경적 영향을 생각해야 하는 현대 공학에 있어서 CFD는 빠질 수 없는 영역입니다.

CFD에는 연속체 영역에 대한 해석을 위한 FDM, FEM, FVM, SPH, 비연속체 영역의 해석을 위한 LBM, DEM, DSMC, MD 등 다양한 수치 해석 방법이 존재합니다. 연속체란 물체를 이루고 있는 요소들이 전체 물질의 성질을 유지하고 있는 물질을 뜻합니다. 따라서 미분방정식을 기반으로 문제를 해결할 수 있습니다. 비연속체란 연속체 가정이 불가능한 물체 입니다. 따라서 비연속체의 해석에는 미분방정식을 사용할 수 없습니다. CFD에서 연속체와 비연속체 가정의 성립을 평가하는 인자로 Knudsen number (Kn)가 사용됩니다. Kn가 커질수록 연속체 가정을 사용할 수 없게 됩니다.

연속체 영역의 해석을 위한 FDM, FEM, FVM, SPH에서 FDM은 구현이 쉽고 계산의 흐름을 파악하기 쉬운 특징을 가지며 CFD뿐만 아니라 다양한 Partial Differential Equation을 해석하는데 사용되고 있습니다. FEM, FVM은 mesh를 사용하는 수치해석 방법으로 field의 개념으로 공간의 변화를 해석하는 방식으로 CFD, 구조해석, 열해석 등의 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. SPH는 mesh를 사용하지 않는 mesh free method 중 하나로 field의 개념과 particle의 개념이 섞여있는 특징을 가지고 있습니다. 천체 물리학의 해석을 위해 개발된 방법으로 해양학, 자연재해 등 거대한 해석에 사용되고 Computational Graphics (CG) 분야 에서도 많이 사용되고 있습니다.

비연속체 영역의 해석을 위한 LBM, DEM, DSMC, MD에서 LBM은 기체분자의 분포함수를 결정하는 Boltzmann equation의 개념을 Navier-Stokes equation의 개념을 섞어서 만든 방식으로 연속체 영역과 비연속체 영역의 해석이 모두 가능하고 각각의 영역의 특징을 보여줄 수 있습니다. FEM, FVM에서 사용하는 mesh와는 조금 다른 Lattice를 사용합니다. 기존의 연속체 가정 방법들 보다는 시간에 따른 변화를 더욱 두드러지게 확인 할 수 있습니다. DEM과 DSMC는 Particle Dynamics을 바탕으로 해석하는 방식으로 비연속체 영역을 해석하기 위한 기법들입니다. 입자 또는 대표입자를 기반으로 하여 입자들의 충돌과 움직임의 계산하는 것이 특징으로 Microscale에서의 입자들의 충돌을 통하여 Macroscopic 인자들을 계산되는 것을 확인 할 수 있어 Macroscale에서의 현상을 Microscopic 하게 이해하고 해석 할 수 있는 방법들입니다. 이러한 특성들을 통해 보다 비연속적인 특성들을 확인할 수 있다는 장점이 있다. MD는 Molecular Dynamics로 분자동역학을 기본으로하여 분자의 형태, 구조, 특성 까지 고려하는 방식으로 Micro-Nanoscale의 해석을 위한 방법입니다.