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가상유한요소법을 이용한 유체-구조 상호작용 시뮬레이션 기법
A FSI Simulation Technique based on Immersed Finite Element Method 원문보기

전산 구조 공학 = Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, v.26 no.2, 2013년, pp.43 - 47  

이태린 (Methodist Hospital 연구소) ,  장윤석 (경희대학교 원자력공학과)

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 구현 알고리즘의 특징 및 검증내용에 대해 기술하고자 한다. 또한 이중관에 대한 유동유발진동(Flow Induced Vibration; FIV) 해석사례4),5)를 소개함으로써 유체-구조 상호작용 시뮬레이션 기법의 향후 산업 구조물 적용 가능성을 제시하고자 한다.
  • 본고에서는 가상유한요소법의 개념 및 수학적 기본 모델과 저자들이 개발한 직접연성해석법3) 구현 알고리즘의 특징 및 검증내용에 대해 기술하고자 한다. 또한 이중관에 대한 유동유발진동(Flow Induced Vibration; FIV) 해석사례4),5)를 소개함으로써 유체-구조 상호작용 시뮬레이션 기법의 향후 산업 구조물 적용 가능성을 제시하고자 한다.
  • 본고에서는 가상유한요소법의 배경 및 개념, 수학적 기본모델, 수치해석 알고리즘 및 검증, 유동유발진동 해석사례에 대해 간략히 소개하였다. 지금까지의 가상유한요소법은 대부분 과학적 현상 규명을 위해 개발되었으며, NT 및 BT 학술분야에서 주목을 받아왔다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
C.S. Peskin이 제한성 극복을 위해 개발한 것은? S. Peskin은 수치해석의 제한성 극복을 위해 가상경계법(Immersed Boundary Method; IBM)을 개발하였다1). 가상경계법은 유체와 고체를 포함하는 전체 영역을 NavierStokes 지배방정식 만으로 계산하므로, 고체 영역을 계산하기 위한 별도의 해석모듈이 없고 요소망 재생성 또한 필요로 하지 않게 된다.
가상경계법의 장점은? Peskin은 수치해석의 제한성 극복을 위해 가상경계법(Immersed Boundary Method; IBM)을 개발하였다1). 가상경계법은 유체와 고체를 포함하는 전체 영역을 NavierStokes 지배방정식 만으로 계산하므로, 고체 영역을 계산하기 위한 별도의 해석모듈이 없고 요소망 재생성 또한 필요로 하지 않게 된다. 이러한 진보는 기존의 FSI 해석에 비해 짧은 시간 안에 문제들을 정확하게 풀어내는데 있어 상당한 효과를 가져왔다.
가상경계법은 어떤 효과를 가져왔는가? 가상경계법은 유체와 고체를 포함하는 전체 영역을 NavierStokes 지배방정식 만으로 계산하므로, 고체 영역을 계산하기 위한 별도의 해석모듈이 없고 요소망 재생성 또한 필요로 하지 않게 된다. 이러한 진보는 기존의 FSI 해석에 비해 짧은 시간 안에 문제들을 정확하게 풀어내는데 있어 상당한 효과를 가져왔다. 그 예로 Peskin 교수 그룹은 가상경계법을 이용하여 3차원 심장 시뮬레이션에 성공하였으며, 여러 연구그룹에서 가상경계법을 이용한 활발한 연구를 진행하고 있다.
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참고문헌 (10)

  1. C.S. Peskin, Numerical analysis of blood flow in the heart, Journal of Computational Physics. 25 (1977) 220-252. 

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  2. L. Zhang, A. Gerstenberger, X. Wang and W.K. Liu, Immersed finite element method, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 193 (2004) 2051-2067. 

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  3. T.R. Lee, Y.S. Chang, J.B. Choi, W.K. Liu, D.W. Kim and Y.J. Kim, Immersed finite element method for rigid body motions in the incompressible Navier-Stokes flow, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 197 (2008) 2305-2316. 

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  4. T.R. Lee, Y.S. Chang, J.B. Choi and Y.J. Kim, Numerical simulation of cylinder oscillation by using a direct forcing technique, Nuclear Engineering and Design, 240 (2010) 1941-1948. 

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  5. H.B. Lee, T.R. Lee, and Y.S. Chang, Numerical simulation of flow-induced bi-directional oscillations, Journal of Fluids and Structures, 37 (2013) 220-231. 

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  6. T.R. Lee, Y.S. Chang, J.B. Choi, W.K. Liu and Y.J. Kim, Numerical simulation of a nanoparticle focusing lens in a microfluidic channel by using immersed finite element method, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 9 (2009) 7407-7411. 

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  7. T.R. Lee, K. Oh, J.H. Chung, Y.S. Chang, J.B. Choi, G. Yagawa and Y.J. Kim, Resonant behavior and microfluidic manipulation of silicone cilia due to an added mass effect, Soft Matter, 7 (2011) 4325-4334. 

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  8. T.R. Lee, Y.S. Chang, J.B. Choi and Y.J. Kim, A statistical study on nanoparticle movements in a microfluidic channel, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 11 (2011) 281-285. 

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  9. T.R. Lee, M. Choi, A.M. Kopacz, S.H. Yun, W.K. Liu, P. Decuzzi, Nanoparticle transport in the microvasculature; in vivo and in silico, Scientific Reports, 2013, under review. 

  10. T.R. Lee, M.S. Greene, Z. Jiang, P. Decuzzi, W. Chen, and W.K. Liu, Nanoparticle transport in the microvasculature using Bayesian updating and uncertainty propagation, Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 2013, under review. 

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