희박기체 유동 해석에 대한 CFD와 Kinetic 모델의 비교 연구

김상훈; 박웅휘; 전은지

doi:10.5139/JKSAS.2023.51.12.849

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자료유형: 학술저널

저자정보: 김상훈 (KAIST) 박웅휘 (KAIST) 전은지 (KAIST)

저널정보: 한국항공우주학회 한국항공우주학회지 한국항공우주학회지 제51권 제12호

발행연도: 2023.12

수록면: 849 - 859 (11page)

DOI: 10.5139/JKSAS.2023.51.12.849

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일반적으로 Navier-Stokes-Fourier 방정식에 근거한 Computational Fluid Dynamics (CFD) 방법은 연속체 영역에 적용되고, Boltzmann 방정식에 근거한 Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) 방법은 희박기체 영역에 적용된다. 하지만 재진입 비행체와 같이 공기역학의 많은 문제는 국소적으로 밀도가 크게 변하는 멀티-스케일 희박 유동으로 알려져 있다. 멀티-스케일 희박 유동에 대해서는 CFD 방법만으로는 정확도 측면에서 한계가 있고, DSMC 방법만으로는 효율성 측면에서 제한이 있다. 최근 CFD와 DSMC 사이의 격차를 메우기 위해 대안적인 입자 시뮬레이션 기법들이 제시되고 있다. 가장 활발히 연구되고 있는 대상은 Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) 방법과 Fokker-Planck (FP) 방법이 있다. 하지만 수치 방법들의 성능을 일관성 있게 평가하는 비교 연구는 아직 부족한 상황이다. 본 연구에서는 희박기체 유동 해석에 대해 CFD, DSMC, BGK, FP 방법을 적용하고 성능을 분석하였다.

#Rarefied Gas Flow(희박기체 유동) #Computational Fluid Dynamics(전산유체역학),Direct Simulation Monte Carlo(직접모사법) #Boltzmann Equation(볼츠만 방정식),Bhatnagar Gross Krook Equation(BGK 방정식) #Fokker-Planck Equation(FP 방정식)

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McDonald, J. G. and Groth, C. P. T., “Towards realizable hyperbolic moment closures for viscous heat-conducting gas flows based on a maximum-entropy distribution,” Continuum Mechanics and Thermodynamics, Vol. 25, 2013, pp. 573~603.

Cai, Z., “Moment method as a numerical solver: Challenge from shock structure problems,” Journal of Computational Physics, Vol. 444, 2021, p. 110593.

Xu, K. Martinelli, L. and Jameson, A., “Gas-kinetic finite volume methods, flux-vector splitting, and artificial diffusion,” Journal of computational physics, Vol. 120, No. 1, 1995, pp. 48~65.

Kim, C., Xu, K., Martinelli, L. and Jameson, A., “Analysis and implementation of the gas‐kinetic BGK scheme for computational gas dynamics,” International journal for numerical methods in fluids, Vol. 25, No. 1, 1997, pp. 21~49.

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