[공학] 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)

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전산유체역학 개요.doc

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1950년대부터 컴퓨터의 획기적인 발전에 힘입어 이공학의 여러 분야에서 컴퓨터를 이용한 학문의 발전이 계속적으로 눈부시게 이루어져 왔다. 특히, 전산해석기법을 유체역학에 응용하는 전산 유체역학(CFD : Computational Fluid Dynamics)은 기계, 항공, 조선, 토목, 해양, 기상, 환경, 화공, 핵공학, 의 공학 등에 널리 이용되어 오고 있다.

이미 약 150년 전에부터 유명한 Navier-Stokes 방정식은 널리 알려져 오고 있었으나, Navier-Stokes 방정식을 직접 풀어 유동을 해석할 수 있는 경우라고는 매우 단순한 물체 주위의 유동에 한하고 경계조건이 역시 매우 간단할 경우에만 가능하며 대부분의 실제 공학 문제에서는 Navier-Stokes방정식을 직접 해석적으로 풀어 유동 현상을 이해한다는 것은 거의 불가능하다. 그러므로 예전에는 여러 가지 가정을 도입하여 비선형 Navier-Stokes방정식을 선형화하고 대상 물체 및 경계조건 등을 단순화하여 유동해석을 행하여 오곤 하였으나 실제 대부분은 실험에 의존해 오고 있었다. 그러나 최근의 매우 정교하면서 고성능, 고 효율을 지양하는 기계를 실험을 바탕으로 하여 설계하는 경우 실험 시간과 실험 경비가 그림1.1에서 보듯이 기하 급수적으로 증가하게 되고 어떤 실험 환경은 현재 시설 및 장비로는 측정이 매우 어렵거나, 때에 따라서는 불가능한 경우도 생겨나게 되었다. 예를 들어, 우주왕복선(Space shuttle)이 지구 대기권을 재돌입(Re-entry)할 경우, 최대 속도가 음속의 20~25배에 달하여 Stagnation point나 Reattachment point와 같은 위치에서는 국부적으로 표면 온도가 3,000~3,500 까지 상승하게 되고 이러한 극심한 고온으로 말미암아 그 부근의 공기는 분자 해리 및 이온화 현상을 띄게 된다. 그러나 이러한 극한 조건에서의 비행 상태는 우주왕복선을 설계하는데 있어서 반드시 고려되어야만 하는 매우 중요한 설계 사항인데, 이를 지구상의 실험 장비로써 실험한다면 우선 Mach number가 20이상을 만들어 낼 수 있는 풍동이 있어야 하겠고 실제로는 매우 고공에서 일어나는 현상이므로 풍동에 작용하고 있는 지구 중력장도 고공에서처럼 매우 적은 값이 작용하여야 할 것이다. 또한 풍동내를 흐르는 공기의 밀도 역시 매우 작아야 하고 공기 분자의 Mean free path는 지표면 근처의 Mean free path에 비해 현저히 증가되어야 할 것이다. 과연 이러한 풍동의 제작이 현실적으로 가능한가가 문제이다.