KR102181986B1 - 더미 입자를 이용한 입자 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법 및 유체 해석 시뮬레이션 장치 - Google Patents

더미 입자를 이용한 입자 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법 및 유체 해석 시뮬레이션 장치 Download PDF

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Abstract

유체 해석 시뮬레이션 장치에서 수행되는 더미 입자를 이용한 입자 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법은 유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하는 단계, 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키는 단계, 상기 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동 데이터를 계산하는 단계 및 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 더미 입자의 수는 상기 유체 해석 시뮬레이션이 수행되면서 가변된다.

Description

더미 입자를 이용한 입자 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법 및 유체 해석 시뮬레이션 장치{DUMMY PARTICLE BASED FLUID ANALYSIS SIMULATION METHOD AND FLUID SIMULATION APPARATUS}
본 발명은 더미 입자를 이용한 입자 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법 및 유체 해석 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.
전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)은 유체 역학의 한 분야로서, 컴퓨터를 이용하여 유체의 동적인 움직임을 수치해석적 방법으로 계산해 내는 것이다. 전산유체역학은 편미분방정식인 나비에-스토크스 방정식(Naiver-Stokes Equation)을 FDM(Finite Difference Method), FEM(Finite Element Method), FVM(Finite Volume Method) 및 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 등의 방법을 통해 이산화함으로써 유체의 유동을 연산한다.
나비에-스토크스 방정식을 계산하는 방법에는 공간 도메인을 작은 공간 격자(Mesh or Grid)로 이산화하여 연산하는 격자 기반 방법과 유체를 다수의 입자의 집합으로 표현하는 입자 기반 방법이 있다.
입자 기반 방법은 해석 대상을 격자로 표현하는 대신 입자로 표현함으로써, 자연 현상이나 물리 현상에 대한 보다 자연스러운 시뮬레이션이 가능하다. 입자 기반 방법에는 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics), MPS(Moving Particle Semi-implicit), LBM(Lattice Boltzmann Method) 등이 있다.
입자 기반 방법 중 하나인 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석은, 격자 기반 방법과 달리 격자를 생성하는 단계가 생략되므로 해석의 결과물을 비교적 빠르게 시뮬레이션할 수 있다.
또한, SPH 기반의 유체 해석은 격자를 생성하지 않고 입자를 이용하여 해석하므로, 액체와 기체의 계면과 같은 자유 표면의 해석을 비교적 용이하게 수행할 수 있다.
또한, SPH 기반의 유체 해석은 기체, 액체, 고체 중 두 개 이상을 포함하는 다상 유동의 해석을 비교적 정확하게 수행할 수 있다.
이러한 장점들로 인해 유체의 유동을 시뮬레이션하는데 있어 최근 SPH가 많이 이용되고 있다.
입자 기반 방법은 유체를 표현하는 복수의 입자의 유동을 계산하기 위해 하나의 입자에서 일정 반경 내의 복수의 인접 입자를 찾고, 인접 입자와의 유동 데이터를 계산한다. 이 때, 시뮬레이션 영역의 경계 부근에 위치한 입자는 경계와 인접한 외부에 입자가 없으므로, 인접 입자가 충분하지 않아 유동 데이터를 계산하는데 문제가 발생한다.
이하에서는 도 1을 참조하여 구체적으로, 상술한 문제점을 설명한다.
도 1은 종래의 유체 해석 시뮬레이션 과정을 설명하기 위한 도면이다. 종래의 전산 유체 역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)에서 입자 기반 방법을 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산하는 경우, 시뮬레이션 영역의 내부 영역에 위치한 하나의 기준 입자로부터 일정 반경 내에 위치한 복수의 인접 입자를 탐색함으로써, 하나의 입자 및 복수의 인접 입자 간의 유동을 계산할 수 있다.
도 1을 참조하면, 기준 입자(100)가 구조물 등의 벽 근처와 같이 시뮬레이션 영역의 경계 부근에 위치한 경우, 기준 입자(100)로부터 일정 반경(110) 내에 시뮬레이션 영역의 내부 영역(120)뿐만 아니라 외부 영역(130)도 포함되게 된다. 이로 인해, 기준 입자(100)가 시뮬레이션 영역의 경계 부근(구조물의 벽 근처)에 위치한 경우에 탐색된 복수의 인접 입자의 수는 기준 입자(100)가 시뮬레이션 영역의 내부 영역(120)에 위치한 경우에 탐색된 복수의 인접 입자의 수에 절반밖에 되지 않는다.
일반적으로, 입자 기반 방식의 유체 해석은 기준 입자가 이의 인접 입자로부터 받는 물리적 힘(즉, 밀도에 의한 힘, 압력에 의한 힘 및 점성에 의한 힘 등)을 고려함으로써 해당 입자의 유동을 계산한다.
그러나, 경계 부근에 위치한 입자의 경우, 인접 입자의 부재로 인해 이의 유동을 계산함에 있어 오류가 발생하게 된다.
선행기술문헌: 일본 등록특허 제6009075호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시뮬레이션 영역의 경계 부근에서도 정확한 유동 데이터의 계산이 가능하여 자연스러운 시뮬레이션이 가능한 유체 해석 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는 유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하는 단계, 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키는 단계, 상기 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 더미 입자의 수는 상기 유체 해석 시뮬레이션이 수행되면서 가변되는 것인 유체 해석 시뮬레이션 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하는 모델링부, 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키는 더미 입자 배치부 및 상기 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 유동 데이터 계산부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 더미 입자의 수는 상기 유체 해석 시뮬레이션이 수행되면서 가변되는 것인 유체 해석 시뮬레이션 장치를 제공할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 시뮬레이션 영역의 외부에 더미 입자를 배치시킴으로써, 기준 입자가 시뮬레이션 영역의 경계 부근(예를 들어, 구조물의 벽 근처)에 위치한 경우에도, 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자의 일정 반경 내에 위치한 복수의 인접 입자를 탐색할 수 있도록 하는 유체 해석 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
유체 해석 시뮬레이션이 수행되면서 적어도 하나의 더미 입자의 수를 가변시킴으로써, 계산 속도의 저하, 허용 개수의 초과로 인한 계산 불능의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 유체 해석 시뮬레이션 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 장치의 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기본 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 기본 더미 입자 및 추가 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 장치에서 유체 해석 시뮬레이션 방법의 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
유체 해석 시뮬레이션 방법도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 장치의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 유체 해석 시뮬레이션 장치(100)는 서버, 데스크탑, 노트북, 키오스크(KIOSK) 및 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC를 포함할 수 있다. 다만, 유체 해석 시뮬레이션 장치(100)는 앞서 예시된 것들로 한정 해석되는 것은 아니다. 즉, 유체 해석 시뮬레이션 장치(100)는 후술하는 SPH 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법을 수행하는 프로세서를 탑재한 모든 장치를 포함할 수 있다.
유체 해석 시뮬레이션 장치(100)는 유체의 3차원 유동해석을 수행한다. 즉, 유체 해석 시뮬레이션 장치(100)는 3차원 시뮬레이션 영역 및 3차원 시뮬레이션 영역에 위치하는 복수의 입자를 모델링하고, 복수의 입자의 3차원 시뮬레이션 영역 내에서의 유동을 해석한다. 다만, 본원에서는 설명의 편의를 위해 시뮬레이션 영역 및 입자를 2차원으로 표현하여 설명한다.
유체 해석 시뮬레이션 장치(100)는 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반으로 유체를 해석하기 위한 시뮬레이션을 수행할 수 있다. SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)에서 사용될 수 있는 입자 방식의 유체 해석 기법의 하나이다. SPH는 유체의 움직임을 시뮬레이션하기 위하여, 해석 대상인 유체를 하나 이상의 입자로 표현할 수 있다. SPH는 각 입자를 추적하면서 입자가 가지는 물리량을 계산할 수 있고, 계산 결과에 기초하여 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법은 유체 해석 시뮬레이션이 실시간으로 계산되는 응용 분야를 포함하지만 이에 한정되지 않고, 유체 해석 시뮬레이션을 필요로 하는 다양한 응용 분야에서도 적용된다.
예시적인 응용 분야는 예를 들어 컴퓨터 게임, 의학 시뮬레이션, 과학 응용 및 컴퓨터 애니메이션을 포함한다. 유체 해석 시뮬레이션 장치(100)는 모델링부(210), 더미 입자 배치부(220) 및 유동 데이터 계산부(230)를 포함할 수 있다.
모델링부(210)는 유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링할 수 있다. 예를 들어, 모델링부(210)는 사용자로부터 키보드, 마우스, 조이스틱, 터치 스크린 및 마이크 등을 이용하여 지형 정보, 구조물 정보, 경계 조건 정보, 입자 물성 정보 및 중력 가속도 정보 중 적어도 하나를 입력받고, 입력받은 적어도 하나에 기초하여 시뮬레이션 영역을 모델링할 수 있다.
여기서, 구조물 정보는 밀도, 반발 계수 및 마찰 계수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 입자 물성 정보는 입자 반경, 밀도, 점성, 음속 및 초기 속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
더미 입자 배치부(220)는 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시킬 수 있다. 예를 들어, 더미 입자 배치부(220)는 시뮬레이션 영역의 외부에 배치할 복수의 기본 더미 입자를 생성하고, 생성된 적어도 하나의 기본 더미 입자를 시뮬레이션 영역에 배치시킬 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 더미 입자는 적어도 하나의 추가 더미 입자의 생성에 필요한 방향 정보를 포함할 수 있다.
유동 데이터 계산부(230)는 유체에 대한 복수의 입자 중 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자를 결정하고, 결정된 기준 입자로부터 소정의 탐색 반경 내에 위치한 복수의 인접 입자를 탐색할 수 있다.
유동 데이터 계산부(230)는 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동 데이터를 계산할 수 있다. 예를 들어, 유동 데이터 계산부(230)는 외부에 배치된 복수의 기본 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산할 수 있다.
잠시 도 3a 및 3b를 참조하여, 기본 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산하는 과정을 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기본 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산하는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 3a를 참조하면, 모델링부(210)가 유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역(300)을 모델링하면, 더미 입자 배치부(220)는 시뮬레이션 영역(300)의 외부(310)에 배치할 복수의 기본 더미 입자(320)를 생성하고, 생성된 적어도 하나의 기본 더미 입자(320)를 시뮬레이션 영역(300)의 경계와 인접한 제 1 외부 영역(311)에 배치시킬 수 있다. 예를 들어, 더미 입자 배치부(220)는 시뮬레이션 영역(300)의 모든 경계와 인접한 제 1 외부 영역(311)에 기본 더미 입자(320)를 배치시킬 수 있다.
도 3b를 참조하면, 유동 데이터 계산부(230)가 유체에 대한 복수의 입자 중 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자(330)를 결정하고, 결정된 기준 입자(330)로부터 소정의 탐색 반경(331) 내에 위치한 복수의 인접 입자(340)를 탐색할 수 있다.
유동 데이터 계산부(230)는 외부(310)에 배치된 복수의 기본 더미 입자(320)를 이용하여 시뮬레이션 영역(300) 중 내부 영역(341, 시뮬레이션 영역과 외부 영역의 경계 영역)에 대한 복수의 입자의 유동을 계산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기준 입자(330)가 구조물과 같이 시뮬레이션 영역의 경계 부근에 위치한 경우라 하더라도, 유체 해석 시뮬레이션이 정확하게 표현될 수 있다.
더미 입자는 기준 입자(330)의 탐색 반경을 고려할 때, 시뮬레이션 영역의 경계 부근에 2층 내지 3층으로 배치될 것이 요구된다.
그러나, 무수히 많은 더미 입자를 시뮬레이션 영역의 외부 영역에 배치시키는 경우, 계산 속도가 저하되며, 더미 입자의 허용 개수의 초과로 인해 입자 유동의 계산이 불가능해지는 등 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는데 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명에서는 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는데 필요한 더미 입자의 수를 가변적으로 배치한다.
다시 도 2로 돌아와서, 더미 입자 배치부(220)는 시뮬레이션 영역의 외부에 배치할 적어도 하나의 추가 더미 입자를 생성하고, 생성된 적어도 하나의 추가 더미 입자를 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시킬 수 있다.
유동 데이터 계산부(230)는 외부에 배치된 복수의 기본 더미 입자 및 적어도 하나의 추가 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산할 수 있다.
잠시 도 4a 내지 4d를 참조하여, 기본 더미 입자 및 추가 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동을 계산하는 과정을 설명하기로 한다.
도 4a를 참조하면, 유동 데이터 계산부(230)는 유체에 대한 복수의 입자 중 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자(420)를 결정하고, 결정된 기준 입자(420)로부터 소정의 탐색 반경(421) 내에 위치한 복수의 인접 입자를 탐색할 수 있다.
더미 입자 배치부(220)는 탐색된 복수의 인접 입자가 복수의 기본 더미 입자(430) 중 하나인 제 1 기본 더미 입자(431)를 포함하는 경우, 적어도 하나의 추가 더미 입자를 생성하여 시뮬레이션 영역(400)의 외부 영역(410)에 배치시킬 수 있다.
이 때, 더미 입자 배치부(220)는 제 1 기본 더미 입자(431) 중 제2번 내지 제7번 입자가 위치한 순으로 적어도 하나의 추가 더미 입자를 순차적으로 생성하여 배치시킬 수 있으며, 또는 제2번 내지 제7번 입자의 위치에 해당하는 적어도 하나의 추가 더미 입자를 한번에 생성하여 배치시킬 수도 있다.
도 4b를 참조하면, 더미 입자 배치부(220)는 탐색된 복수의 인접 입자가 복수의 기본 더미 입자(430) 중 하나인 제 1 기본 더미 입자(431)를 포함하는 경우, 제 1 외부 영역(411)에 인접한 제 2 외부 영역(412)에 배치할 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)를 생성하고, 생성된 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)를 제 2 외부 영역(412)에 배치시킬 수 있다. 여기서, 더미 입자 배치부(220)는 경계(422)로부터 기본 더미 입자(431)를 향하는 방향 및 기본 더미 입자(431)의 직경에 기초하여 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)를 배치시킬 수 있다.
유동 데이터 계산부(230)는 제 1 기본 더미 입자(431) 및 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)를 이용하여 기준 입자(430)의 유동을 계산할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 유동 데이터 계산부(230)는 기준 입자(420)의 유동 데이터의 계산이 완료된 후, 복수의 입자 중 유동 데이터의 계산 대상인 다른 기준 입자(440)를 재결정하고, 재결정된 다른 기준 입자(440)로부터 소정의 반경(441) 내에 위치한 복수의 인접 입자를 재탐색할 수 있다.
더미 입자 배치부(220)는 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)를 제거할 수 있다. 예를 들어, 더미 입자 배치부(220)는 도 4a의 기준 입자(420)에 기초하여 생성된 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)를 모두 제거할 수 있다. 다른 예를 들어, 더미 입자 배치부(220)는 도 4a의 기준 입자(420)에 기초하여 생성된 적어도 하나의 추가 더미 입자(432) 중 일부가 도 4d에서 다른 기준 입자(440)에 기초하여 생성된 다른 추가 더미 입자(434)에 포함되지 않은 경우, 포함되지 않은 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)에 대해서만 제거를 수행할 수도 있다.
여기서, 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)는 기준 입자(430)의 유동의 계산이 완료됨에 따라 자동으로 제거될 수도 있다.
도 4d를 참조하면, 더미 입자 배치부(220)는 재탐색된 복수의 인접 입자가 복수의 기본 더미 입자(430) 중 하나인 제 2 기본 더미 입자(433)를 포함하는 경우, 제 1 외부 영역(411)에 인접한 제 2 외부 영역(412)에 배치할 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자(434)를 생성하고, 생성된 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자(434)를 제 2 외부 영역(412)에 배치시킬 수 있다.
이 때, 다른 추가 더미 입자(434)는 유동 데이터 계산부(230)에서 제 1 기본 더미 입자(431) 및 적어도 하나의 추가 더미 입자(432)를 이용하여 기준 입자(430)의 유동을 계산하는 동안 생성되어 배치될 수 있다.
유동 데이터 계산부(230)는 제 2 기본 더미 입자(433) 및 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자(434)를 이용하여 다른 기준 입자(440)의 유동을 계산할 수 있다.
다시 도 2로 돌아와서, 유동 데이터 계산부(230)는 계산 결과에 기초하여 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
구체적으로, 유동 데이터 계산부(230)는 SPH 알고리즘을 이용하여 각 입자와 이웃 입자 간의 충돌 또는 각 입자와 구조물 모델을 구성하는 다각형 간의 충돌로 인해 발생하는 유동 데이터를 계산하고, 유동 데이터에 기초하여 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
SPH 알고리즘은 각 입자의 물성 정보(예컨대, 질량, 속도, 점성 및 가속도)를 이용하여 각 입자의 유동을 연산하는 것으로서, 각 입자의 물성 정보는 각 입자의 위치를 중심으로 한 방사형 베이시스 함수와 같은 커널 함수(Kernel Function) 세트를 사용하여 보간된다.
이러한 방식으로 각 입자의 물성 정보를 보간하면 나비에-스토크스 방정식과 같은 표준 방정식을 사용하여 유체의 동역학을 계산하는데 사용할 수 있는 압력 필드 및 점성 필드와 같은 연속 필드가 생성된다.
예를 들어, 나비에-스토크스 방정식은 유체를 다음과 같이 모델링한다.
Figure 112019129007429-pat00001
수학식 1에서 "v"는 입자의 속도, "ρ"는 입자의 밀도, "p"는 입자에 대한 압력, "g"는 중력, “μ”는 유체의 점성계수를 나타낸다.
한편, SPH 알고리즘에 의하면, 각 입자의 밀도는 수학식 2에 의해 도출된다.
Figure 112019129007429-pat00002
또한, 각 입자의 압력에 의한 힘은 수학식 3에 의해 도출된다.
Figure 112019129007429-pat00003
또한, 각 입자의 점성에 의한 힘은 수학식 4에 의해 도출된다.
Figure 112019129007429-pat00004
유동 데이터 계산부(230)는 SPH 알고리즘을 이용하여 각 입자의 밀도, 압력 및 점성 등의 유동 데이터의 변화값을 연산한다. 예를 들어, 유동 데이터 계산부(230)는 각 입자의 초기 유동 데이터에 기초하여 다음 시간 스텝(제 1 시간 스텝)에서의 각 입자의 유동 데이터를 연산하고, 이에 기초하여 각 입자의 유동을 연산한다.
또한, 유동 데이터 계산부(230)는 제 1 시간 스텝에서의 각 입자의 유동 데이터에 기초하여 그 다음 시간 스텝에서의 각 입자의 유동 데이터를 연산하고, 이에 기초하여 각 입자의 유동을 연산한다.
유동 데이터 계산부(230)는 각 시간 스텝에서의 각 입자의 유동 데이터를 연산하여 각 입자의 유동을 연산함으로써, 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 장치에서 더미 입자를 이용한 유체 해석 시뮬레이션 방법의 순서도이다. 도 5에 도시된 일 실시예에 따른 더미 입자를 이용한 유체 해석 시뮬레이션 방법은 도 2에 도시된 유체 해석 시뮬레이션 장치에서 시계열적으로 처리되는 단계들을 포함한다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 도 5에 도시된 실시예에 따라 수행되는 더미 입자를 이용한 유체 해석 시뮬레이션 방법에도 적용된다.
단계 S510에서 유체 해석 시뮬레이션 장치는 유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링할 수 있다.
단계 S520에서 유체 해석 시뮬레이션 장치는 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시킬 수 있다.
단계 S530에서 유체 해석 시뮬레이션 장치는 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동 데이터를 계산할 수 있다.
단계 S540에서 유체 해석 시뮬레이션 장치는 계산 결과에 기초하여 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S510 내지 S540은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 전환될 수도 있다.
도 5를 통해 설명된 유체 해석 시뮬레이션 방법은 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현되거나, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 유체 해석 시뮬레이션 장치
210: 모델링부
220: 더미 입자 배치부
230: 유동 데이터 계산부

Claims (19)

  1. 유체 해석 시뮬레이션 장치에서 수행되는 더미 입자를 이용한 입자 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법에 있어서,
    유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하는 단계;
    상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키는 단계;
    상기 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 더미 입자의 수는 상기 유체 해석 시뮬레이션이 수행되면서 가변되는 것이되,
    상기 더미 입자를 배치시키는 단계는,
    상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치할 복수의 기본 더미 입자를 상기 시뮬레이션 영역의 제 1 외부 영역에 생성하는 단계; 및
    상기 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자가 결정된 후, 적어도 하나의 추가 더미 입자를 생성하는 단계를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 더미 입자를 배치시키는 단계는,
    상기 생성된 적어도 하나의 기본 더미 입자를 상기 시뮬레이션 영역의 경계와 인접한 상기 제 1 외부 영역에 배치시키는 단계를 포함하고,
    상기 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계는,
    상기 외부에 배치된 복수의 기본 더미 입자를 이용하여 상기 시뮬레이션 영역 중 내부 영역에 대한 상기 복수의 입자의 유동을 계산하는 단계
    를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계는
    상기 유체에 대한 복수의 입자 중 상기 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 기준 입자로부터 소정의 탐색 반경 내에 위치한 복수의 인접 입자를 탐색하는 단계를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계는
    상기 탐색된 복수의 인접 입자가 상기 복수의 기본 더미 입자 중 하나인 제 1 기본 더미 입자를 포함하는 경우, 상기 제 1 외부 영역에 인접한 제 2 외부 영역에 배치할 적어도 하나의 추가 더미 입자를 생성하는 단계;
    상기 생성된 적어도 하나의 추가 더미 입자를 상기 제 2 외부 영역에 배치시키는 단계; 및
    상기 제 1 기본 더미 입자 및 상기 적어도 하나의 추가 더미 입자를 이용하여 상기 기준 입자의 유동을 계산하는 단계를 더 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 입자의 유동 데이터의 계산이 완료된 후, 상기 복수의 입자 중 상기 유동 데이터의 계산 대상인 다른 기준 입자를 재결정하는 단계;
    상기 재결정된 다른 기준 입자로부터 소정의 반경 내에 위치한 복수의 인접 입자를 재탐색하는 단계를 더 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계는
    상기 재탐색된 복수의 인접 입자가 상기 복수의 기본 더미 입자 중 하나인 제 2 기본 더미 입자를 포함하는 경우, 상기 제 2 외부 영역에 배치할 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자를 생성하는 단계;
    상기 생성된 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자를 상기 제 2 외부 영역에 배치시키는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 기본 더미 입자 및 상기 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자를 이용하여 상기 다른 기준 입자의 유동을 계산하는 단계를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 더미 입자를 생성하는 단계는,
    상기 경계로부터 상기 기본 더미 입자를 향하는 방향 및 상기 기본 더미 입자의 직경에 기초하여 상기 적어도 하나의 추가 더미 입자를 배치시키는 단계를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 더미 입자는 상기 적어도 하나의 추가 더미 입자의 생성에 필요한 방향 정보를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 영역을 모델링하는 단계는,
    지형 정보, 구조물 정보, 경계 조건 정보, 입자 물성 정보 및 중력 가속도 정보 중 적어도 하나를 입력받는 단계; 및
    상기 입력받은 적어도 하나에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역을 모델링하는 단계
    를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구조물 정보는 밀도, 반발 계수 및 마찰 계수 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 입자 물성 정보는 입자 반경, 밀도, 점성, 음속 및 초기 속도 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
  12. 더미 입자를 이용한 입자 기반의 유체 해석 시뮬레이션 장치에 있어서,
    유체에 대한 복수의 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하는 모델링부;
    상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키는 더미 입자 배치부 및
    상기 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 유동 데이터 계산부
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 더미 입자의 수는 상기 유체 해석 시뮬레이션이 수행되면서 가변되는 것이되,
    상기 더미 입자 배치부는 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치할 복수의 기본 더미 입자를 상기 시뮬레이션 영역의 제 1 외부 영역에 생성하고,
    상기 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자가 결정된 후, 적어도 하나의 추가 더미 입자를 생성하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 더미 입자 배치부는 상기 생성된 적어도 하나의 기본 더미 입자를 상기 시뮬레이션 영역의 경계와 인접한 상기 제 1 외부 영역에 배치시키고,
    상기 유동 데이터 계산부는 상기 외부에 배치된 복수의 기본 더미 입자를 이용하여 상기 시뮬레이션 영역 중 내부 영역에 대한 상기 복수의 입자의 유동을 계산하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유동 데이터 계산부는 상기 유체에 대한 복수의 입자 중 상기 유동 데이터의 계산 대상인 기준 입자를 결정하고, 상기 결정된 기준 입자로부터 소정의 탐색 반경 내에 위치한 복수의 인접 입자를 탐색하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 더미 입자 배치부는 상기 탐색된 복수의 인접 입자가 상기 복수의 기본 더미 입자 중 하나인 제 1 기본 더미 입자를 포함하는 경우, 상기 제 1 외부 영역에 인접한 제 2 외부 영역에 배치할 적어도 하나의 추가 더미 입자를 생성하고, 상기 생성된 적어도 하나의 추가 더미 입자를 상기 제 2 외부 영역에 배치시키고,
    상기 유동 데이터 계산부는 상기 제 1 기본 더미 입자 및 상기 적어도 하나의 추가 더미 입자를 이용하여 상기 기준 입자의 유동을 계산하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 유동 데이터 계산부는 상기 기준 입자의 유동 데이터의 계산이 완료된 후, 상기 복수의 입자 중 상기 유동 데이터의 계산 대상인 다른 기준 입자를 재결정하고, 상기 재결정된 다른 기준 입자로부터 소정의 반경 내에 위치한 복수의 인접 입자를 재탐색하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 더미 입자 배치부는 상기 재탐색된 복수의 인접 입자가 상기 복수의 기본 더미 입자 중 하나인 제 2 기본 더미 입자를 포함하는 경우, 상기 제 2 외부 영역에 배치할 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자를 생성하고, 상기 생성된 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자를 상기 제 2 외부 영역에 배치시키고,
    상기 유동 데이터 계산부는 상기 제 2 기본 더미 입자 및 상기 적어도 하나의 다른 추가 더미 입자를 이용하여 상기 다른 기준 입자의 유동을 계산하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 유동 데이터 계산부는 상기 경계로부터 상기 기본 더미 입자를 향하는 방향 및 상기 기본 더미 입자의 직경에 기초하여 상기 적어도 하나의 추가 더미 입자를 배치시키는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기록된 방법을 컴퓨팅 장치가 수행하도록 하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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