천이영역 유동 해석을 위한 CFD-DSMC 혼합해석기법에 관한 연구

Abstract

본 논문에서 언급된 천이영역 유동이란 연속체 유동과 희박기체 유동이 혼재하는 유동을 의미한다. 과거에는 천이영역 유동에 대해 희박기체 유동의 대표적인 해석 방법인 직접모사법(Direct simulation Monte-Carlo, DSMC)을 이용하여 해석을 수행하였으나, 연속체 영역에 가까운 유동에 대해 해석 시간 및 비용과 관련하여 어려움이 있었다. 본 연구에서는 천이영역 유동에 대한 해석을 효과적으로 수행하기 위해 CFD-DSMC 혼합해석기법 코드를 개발하였다. 개발 과정에서 연속체 영역을 담당하는 CFD 해석 코드의 경우, 일부 희박기체 영역까지 해석이 가능하도록 미끄럼 경계조건을 추가 적용한 CFD-Slip 코드로 확장하였다. 혼합해석에 사용된 각 해석 코드는 타 연구자의 실험 결과 및 해석 결과와 비교 검증을 통해 신뢰성을 우선 확보하였다. 이후, 혼합 해석의 가장 핵심 부분인 해석 영역 분할에 대한 알고리즘을 확립하고, 분할된 영역에 대해 각 해석자가 해석할 수 있도록 데이터 구조를 재구성하는 알고리즘을 함께 개발하였다. 해석 영역의 분할은 연속체 단절 매개변수를 통해 이루어지며, 연속체 단절 매개변수는 해석 대상에 따라 다양하게 설정할 수 있도록 개발하였다. 해석영역의 분할이 잘 이루어지는지 확인하기 위해 자유류 유동에 대해 혼합 해석을 수행하였으며, 이후 천이영역 환경의 유동 조건을 조성하여 혼합 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 형상은 주로 희박한 대기 환경에 측면 제트나 노즐 플룸이 존재하는 대상으로 고려하였다. 각 해석 대상에 따라 다른 연속체 단절 매개변수 및 절단 값도 사용하였으며, 이를 통해 동일한 매개변수 및 절단 값을 사용하는 것 보다 해석 대상에 따라 적절한 매개변수 및 절단 값을 사용하는 것이 혼합해석 과정에서 효과적임을 확인하였다. 본 연구를 통해 개발된 CFD-DSMC 혼합해석기법 코드가 향후 우주발사체 및 무기체계 개발 관련 연구에서 유용하게 활용 가능할 것으로 판단된다.