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유체-구조 연성 해석을 위한 common-refinement 기반 불일치 격자 경계면에서의 정보 전달 기법 연구
The study of data transfer method non-matching meshes interface using common-refinement method for fluid-structure interface 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.3, 2014년, pp.191 - 198  

한상호 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) ,  김동현 (Continental Automotive Systems) ,  이창수 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) ,  김종암 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University)

초록
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본 연구는 유체-고체 연성 해석이 활발히 진행되고 있는 고체로켓의 3차원 연소실 상경계면 형상에 대해 정보 전달 기법 중 하나인 공통세분 기법의 적용을 목적으로 수행되었다. 본 기법은 불일치하는 경계면간 정보 전달에도 보존성과 정확도를 동시에 만족시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 기법 구현은 상경계면에 공통표면을 구성하고 특정 오차를 최소화 시키는 최소화 내삽법을 적용하는 과정으로 수행되었다. 이를 바탕으로 다양한 다차원 상경계면 형상에서 연속 및 불연속 함수를 이용한 정보 전달 실험을 수행하였고, 다른 기법들과 해석 결과를 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

During multi-physics or multi-phase simulations accompanying fluid- structure- thermal interaction, data transfer problems always arise along non- matching interfaces caused by different computational meshes for each physical domain. Common- refinement scheme, among many available methods, is attrac...

주제어

#유체-구조 연성   #정보 전달 기법   #공통세분 기법   #불일치 경계면  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구는 Fig. 1 에 도시된 3차원 고체 로켓 연소실 내부의 유체-구조 연성 해석을 위한 공통세분기반의 불일치 격자 간 정보 전달 기법 적용 및 정확성 및 보존성 확인을 목적으로 수행되었다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 실제 고체 로켓의 유체-구조 연성 해석 시 발생할 수 있는 상황을 가정하여 공통표면을 구성하였다. 구조 부분 표면에서 사각형 격자, 유체 부분 표면은 삼각형 비정렬 격자가 사용된다고 가정하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 실제 고체 로켓의 유체-구조 연성 해석 시 발생할 수 있는 상황을 가정하여 공통표면을 구성하였다. 구조 부분 표면에서 사각형 격자, 유체 부분 표면은 삼각형 비정렬 격자가 사용된다고 가정하였다.
  • 유체-구조 연성 계산에서 전달되는 정보는 편미분방정식 형태로 가정할 수 있다. 일반적으로 편미분 방정식의 근사해의 정량적인 표현은 internal form으로 나타나므로 L2-norm을 이용한 내삽법 적용이 가능하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유체-구조 연성 해석은 어떤 특징을 가지고 있는가? 최근 각광 받고 있는 유체-구조 연성 해석은 유동에 의해 구조 변형이 발생하고 이 변형이 다시 유동 변화를 유발하여, 지속적으로 매우 강한 비정상 특성을 보이는 물리 현상의 전산해석을 위한 연구 분야이다. 유체-구조 연성 해석은 다물리 해석 기법으로 그 적용분야가 매우 광범위하다. 그 중, 군사 및 우주 추진체로 널리 사용되는 고체 로켓 내부 연소실은 추진제 연소에 의한 고온, 고압의 연소 가스 발생과 유동 압력에 의한 추진제 그레인의 구조 변형 및 연소 현상에 의한 체적 변화 등 복잡한 물리 현상이 복합적으로 작용하기 때문에 유체-구조 연성 해석이 필수적이다.
유체-구조 연성 해석에서 가장 중요한 것은 무엇인가? 유체-구조 연성 해석을 위해서는 불일치 상경계면에서 유체와 구조 각 영역의 해석을 위해 필요한 압력, 온도, 변위 등의 정보량 전달이 필수적이며, 전달의 정확도는 유체, 구조 해석에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 특히, 고체 로켓 내부 상경계면에서는 고온의 압축성 유체 유동에서 발생하는 불연속적인 압력 정보가 전달되므로 정보 전달의 정확성과 보존성을 만족시키는 기법 적용이 매우 중요하다[1,2].
고체 로켓 내부 연소실은 어떤 이유 때문에 유체-구조 연성 해석이 필수적인가? 유체-구조 연성 해석은 다물리 해석 기법으로 그 적용분야가 매우 광범위하다. 그 중, 군사 및 우주 추진체로 널리 사용되는 고체 로켓 내부 연소실은 추진제 연소에 의한 고온, 고압의 연소 가스 발생과 유동 압력에 의한 추진제 그레인의 구조 변형 및 연소 현상에 의한 체적 변화 등 복잡한 물리 현상이 복합적으로 작용하기 때문에 유체-구조 연성 해석이 필수적이다. 그리고 일반적으로 유체영역은 고체영역에 비해 상대적으로 조밀한 격자를 필요로 하는 영역이 존재하게 되고 결국 유체와 구조 두 영역의 경계에서 격자가 서로 일치하지 않는 불일치 경계면이 형성된다.
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참고문헌 (12)

  1. Han, S., Choi, H., Kim, C., Hwang, C., Jung, G., and Oh, J., "ALE-Based FSI simulation of solid propellant rocket interior," 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Orlando, Florida, 4-7 January 2010. 

  2. Han, S., and Kim, C., "A full burning FSI simulation of solid propellant rocket interior," 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Nashville, Tennessee, 9-12 January 2012. 

  3. Jiao X., and Heath MY., "Common-refinement based data transfer between non-matching meshes in multiphysics simulations," International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 61, No. 14, 2004, pp.2402-2427. 

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  4. Farhat, C., Lesoinne, M., and LeTallec, P., "Load and motion transfer algorithms for fluid/structure interaction problems with non-matching discrete interfaces: momentum and energy conservation, optimal discretization and application to aeroelasticity," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 157, No. 1-2, 1998, pp.95-114. 

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  5. Franke, R., "Scattered data interpolation: test of some methods," Mathematics of Computation, Vol. 38, No. 157, 1982, pp.181-200. 

  6. Jiao, X., and Heath, MT., "Overlaying surface meshes (part 1): algorithms," International Journal of Computational Geometry and Applications Vol. 14, No. 6, 2004, pp.379-402 

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  7. Jamin, R. K., Jiao, X., Geubelle, P. H. and Loth, E., "Assessment of conservative load transfer for fluid-solid interface with non-matching meshes," International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 64, No. 15, 2005, pp.2014-2038. 

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  8. Duchon, J., "Splines minimizing rotation-invariant semi-norms in Sobolev spaces," In Constructive Theory of Functions of Several Variables, Schempp W, Zeller K (eds). Springer: Berlin, 1976, pp.85-100. 

  9. Jamin, R. K., Jiao, X., Geubelle, P. H. and Loth, E., "Conservative load transfer along curved fluid-solid interface with non-matching meshes," Journal of Computational Physics, Vol. 218, No. 1, 2006, pp.372-397. 

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  10. Marilyn, J., Smith., Dewey, H., Hodges., Carlos, E. S., and Cesnik, "Evaluation of Computational Algorithms Suitable for Fluid-Structure Interaction," Journal of Aircraft, Vol. 37, No. 2, 2000, pp.282-294. 

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  11. Hardy, R. L., "Multiquadric Equations of Topography and Other Irregular Surfaces," Journal of Geophysical Research, Vol. 76, No. 8, 1971, pp.1905-1915 

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  12. Harder, R. L. and Desmaraia, R. N., "Interpolation Using Surface Splines," AIAA Journal, Vol. 9, No. 2, 1972, pp.189-191. 

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