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확장된 이동최소제곱 유한차분법을 이용한 이동경계문제의 해석
Analysis of Moving Boundary Problem Using Extended Moving Least Squares Finite Difference Method 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.22 no.4, 2009년, pp.315 - 322  

윤영철 (명지전문대학 토목과) ,  김도완 (한양대학교 응용수학과)

초록
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본 논문은 확장된 이동최소제곱 유한차분법을 이용하여 1차원 Stefan 문제를 해석할 수 있는 새로운 수치기법이 제시한다. 이동하는 계면경계의 자유로운 수치적인 묘사를 위해 요소망이나 그리드 없이 절점만을 사용하는 이동최소제곱 유한차분법을 도입하고, 계면경계의 특이성을 모형화하기 위해 Taylor 다항식에 쐐기함수를 도입하여 확장했다. 지배방정식차분은 안정성을 보장해 주는 음해법(implicit method)을 이용한다. 이동경계를 포함한 반무한 융해문제, 실린더 형상의 고체화 문제의 수치해석을 통해 확장된 이동최소제곱 유한차분법이 높은 정확성과 효율성을 갖는 것을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a novel numerical method based on the extended moving least squares finite difference method(MLS FDM) for solving 1-D Stefan problem. The MLS FDM is employed for easy numerical modelling of the moving boundary and Taylor polynomial is extended using wedge function for accurate ca...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 1차원에서는 이동경계에 대한 기하학적인 모델링이 단순하기 때문에 얼음이 얼거나 액체가 상변화를 일으켜 고체가 되어가는 solidification 문제와 동등하며, 본 연구에서도 실린더 좌표계 무한영역에서의 고체화 문제를 추가로 다루고자 한다. 먼저, 식 (1)~(5)에서 전술한 미분방정식을 1차원 공간에서 단일한 재료의 융해문제(melting problem in half plane)로 제한하여 고려하면 다음과 같은 미분방정식을 얻는다.
  • 본 연구에서는 대표적인 이동경계문제인 Stefan 문제의 해석을 위해 쐐기함수 확장항을 사용하여 수정된 이동최소제곱 유한차분법을 제시하였다. 이동최소제곱법을 이용한 Taylor 전개에 근거한 근사함수와 미분근사식은 공간에 대한 차분식을 구성하는데 사용되었으며, 계면경계 상의 미분 불연속과 계면경계의 이동현상을 성공적으로 묘사했다.
  • 이동최소제곱 유한차분법은 그리드 없이 절점만을 이용하여 Taylor 다항식을 전개하고, 이 과정에서 원하는 함수와 그 미분을 동시에 근사할 수 있는 강형식 기반의 새로운 수치기법으로서 윤영철 등(2007a, b)에 의해 제안되었고, 다양한 응력집중문제와 이종재료의 열전달 문제에 적용된 바 있다(윤영철 등, 2007; 2007c). 본 연구에서는 미분의 특이성을 갖고 임의의 형상으로 존재하는 계면경계의 모형화에 큰 장점을 갖는 이동최소제곱 유한차분법에 이동하는 계면경계를 모사할 수 있는 확장항을 도입하여 이동경계문제를 정확하고 효율적으로 해석할 수 있는 새로운 수치기법을 제시하고자 한다. 이동경계의 kinetics를 표현할 수 있는 관계식이 이동 최소제곱 유한차분법의 근사식에 그대로 매입(immersed)되어 Level Set Method 같은 추가적인 기법의 도입 없이도 Stefan 문제를 정확하게 해석할 수 있음을 보이고자 한다.
  • 본 연구에서는 미분의 특이성을 갖고 임의의 형상으로 존재하는 계면경계의 모형화에 큰 장점을 갖는 이동최소제곱 유한차분법에 이동하는 계면경계를 모사할 수 있는 확장항을 도입하여 이동경계문제를 정확하고 효율적으로 해석할 수 있는 새로운 수치기법을 제시하고자 한다. 이동경계의 kinetics를 표현할 수 있는 관계식이 이동 최소제곱 유한차분법의 근사식에 그대로 매입(immersed)되어 Level Set Method 같은 추가적인 기법의 도입 없이도 Stefan 문제를 정확하게 해석할 수 있음을 보이고자 한다. 본 연구에서 제안하는 수치기법의 보다 심도 깊은 이론적인 배경은 Kim 등(2007a, b)이 계면경계문제 해석을 위해 제안한 무요소 점별법(Meshfree Point Collocation Method)에서 찾을 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Stefan 문제는 어떠한 특성을 가지는가? Stefan 문제는 대표적인 이동경계문제로서 해석영역 내부의 계면경계의 위치 또는 형상이 시간에 따라 변할 뿐만 아니라, 계면경계에서 미분이 불연속 해지는 특이성을 나타낸다. 대부분의 기존 수치해석기법들은 해석과정에서 요소망(mesh)이나 그리드(grid)와 같이 이산화의 기본단위를 필요로 하기 때문에 임의로 이동하는 계면경계의 형상과 미분 특이성을 묘사하는 것이 쉽지 않다.
기존 수치해석기법들의 해석이 어려운 이유는 무엇인가? 대부분의 기존 수치해석기법들은 해석과정에서 요소망(mesh)이나 그리드(grid)와 같이 이산화의 기본단위를 필요로 하기 때문에 임의로 이동하는 계면경계의 형상과 미분 특이성을 묘사하는 것이 쉽지 않다. 또한, 계면경계의 형상이해(solution)의 일부로부터 얻어지기 때문에 해석에 어려움이 많다. 이러한 이유로 이동경계문제의 해석에 있어서 유한차분법을 근간으로 하는 Tu와 Peskin(1992)이 개발한 Immersed Boundary Method(IBM), LeVeque과 Li (1994)가 개발한 Immersed Interface Method(IIM), 절점만 사용하는 무요소법(Belytschko 등, 1994) 그리고 유한요소법을 근간으로 하는 Extended Finite Element Method(XFEM; Moes 등, 1999)와 같이 요소망이나 그리드의 제약으로부터 어느 정도 자유로운 수치해석기법들이 각광을 받아 왔다.
대부분의 기존 수치해석기법들로 임의로 이동하는 계면경계의 형상과 미분 특이성을 묘사하는 것이 쉽지 않은 이유는 무엇인가? Stefan 문제는 대표적인 이동경계문제로서 해석영역 내부의 계면경계의 위치 또는 형상이 시간에 따라 변할 뿐만 아니라, 계면경계에서 미분이 불연속 해지는 특이성을 나타낸다. 대부분의 기존 수치해석기법들은 해석과정에서 요소망(mesh)이나 그리드(grid)와 같이 이산화의 기본단위를 필요로 하기 때문에 임의로 이동하는 계면경계의 형상과 미분 특이성을 묘사하는 것이 쉽지 않다. 또한, 계면경계의 형상이해(solution)의 일부로부터 얻어지기 때문에 해석에 어려움이 많다.
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참고문헌 (16)

  1. 윤영철, 김동조, 이상호 (2007a) 탄성균열해석을 위한 그리드 없는 유한차분법, 한국전산구조공학회 논문집, 20(3), pp.321-327 

  2. 윤영철, 김효진, 김동조, 윙 캠 리우, 테드 벨리체코, 이상호 (2007b) 이동최소제곱 유한차분법을 이용한 응력집중문제 해석 (I): 고체문제의 정식화, 한국전산구조공학회 논문집, 20(4), pp.493-499 

  3. 윤영철, 김효진, 김동조, 윙 캠 리우, 테드 벨리체코, 이상호 (2007c) 이동최소제곱 유한차분법을 이용한 응력집중문제 해석 (II): 균열과 국소화 밴드 문제로의 적용, 한국전산구조공학회 논문집, 20(4), pp.501-507 

  4. 윤영철, 김도완 (2007) 이동최소제곱 유한차분법을 이용한 계면경계를 갖는 이종재료의 열전달문제 해석, 한국전산구조공학회 논문집, 20(6), pp.779-787 

  5. Caldwell, J., Kwan, Y.Y. (2004) Numerical methods for one-dimensional Stefan problems, Communications in Numerical Methods in Engineering, 20, pp.535-545 

  6. Chen, S., Merriman, B. Osher, S., Smereka, P. (1997) A simple level set method for solving Stefan problem. Journal of Computational Physics, 135, pp.8-29 

  7. Chessa, J., Smolinski, P., Belytschko, T. (2002) The extended finite element method (XFEM) for solidification problems, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 53, pp.1959-1977 

  8. Belytschko, T., Lu, Y.Y., Gu, L. (1994) Elementfree galerkin methods, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 37, pp.229-256 

  9. Javierre, E., Vuik, C., Vermolen, F.J., van der Zwaag, S. (2006) A comparison of numerical models for one-dimensional Stefan problems, Journal of Computational and Applied Mathematics, 192, pp.445-459 

  10. Juric D., Tryggvason, G. (1996) A front-tracking method for dendritic solidification, Journal of Computational Physics, 123, pp.127-148 

  11. Kim, D.W., Yoon, Y.C., Liu, W.K., Belytschko, T. (2007a) Extrinsic Meshfree Approximation Using Asymptotic Expansion for Interfacial Discontinuity of Derivative, Journal of Computational Physics, 221, pp.370-394 

  12. Kim, D.W., Yoon, Y.C., Liu, W.K., Belytschko, T., Lee, S.H. (2007b) Meshfree Collocation Method with Intrinsic Enrichment for Interface Problems, Computational Mechanics, 40(6), pp.1037-1052 

  13. LeVeque, R.J., Li, Z. (1994) The immersed interface method for elliptic equations with discontinuous coefficients and singular sources, SIAM J. Numer. Anal., 31, pp.1019-1044 

  14. Moes, N., Dolbow, J., Belytschko, T. (1999) A Finite Element Method for Crack Growth without Remeshing, International Journal for Numerical Methods in Engineering Volume, 46(1), pp.131-150 

  15. Osher, S., Sethian, J.A. (1988) Fronts propagating with curvature-dependent speed: Algorithms based on Hamilton-Jacobi formulations, Journal of Computational Physics, 79, pp.12-49 

  16. Tu, C., Peskin, C.S. (1992) Stability and instability in the computation of flows with moving immersed boundaries: a comparison of three methods, SIAM J. SCi. Statist. Comput., 13, pp.1361-1376 

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