초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는, 다상유동 및 반응성이동 모사가 가능한 통합형 수치해석 모델을 smoothed particle hydrodynamics (SPH) 알고리즘 기반으로 개발하는 것을 최종목표로 하였다. 이를 위해 다유체(multi-fluid) 모델링을 위한 SPH 알고리즘을 개발하고 다양한 다상 유체시스템 모사 등에 적용하는 과정을 통해 검증하였다. 또한 입자포함유동(particle-laden flow) 모델링을 위한 SPH알고리즘을 개발하고 적용하였으며 개발된 모듈을, 완전 발달된 난류유동 내에서의 입자 거동

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는, 다상유동 및 반응성이동 모사가 가능한 통합형 수치해석 모델을 smoothed particle hydrodynamics (SPH) 알고리즘 기반으로 개발하는 것을 최종목표로 하였다. 이를 위해 다유체(multi-fluid) 모델링을 위한 SPH 알고리즘을 개발하고 다양한 다상 유체시스템 모사 등에 적용하는 과정을 통해 검증하였다. 또한 입자포함유동(particle-laden flow) 모델링을 위한 SPH알고리즘을 개발하고 적용하였으며 개발된 모듈을, 완전 발달된 난류유동 내에서의 입자 거동을 모사하고 해석하는 데에 적용하였다. 계면장력 모사를 위한 SPH 알고리즘을 개발하고 외부유체에 둘러싸인 유체의 계면수축 및 물방울 형성, 3상시스템에서 각 상의 물성에 따른 접촉각 형성 등을 모사하였다. 이온확산, 침전-용해 모델 등 복합적인 메커님즘을 수치해석모델에 적용, 화학반응 수반유동을 모사할 수 있는 알고리즘을 개발하였으며 해당 모델을 해석적 해가 알려진 문제들에 적용하여 비교 검증하였다. 최종적으로, 상기의 과정을 통해 개발될 개별적 모듈들을 통합, 집적화하여 단일모델화하는 연구를 수행하였으며, 병렬화 알고리즘을 적용, 모델을 가속화하였다.

연구결과
입자 포함 유동의 수치해석 지배방정식을 연속체 방정식으로부터 도출하였으며, 해당 알고리즘을 적용, 입자층의 침전을 적용한 결과, 관여된 상의 수에 관계없이 해석적으로 도출한 침강속도와 잘일치하는 결과를 얻었다. 밀도차가 큰 다유체시스템을 시뮬레이션하기 위해 압력 항을 개선한 결과물과 공기의 밀도차에 해당하는 1,000배 밀도차의 2상 유체에 대해서도 안정적으로 시뮬레이션이 가능함을 확인하였다. 입자 반발력 기반의 새로운 표면장력 모델을 개발하고 이를 이용하여 물방울의 접촉각 형성을 시뮬레이션한 결과, 표면장력값에 따라 형성되는 접촉각의 크기가, 이론적 예측값과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 가변질량, 침전-용해 반응, 이온확산모델을 복합적으로 적용하여 반응성 이동의 모사가 가능한 알고리즘을 개발하여 댐코올러 수에 따른 침전 추이의 변화 등을 모사하는데 성공하였다. 또한 CUDA 알고리즘 기반으로 시뮬레이션 코드를 병렬화하여, 기존 단일 프로세서 대비 100배 이상의 속도 향상을 실현하였다.

연구결과의 활용계획
본 연구를 통해서 다상 유동 및 반응성 이동을 모사할 수 있는 통합형 SPH 모듈을 개발하였다. 연구 결과물은 이후 유저 인터페이스화한 모듈을 이용해, 사용자의 관심 문제에 따라 초기 조건 및 경계조건, 해석 모듈의 구성이 가능하도록 구현할 계획에 있다. 이를 통해 연구 결과물을 유저 기반으로 범용화하여, 기존의 CFD기반 공개소프트웨어로 해석하기에 어려운 다상유동 및 복잡성 유동 문제를 해석할 수 있는 툴을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
The aim of this work is to develop an integrated smoothed particle hydrodynamics (SPH) model that is capable of simulating multiphase flow and reactive transport. To this end, we developed an SPH algorithm for multi-fluid modeling and validated the algorithm by applying it to var

Purpose&contents
The aim of this work is to develop an integrated smoothed particle hydrodynamics (SPH) model that is capable of simulating multiphase flow and reactive transport. To this end, we developed an SPH algorithm for multi-fluid modeling and validated the algorithm by applying it to various multi-fluid problems. Also, an algorithm for particle-laden-flow is proposed, and the model is employed to describe the behavior of fine particles in a turbulently convecting fluid. A novel algorithm of describing surface tension on the basis of SPH is developed, and applied to the contact angle formation problem. A complex mechanisms including ionic diffusion, precipitation-dissolution are implemented into the numerical model to describe reactive transport model, and the model is validated by being applied to various problems that have exact analytic solutions. Finally, the forementioned individual modules were integrated into a single model, and the computational code is parallelized for the sake of speedup.

Result
A numerical governing equation for describing particle-laden flow is derived from continuum equations. The algorithm is implemented to simulated various sedimentation problems, and the results shows that the model can reproduce the analytic settling velocity of powders in fluid regardless of the number of phases involved. The pressure term in the governing equation is improved for simulating a multi-fluid system with large density ratio, and results of several validation tests show that the modified algorithm enables stable simulations of multi fluid system with the density ratio up to 1,000, which is the density ratio between water and air. A surface tension model on the basis of inter-particle repulsion is developed and applied to simulate the contact angle formation of a droplet, and the result from the simulation agreed well with theoretical value. A complex algorithm that incorporates various mechanisms such as precipitation/ dissolution and ionic diffusion is proposed and we were able to simulate various reaction problems including the change in the precipitation behavior with the change in the Damkoholer number. Finally, the simulation code was parallelized on CUDA base, and compared to a single processor computation, we were able to speedup the computation more than 100 times.

Expected Contribution
We developed an integrated SPH module that is capable of describing multi-fluid flow and reactive transport. One of our future plan is to implement an interface by which users are able to set-up the initial conditions boundary conditions of their own problems of interests. By generalizing the developed model, it will be possible to provide a useful tool that enables to analyze complicated multi-fluid problems that is difficult to be described by the existing CFD-based open sources.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 22
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 23
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 24
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 25
• 8. 참고문헌 ... 25
• 9. 연구성과 ... 27
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 29
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 29
• 12. 기타사항 ... 29
• 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 30
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 44
• 끝페이지 ... 61