KR102436664B1 - Apparatus, method and computer program for weakly compressible smoothed particle hydrodynamics based fluid analysis simulation - Google Patents

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Abstract

WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션 장치는, 유체에 대한 복수의 유체 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 유체 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 유동 데이터 계산부를 포함하고, 상기 유동 데이터 계산부는 상기 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출한다.A fluid analysis simulation device based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) includes a modeling unit for modeling a simulation region including a plurality of fluid particles for a fluid, and at least one dummy particle required for fluid analysis simulation for the simulation region. The flow data of a plurality of fluid particles is calculated using a dummy particle arrangement unit that is generated and placed outside the simulation area and at least one dummy particle disposed outside the simulation area, and based on the calculation result, a flow data calculation unit for performing a fluid analysis simulation, wherein in the first step of calculating the flow data, the flow data calculation unit does not include the relative velocity between the dummy particle and the dummy particle and an adjacent fluid particle. based on the dummy particle density.

Description

WCSPH 기반의 유체 해석 시뮬레이션 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램{APPARATUS, METHOD AND COMPUTER PROGRAM FOR WEAKLY COMPRESSIBLE SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS BASED FLUID ANALYSIS SIMULATION}WCSPH-based fluid analysis simulation device, method and computer program {APPARATUS, METHOD AND COMPUTER PROGRAM FOR WEAKLY COMPRESSIBLE SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS BASED FLUID ANALYSIS SIMULATION}

WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.It relates to a fluid analysis simulation apparatus, method, and computer program based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics).

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.Computational Fluid Dynamics (CFD) is a field of fluid mechanics that calculates the dynamic motion of a fluid using a computer in a numerical way. Computational fluid dynamics is a partial differential equation, Naiver-Stokes Equation (FDM) (Finite Difference Method), FEM (Finite Element Method), FVM (Finite Volume Method) and SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) methods such as Calculate the flow of the fluid by discretizing it through

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.There are two methods for calculating the Navier-Stokes equation: a grid-based method for discretizing a spatial domain into a small mesh or grid, and a particle-based method for expressing a fluid as a set of multiple particles.

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.In the particle-based method, more natural simulations of natural or physical phenomena are possible by expressing the analysis target as particles instead of using a grid. Particle-based methods include Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), Moving Particle Semi-implicit (MPS), and Lattice Boltzmann Method (LBM).

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.In fluid analysis based on smoothed particle hydrodynamics (SPH), which is one of the particle-based methods, unlike the grid-based method, the step of generating a grid is omitted, so the results of the analysis can be simulated relatively quickly.

또한, SPH 기반의 유체 해석은 격자를 생성하지 않고 입자를 이용하여 해석하므로, 액체와 기체의 계면과 같은 자유 표면의 해석을 비교적 용이하게 수행할 수 있다.In addition, since the SPH-based fluid analysis uses particles without generating a lattice, analysis of free surfaces such as liquid-gas interfaces can be performed relatively easily.

또한, SPH 기반의 유체 해석은 기체, 액체, 고체 중 두 개 이상을 포함하는 다상 유동의 해석을 비교적 정확하게 수행할 수 있다.In addition, the SPH-based fluid analysis can perform relatively accurate analysis of multiphase flows including two or more of gas, liquid, and solid.

입자 기반 방법은 유체를 표현하는 복수의 입자의 유동을 계산하기 위해 하나의 입자에서 일정 반경 내의 복수의 인접 입자를 탐색하고, 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. 이를 해결하기 위해, 시뮬레이션 영역의 외부에 가상의 입자인 더미 입자를 배치하고, 더미 입자를 이용하여 시뮬레이션 영역의 경계 부근에 위치한 입자의 유동을 계산한다.The particle-based method searches for a plurality of adjacent particles within a certain radius from one particle in order to calculate the flow of a plurality of particles representing a fluid, and calculates flow data with the adjacent particles. In this case, since there are no particles located near the boundary of the simulation region outside the boundary, the number of adjacent particles is insufficient, which causes a problem in calculating the flow data. To solve this problem, dummy particles, which are virtual particles, are placed outside the simulation region, and the flow of particles located near the boundary of the simulation region is calculated using the dummy particles.

WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석은 유체를 약압축성으로 가정한다. WCSPH는 탐색된 인접 입자들을 이용하여 먼저 기준 입자의 밀도 변화량을 계산하고, 계산된 밀도를 이용하여 입자의 압력을 계산한다. 또한, WCSPH는 계산된 밀도 및 압력에 대한 시간 적분에 기초하여 입자의 가속도, 속도 및 위치 등을 계산한다. 시간 적분은 설정된 해석 시간 간격(dt)마다 적용될 수 있고, 여기서 설정된 해석 시간 간격(dt)을 한 스텝이라 할 수 있다.Fluid analysis based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) assumes that the fluid is weakly compressible. WCSPH calculates the density change amount of the reference particle first using the searched adjacent particles, and then calculates the particle pressure using the calculated density. In addition, WCSPH calculates the acceleration, velocity, and position of particles based on the time integral for the calculated density and pressure. Time integration may be applied for every set analysis time interval dt, and the set analysis time interval dt here may be referred to as one step.

다만, 종래의 WCSPH 기반의 유체 해석에서는, 최초 스텝에 있어서 유체 입자와 인접하는 더미 입자의 영향으로 시뮬레이션 영역의 경계 부근에 위치한 유체 입자가 부유하게 되고, 최초 스텝 이후의 스텝에서도 유동 데이터의 계산에 오차가 발생하게 되는 문제점이 있었다.However, in the conventional WCSPH-based fluid analysis, in the first step, the fluid particles located near the boundary of the simulation area are suspended due to the influence of the fluid particles and the adjacent dummy particles. There was a problem that an error occurred.

선행기술문헌: 일본 등록특허 제6009075호Prior art document: Japanese Patent Registration No. 6009075

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유체에 대한 복수의 유체 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하고, 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키고, 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 유체 입자의 유동 데이터를 계산하고, 계산 결과에 기초하여 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하고, 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 더미 입자 및 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 더미 입자의 밀도를 도출하는 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above-described problems, by modeling a simulation region including a plurality of fluid particles for a fluid, and generating at least one dummy particle necessary for a fluid analysis simulation for the simulation region to be outside the simulation region. In the first step of calculating the flow data of a plurality of fluid particles using at least one dummy particle disposed outside, performing a fluid analysis simulation for the simulation area based on the calculation results, and calculating the flow data An object of the present invention is to provide an apparatus, method, and computer program for deriving the density of dummy particles based on a series equation that does not include dummy particles and the relative velocities between the dummy particles and adjacent fluid particles.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problems to be achieved by the present embodiment are not limited to the technical problems described above, and other technical problems may exist.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션 장치에 있어서, 유체에 대한 복수의 유체 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 유체 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 유동 데이터 계산부를 포함하고, 상기 유동 데이터 계산부는 상기 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출할 수 있다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, an embodiment of the present invention is a fluid analysis simulation apparatus based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics), a simulation area including a plurality of fluid particles for a fluid. A modeling unit for modeling, a dummy particle arrangement unit for generating at least one dummy particle required for fluid analysis simulation for the simulation area and disposing it outside the simulation area, and at least one dummy particle disposed outside the simulation area and a flow data calculation unit that calculates flow data of fluid particles of The density of the dummy particle may be derived based on a series equation that does not include the dummy particle and the relative velocity between the dummy particle and the adjacent fluid particle.

일 실시예에서, 상기 유동 데이터 계산부는 상기 최초 스텝에 있어서, 상기 복수의 유체 입자 및 인접한 더미 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 1 연속 방정식에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 밀도를 도출할 수 있다.In an embodiment, the flow data calculator may derive the density of the plurality of fluid particles based on a first continuity equation including the relative velocity between the plurality of fluid particles and adjacent dummy particles in the first step have.

일 실시예에서, 상기 유동 데이터 계산부는 상기 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 상기 제 1 연속 방정식에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 밀도를 도출하고, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 2 연속 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출할 수 있다.In an embodiment, the flow data calculator derives the density of the plurality of fluid particles based on the first continuity equation in steps after the first step, and between the dummy particles and the dummy particles and adjacent fluid particles The density of the dummy particles may be derived based on the second continuity equation including the relative velocity of .

일 실시예에서, 상기 유동 데이터 계산부는 상기 제 1 연속 방정식을 커널(Kernel) 함수로 근사하여 상기 유동 데이터를 계산할 수 있다.In an embodiment, the flow data calculator may calculate the flow data by approximating the first continuity equation with a kernel function.

일 실시예에서, 상기 유동 데이터 계산부는 상기 복수의 유체 입자의 밀도에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 압력, 가속도, 속도 및 위치를 도출할 수 있다.In an embodiment, the flow data calculator may derive pressures, accelerations, velocities, and positions of the plurality of fluid particles based on the densities of the plurality of fluid particles.

일 실시예에서, 상기 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 상기 복수의 유체 입자는 상기 더미 입자 부근에서 부유하지 않는 것일 수 있다.In an embodiment, in a step after the initial step, the plurality of fluid particles may not float in the vicinity of the dummy particle.

일 실시예에서, 상기 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자의 밀도는 상기 유체의 기준 밀도와 동일한 값을 가지는 것일 수 있다.In an embodiment, in the first step, the density of the dummy particles may have the same value as the reference density of the fluid.

본 발명의 다른 실시예는, WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법에 있어서, 유체에 대한 복수의 유체 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 유체 입자의 유동 데이터를 계산하는 단계 및 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 유동 데이터를 계산하는 단계는 상기 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, in a fluid analysis simulation method based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics), modeling a simulation region including a plurality of fluid particles for a fluid, fluid analysis simulation for the simulation region generating at least one dummy particle necessary for and performing a fluid analysis simulation for the simulation region, wherein the calculating of the flow data includes, in the first step of calculating the flow data, the relationship between the dummy particle and the dummy particle and an adjacent fluid particle. and deriving the density of the dummy particles based on a series equation that does not include velocity.

본 발명의 또 다른 실시예는, WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 명령어들의 시퀀스를 포함하는 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨팅 장치에 의해 실행될 경우, 유체에 대한 복수의 유체 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하고, 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키고, 상기 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 유체 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하도록 하는 명령어들의 시퀀스를 포함하고, 상기 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출하도록 하는 명령어들의 시퀀스를 더 포함할 수 있다.Another embodiment of the present invention is a computer program stored in a computer readable recording medium including a sequence of instructions for performing a fluid analysis simulation based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics), wherein the computer program is When executed by the method, a simulation region including a plurality of fluid particles for a fluid is modeled, and at least one dummy particle necessary for a fluid analysis simulation for the simulation region is generated and placed outside the simulation region, and the A sequence of instructions for calculating flow data of a plurality of fluid particles using at least one arranged dummy particle, and performing a fluid analysis simulation for the simulation region based on the calculation result, wherein the flow data In an initial step of calculating, the method may further include a sequence of instructions for deriving the density of the dummy particle based on a series equation that does not include the dummy particle and the relative velocity between the dummy particle and an adjacent fluid particle.

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.The above-described problem solving means are merely exemplary, and should not be construed as limiting the present invention. In addition to the exemplary embodiments described above, there may be additional embodiments described in the drawings and detailed description.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 유체에 대한 복수의 유체 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하고, 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키고, 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 유체 입자의 유동 데이터를 계산하고, 계산 결과에 기초하여 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하고, 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 더미 입자 및 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 더미 입자의 밀도를 도출하는 유체 해석 시뮬레이션 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.According to any one of the above-described problem solving means of the present invention, a simulation region including a plurality of fluid particles for a fluid is modeled, and at least one dummy particle required for a fluid analysis simulation for the simulation region is generated, and the simulation region is It is disposed outside, calculates flow data of a plurality of fluid particles using at least one dummy particle disposed outside, performs fluid analysis simulation on the simulation area based on the calculation results, and calculates flow data. In the step, it is possible to provide a fluid analysis simulation apparatus, method, and computer program for deriving the density of the dummy particle based on a series equation that does not include the dummy particle and the relative velocity between the dummy particle and the adjacent fluid particle.

또한, 더미 입자로 인해 발생되는 유동 데이터의 오차를 줄임으로써, 유체 해석 시뮬레이션의 정확성을 향상시킬 수 있다.In addition, by reducing the error of the flow data generated by the dummy particles, the accuracy of the fluid analysis simulation can be improved.

또한, 유체의 움직임을 효과적으로 예측함으로써, 다양한 기술분야에 응용할 수 있다.In addition, by effectively predicting the movement of a fluid, it can be applied to various technical fields.

도 1은 종래의 유체 해석 시뮬레이션 방법의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법을 적용한 유체 해석 시뮬레이션 결과를 비교한 예시적인 도면이다.
도 5는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법을 적용한 유체 해석 시뮬레이션 결과를 비교한 예시적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법의 순서도이다.
1 is a view for explaining the problems of the conventional fluid analysis simulation method.
2 is a block diagram of a fluid analysis simulation apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a fluid analysis simulation method according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary view comparing the fluid analysis simulation results to which the fluid analysis simulation method according to the prior art and the fluid analysis simulation method according to an embodiment of the present invention is applied.
5 is an exemplary view comparing the fluid analysis simulation results to which the fluid analysis simulation method according to the prior art and the fluid analysis simulation method according to an embodiment of the present invention is applied.
6 is a flowchart of a fluid analysis simulation method according to an embodiment of the present invention.

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.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

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.Throughout the specification, when a part is "connected" with another part, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween. . Also, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated, and one or more other features However, it is to be understood that the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded in advance.

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. 한편, '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, '~부'는 어드레싱 할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.In this specification, a "part" includes a unit realized by hardware, a unit realized by software, and a unit realized using both. In addition, one unit may be implemented using two or more hardware, and two or more units may be implemented by one hardware. Meanwhile, '~ unit' is not limited to software or hardware, and '~ unit' may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors. Thus, as an example, '~' denotes components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, and processes, functions, properties, and procedures. , subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. The functions provided in the components and '~ units' may be combined into a smaller number of components and '~ units' or further separated into additional components and '~ units'. In addition, components and '~ units' may be implemented to play one or more CPUs in a device or secure multimedia card.

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.Some of the operations or functions described as being performed by the terminal or device in this specification may be instead performed by a server connected to the terminal or device. Similarly, some of the operations or functions described as being performed by the server may also be performed in a terminal or device connected to the corresponding server.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래의 유체 해석 시뮬레이션 방법의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the problems of the conventional fluid analysis simulation method.

도 1의 (a)를 참조하면, 시뮬레이션 영역의 내부에 위치하는 유체 입자(10) 및 시뮬레이션 영역의 외부에 위치하는 더미 입자(20)가 도시되고, 화살표는 유체의 진행 방향을 나타낸다.Referring to FIG. 1A , fluid particles 10 positioned inside the simulation region and dummy particles 20 positioned outside the simulation region are shown, and arrows indicate the flow direction of the fluid.

종래의 WCSPH 기반의 유체 해석에 의하면, 최초 스텝 이후 유체 입자(10)가 진행 방향으로 진행하면서 유체 입자(10) 및 더미 입자(20)가 최초로 인접하게 되는 부분(101)의 더미 입자(20)의 밀도가 높아지져 유체 입자(10)가 부유하는 현상이 발생하였다. 이로 인해, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 유체 입자(10)가 부유하게 되고, 유동 데이터의 계산의 정확성이 떨어지는 문제점이 발생하였다. 여기서, 최초 스텝은 사용자가 유체 해석 시뮬레이션 장치에서 해석 시간 간격(dt)을 설정한 후 유체 해석 시뮬레이션이 수행될 때, 유체 해석 시뮬레이션의 개시로부터 해당 시간 간격까지의 시간을 의미한다.According to the conventional WCSPH-based fluid analysis, the dummy particle 20 of the portion 101 where the fluid particle 10 and the dummy particle 20 are first adjacent to each other as the fluid particle 10 proceeds in the traveling direction after the initial step. As the density of the fluid particles 10 increased, a phenomenon occurred in which the fluid particles 10 were suspended. As a result, as shown in (b) of FIG. 1 , the fluid particles 10 float and the accuracy of the calculation of the flow data is deteriorated. Here, the first step means the time from the start of the fluid analysis simulation to the corresponding time interval when the fluid analysis simulation is performed after the user sets the analysis time interval dt in the fluid analysis simulation device.

이는, WCSPH에서 밀도를 계산할 때, 더미 입자(20) 및 유체 입자(10) 사이의 상대 속도의 값에 기초하여 밀도 변화량을 계산하여 최초 스텝 직후 더미 입자(20)의 밀도가 비정상적으로 높아지기 때문이다.This is because, when calculating the density in WCSPH, the density of the dummy particle 20 is abnormally high immediately after the first step by calculating the density change amount based on the value of the relative velocity between the dummy particle 20 and the fluid particle 10. .

구체적으로, 유동의 해석을 시작함과 동시에, 정지해있던 유체 입자(10)가 이동하기 시작하면서 더미 입자(20) 및 유체 입자(10) 사이의 상대 속도가 순간적으로 커지고, 이로 인하여 밀도 변화량 및 밀도의 값이 실제보다 크게 돌출된다. 또한, 유체 입자(10) 및 더미 입자(20)가 최초로 인접하게 되는 부분(101)의 더미 입자(20)의 밀도의 오차로 인해, 이후에 도출되는 더미 입자(20)의 밀도도 오차가 발생하게 된다.Specifically, at the same time as starting the analysis of the flow, as the stationary fluid particle 10 starts to move, the relative velocity between the dummy particle 20 and the fluid particle 10 increases instantaneously, thereby increasing the density change and The density value protrudes larger than the actual value. Also, due to an error in the density of the dummy particle 20 in the portion 101 where the fluid particle 10 and the dummy particle 20 are initially adjacent to each other, an error also occurs in the density of the dummy particle 20 derived later. will do

즉, 유체 입자(10) 및 더미 입자(20)가 최초로 인접하게 되는 부분(101)의 더미 입자(20)의 밀도가 부정확하게 도출됨으로써, 전체 스텝에서 유동 데이터의 계산에 오차가 발생하게 된다. 따라서, 최초 스텝에 있어서 더미 입자(20)의 밀도의 값이 전체 유동 해석 시뮬레이션 결과의 정확성에 큰 영향을 미친다.That is, since the density of the dummy particles 20 in the portion 101 where the fluid particles 10 and the dummy particles 20 are initially adjacent to each other is inaccurately derived, an error occurs in the calculation of the flow data in all steps. Therefore, in the first step, the value of the density of the dummy particles 20 has a great influence on the accuracy of the overall flow analysis simulation result.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 모델링부(210), 더미 입자 배치부(220) 및 유동 데이터 계산부(230)를 포함할 수 있다.2 is a block diagram of a fluid analysis simulation apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2 , the fluid analysis simulation apparatus 200 may include a modeling unit 210 , a dummy particle arrangement unit 220 , and a flow data calculation unit 230 .

유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 서버, 데스크탑, 노트북, 키오스크(KIOSK) 및 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC를 포함할 수 있다. 다만, 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 앞서 예시된 것들로 한정 해석되는 것은 아니다. 즉, 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 후술하는 WCSPH 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법을 수행하는 프로세서를 탑재한 모든 장치를 포함할 수 있다.The fluid analysis simulation apparatus 200 may include a server, a desktop, a laptop computer, a kiosk (KIOSK) and a smartphone, and a tablet PC. However, the fluid analysis simulation apparatus 200 is not limited to those exemplified above. That is, the fluid analysis and simulation apparatus 200 may include all devices equipped with a processor for performing a WCSPH-based fluid analysis and simulation method to be described later.

유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 유체의 3차원 유동해석을 수행한다. 즉, 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 3차원 시뮬레이션 영역 및 3차원 시뮬레이션 영역에 위치하는 복수의 입자를 모델링하고, 복수의 입자의 3차원 시뮬레이션 영역 내에서의 유동을 해석한다.The fluid analysis simulation apparatus 200 performs a three-dimensional flow analysis of the fluid. That is, the fluid analysis simulation apparatus 200 models the three-dimensional simulation region and the plurality of particles positioned in the three-dimensional simulation region, and analyzes the flow of the plurality of particles in the three-dimensional simulation region.

유체 해석 시뮬레이션 장치(200)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.The fluid analysis simulation apparatus 200 may perform a simulation for analyzing a fluid based on smoothed particle hydrodynamics (SPH). SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) is one of the particle-type fluid analysis techniques that can be used in Computational Fluid Dynamics (CFD). In order to simulate the movement of a fluid, SPH may express a fluid to be analyzed as one or more particles. The SPH can calculate the physical quantity of each particle while tracking each particle, and perform a fluid analysis simulation based on the calculation result.

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.The fluid analysis simulation method according to the present invention includes, but is not limited to, an application field in which a fluid analysis simulation is calculated in real time, and is applied to various application fields requiring fluid analysis simulation. Exemplary applications include, for example, computer games, medical simulations, scientific applications, and computer animation.

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.The modeling unit 210 may model a simulation region including a plurality of particles for a fluid. For example, the modeling unit 210 receives at least one of terrain information, structure information, boundary condition information, particle property information, and gravitational acceleration information from a user using a keyboard, mouse, joystick, touch screen, and microphone, The simulation region may be modeled based on at least one input.

여기서, 구조물 정보는 밀도, 반발 계수 및 마찰 계수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Here, the structure information may include at least one of a density, a coefficient of restitution, and a coefficient of friction.

또한, 입자 물성 정보는 입자 반경, 밀도, 점성, 음속 및 초기 속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the particle property information may include at least one of a particle radius, a density, a viscosity, a speed of sound, and an initial velocity.

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.The dummy particle arrangement unit 220 may generate at least one dummy particle required for fluid analysis simulation for the simulation area and arrange it outside the simulation area. For example, the dummy particle arranging unit 220 may generate a plurality of basic dummy particles to be disposed outside the simulation region, and may place the generated at least one basic dummy particle in the simulation region.

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.The flow data calculator 230 may determine a reference particle that is a calculation target of flow data among a plurality of particles for the fluid, and search for a plurality of adjacent particles located within a predetermined search radius from the determined reference particle. The flow data calculator 230 may calculate flow data of a plurality of particles using at least one dummy particle disposed outside.

유동 데이터 계산부(230)는 각 입자와 인접하는 입자 간의 충돌 또는 각 입자와 구조물 모델을 구성하는 다각형 간의 충돌로 인해 발생하는 유동 데이터를 계산하고, 계산 결과에 기초하여 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.The flow data calculation unit 230 calculates flow data generated due to a collision between each particle and an adjacent particle or a collision between each particle and a polygon constituting the structure model, and based on the calculation result, a fluid analysis simulation for the simulation area can be performed.

유동 데이터 계산부(230)는 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 더미 입자 및 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 더미 입자의 밀도를 도출할 수 있다. 유동 데이터 계산부(130)는 예를 들어, 수학식 1에 기초하여 최초 스텝에서의 더미 입자의 밀도를 도출할 수 있다. 여기서, 여기서, i는 기준 입자이고, j는 일정 반경 내의 인접 입자이고, ρ는 밀도이고, m은 질량일 수 있다.In the first step of calculating the flow data, the flow data calculator 230 may derive the density of the dummy particles based on a series equation that does not include the relative velocity between the dummy particles and the dummy particles and the adjacent fluid particles. The flow data calculator 130 may derive the density of the dummy particles in the first step based on Equation 1, for example. Here, i may be a reference particle, j is an adjacent particle within a certain radius, ρ is a density, and m is a mass.

Figure 112020074447978-pat00001
Figure 112020074447978-pat00001

수학식 1을 이용하는 경우, 최초 스텝에서 더미 입자의 밀도는 유체 입자의 밀도와 동일하거나 낮을 수 있다. 또한, 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 더미 입자의 밀도도 비정상적으로 높은 값을 갖지 않을 수 있다.In the case of using Equation 1, the density of the dummy particles in the first step may be equal to or lower than the density of the fluid particles. Also, in steps after the first step, the density of the dummy particles may not have an abnormally high value.

즉, 수학식 1을 이용하는 경우, 최초 스텝에서 더미 입자 및 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 고려하지 않고 더미 입자의 밀도가 도출되므로, 종래의 더미 입자의 밀도가 비정상적으로 큰 값으로 도출되는 문제점이 발생하지 않는다. 또한, 최초 스텝 직후 유체 입자가 부유하지 않기 때문에 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서도, 유체 입자는 더미 입자 부근에서 부유하지 않는다.That is, in the case of using Equation 1, since the density of the dummy particle is derived without considering the relative velocity between the dummy particle and the dummy particle and the adjacent fluid particle in the first step, the density of the conventional dummy particle is derived as an abnormally large value. no problems arise Further, since the fluid particles do not float immediately after the first step, the fluid particles do not float near the dummy particles even in the steps after the first step.

유동 데이터 계산부(230)는 최초 스텝에 있어서, 복수의 유체 입자와 인접한 더미 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 1 연속 방정식에 기초하여 복수의 유체 입자의 밀도를 도출할 수 있다. 유동 데이터 계산부(230)는 예를 들어, 제 1 연속 방정식을 커널(Kernel) 함수로 근사하여 유동 데이터를 계산할 수 있다.In the first step, the flow data calculator 230 may derive the density of the plurality of fluid particles based on a first continuity equation including the relative velocity between the plurality of fluid particles and the adjacent dummy particles. The flow data calculator 230 may calculate the flow data by, for example, approximating the first continuity equation with a kernel function.

유동 데이터 계산부(130)는 예를 들어, 수학식 2에 기초하여 최초 스텝에서의 유체 입자의 밀도를 도출할 수 있다. 여기서, i는 기준 입자이고, j는 일정 반경 내의 인접 입자이고, ρ는 밀도이고, m은 질량이고, u는 속도일 수 있다.The flow data calculator 130 may derive the density of the fluid particles in the first step based on Equation 2, for example. Here, i is a reference particle, j is an adjacent particle within a certain radius, ρ is a density, m is a mass, and u may be a velocity.

Figure 112020074447978-pat00002
Figure 112020074447978-pat00002

유동 데이터 계산부(230)는 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 제 1 연속 방정식에 기초하여 복수의 유체 입자의 밀도를 도출할 수 있다. 유동 데이터 계산부(230)는 예를 들어, 상술한 수학식 2에 기초하여 최초 스텝 이후의 스텝에서의 복수의 유체 입자의 밀도를 도출할 수 있다.The flow data calculator 230 may derive the density of the plurality of fluid particles based on the first continuity equation in steps after the initial step. The flow data calculator 230 may derive the density of a plurality of fluid particles in steps after the initial step based on Equation 2 described above, for example.

유동 데이터 계산부(230)는 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 더미 입자 및 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 2 연속 방정식에 기초하여 더미 입자의 밀도를 도출할 수 있다. 유동 데이터 계산부(230)는 예를 들어, 상술한 수학식 2에 기초하여 최초 스텝 이후의 스텝에서의 더미 입자의 밀도를 도출할 수 있다.The flow data calculator 230 may derive the density of the dummy particles based on a second continuity equation including the dummy particles and the relative velocity between the dummy particles and the adjacent fluid particles in steps after the first step. The flow data calculator 230 may derive the density of dummy particles in steps after the initial step based on Equation 2 described above, for example.

유동 데이터 계산부(230)는 복수의 유체 입자의 밀도에 기초하여 복수의 유체 입자의 압력, 가속도, 속도 및 위치를 도출할 수 있다.The flow data calculator 230 may derive pressures, accelerations, velocities, and positions of the plurality of fluid particles based on the densities of the plurality of fluid particles.

WCSPH는 유체를 약압축성으로 가정하고 유동을 해석한다. 유동 데이터 계산부(230)는 예를 들어, 수학식 3에 기초하여 유체 입자의 압력을 도출할 수 있다. 여기서, P는 압력이고, ρ는 밀도이고,

Figure 112020074447978-pat00003
는 음속이고,
Figure 112020074447978-pat00004
는 비열비이고,
Figure 112020074447978-pat00005
는 기준 밀도(처음에 설정한 유체의 밀도)일 수 있다.WCSPH assumes the fluid is weakly compressible and analyzes the flow. The flow data calculator 230 may derive the pressure of the fluid particles based on Equation 3, for example. where P is the pressure, ρ is the density,
Figure 112020074447978-pat00003
is the speed of sound,
Figure 112020074447978-pat00004
is the specific heat ratio,
Figure 112020074447978-pat00005
may be a reference density (density of the fluid initially set).

Figure 112020074447978-pat00006
Figure 112020074447978-pat00006

유동 데이터 계산부(230)는 예를 들어, 수학식 4에 기초하여 유체 입자의 가속도를 도출할 수 있다. 여기서,

Figure 112020074447978-pat00007
는 속도이고,
Figure 112020074447978-pat00008
는 점성이고,
Figure 112020074447978-pat00009
는 중력가속도이고,
Figure 112020074447978-pat00010
는 압력일 수 있다.The flow data calculator 230 may derive the acceleration of the fluid particle based on Equation 4, for example. here,
Figure 112020074447978-pat00007
is the speed,
Figure 112020074447978-pat00008
is the viscosity,
Figure 112020074447978-pat00009
is the gravitational acceleration,
Figure 112020074447978-pat00010
may be pressure.

Figure 112020074447978-pat00011
Figure 112020074447978-pat00011

유동 데이터 계산부(230)는 WCSPH 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.The flow data calculation unit 230 calculates change values of flow data such as density, pressure, and viscosity of each particle by using the WCSPH algorithm. For example, the flow data calculator 230 calculates the flow data of each particle in the next time step (first time step) based on the initial flow data of each particle, and calculates the flow of each particle based on this. do.

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.In addition, the flow data calculator 230 calculates the flow data of each particle in the next time step based on the flow data of each particle in the first time step, and calculates the flow of each particle based on this.

유동 데이터 계산부(230)는 각 시간 스텝에서의 각 입자의 유동 데이터를 연산하여 각 입자의 유동을 연산함으로써, 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.The flow data calculator 230 calculates the flow data of each particle at each time step and calculates the flow of each particle, thereby performing the fluid analysis simulation.

다시 도 2로 돌아와서, 유동 데이터 계산부(230)는 계산 결과에 기초하여 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.Returning to FIG. 2 , the flow data calculator 230 may perform a fluid analysis simulation on the simulation area based on the calculation result.

도 3의 (a)를 참조하면, 시뮬레이션 영역의 내부에 위치하는 유체 입자(10) 및 시뮬레이션 영역의 외부에 위치하는 더미 입자(20)가 도시되고, 화살표는 유체의 진행 방향을 나타낸다.Referring to FIG. 3A , fluid particles 10 positioned inside the simulation region and dummy particles 20 positioned outside the simulation region are shown, and arrows indicate the flow direction of the fluid.

본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법에 의하면, 유체 입자(10)가 진행하면서 유체 입자(10) 및 더미 입자(20)가 최초로 인접하게 되는 부분(301)의 더미 입자(20)의 밀도가 높아지지 않는다. 따라서, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 유체 입자(10)가 유체 입자(10) 및 더미 입자(20)가 최초로 인접하게 되는 부분(301)의 부근에서 비정상적으로 부유하지 않고 진행하는 것을 확인할 수 있다.According to the fluid analysis simulation method according to an embodiment of the present invention, as the fluid particle 10 proceeds, the fluid particle 10 and the dummy particle 20 are first adjacent to each other. density does not increase. Therefore, as shown in (b) of FIG. 3 , the fluid particle 10 proceeds without abnormally floating in the vicinity of the portion 301 where the fluid particle 10 and the dummy particle 20 first adjoin. can be checked

도 4 및 도 5는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법을 적용한 유체 해석 시뮬레이션 결과를 비교한 예시적인 도면이다.4 and 5 are exemplary views comparing fluid analysis simulation results to which the fluid analysis simulation method according to the prior art and an embodiment of the present invention is applied.

도 4는 Dam-break 케이스(Kleefsman)의 유체 해석 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 도 4의 (a)는 종래의 WCSPH 기반의 방법을 적용한 유체 해석 시뮬레이션 결과를 예시적으로 도시한다. 도 4의 (a)를 참조하면, 시뮬레이션 영역의 경계 부분에서 유체 입자가 부유하면서 진행하는 것을 확인할 수 있다.4 is a comparison of fluid analysis simulation results of a Dam-break case (Kleefsman). Fig. 4 (a) exemplarily shows a fluid analysis simulation result to which a conventional WCSPH-based method is applied. Referring to FIG. 4A , it can be seen that the fluid particles move while floating at the boundary of the simulation region.

도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 적용한 유체 해석 시뮬레이션 결과를 예시적으로 도시한 것으로, 도 4의 (a)와 비교하여 시뮬레이션 영역의 경계 부분에서 부유하는 유체 입자가 확연히 감소하였음을 확인할 수 있다.FIG. 4 (b) exemplarily shows a fluid analysis simulation result to which the method according to an embodiment of the present invention is applied. Compared with FIG. 4 (a), fluid particles floating at the boundary of the simulation area are It can be seen that there is a marked decrease.

도 4의 (c) 와 (d)는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 데이터의 계산 결과 중 압력값과 실험값(측정값)을 비교한 도면으로, 종래 기술에 비해 본 발명의 방법에 의한 경우에 유동 데이터의 계산 결과에서 노이즈의 발생이 감소했으며 실험값과의 일치도가 증가한 것으로 나타났다. 또한, 종래 기술에서 발생하는 음압 현상이 발생하지 않는 것으로 나타났다.4 (c) and (d) are views comparing a pressure value and an experimental value (measured value) among the calculation results of flow data according to the prior art and an embodiment of the present invention, compared to the prior art, the method of the present invention In the case of , it was found that the occurrence of noise was reduced in the calculation results of the flow data and the degree of agreement with the experimental value was increased. In addition, it was found that the negative pressure phenomenon occurring in the prior art does not occur.

도 5는 Sloshing 케이스(M.Peric)의 유체 해석 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. Sloshing 케이스는 조선 해양 분야에서 가장 기본이 되는 검증 케이스로 알려져 있다.5 is a comparison of fluid analysis simulation results of the sloshing case (M.Peric). The sloshing case is known as the most basic verification case in the shipbuilding and offshore field.

도 5의 (a)는 종래의 WCSPH 기반의 방법을 적용한 유체 해석 시뮬레이션 결과를 예시적으로 도시한다. 도 5의 (a)를 참조하면, 시뮬레이션 영역의 경계 부분에서 유체 입자가 부유하면서 진행하고, 경계 부분에서의 압력이 불안정해진다.Fig. 5 (a) exemplarily shows a fluid analysis simulation result to which a conventional WCSPH-based method is applied. Referring to (a) of FIG. 5 , fluid particles move while floating at the boundary portion of the simulation region, and the pressure at the boundary portion becomes unstable.

도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 적용한 유체 해석 시뮬레이션 결과를 예시적으로 도시한 것으로, 도 5의 (a)와 비교하여 시뮬레이션 영역의 경계 부분에서 부유하는 유체 입자가 확연히 감소하였음을 확인할 수 있으며, 경계 부분에서의 압력이 안정적으로 나타난다.FIG. 5 (b) is an exemplary view showing a fluid analysis simulation result to which the method according to an embodiment of the present invention is applied, and compared with FIG. 5 (a), fluid particles floating at the boundary of the simulation area are It can be seen that the decrease is clearly reduced, and the pressure at the boundary is stably shown.

도 5의 (c)는 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 데이터의 계산 결과 중 압력값과 실험값(측정값)을 비교한 도면으로, 종래 기술에 비해 본 발명의 방법에 의한 경우에 유동 데이터의 계산 결과에서 노이즈의 발생이 감소하고, 실험값과의 일치도가 증가하였으며, 압력값이 보다 안정적으로 계산되는 것으로 나타났다. 또한, 종래 기술에서 나타나지 않았던 2차 피크도 발생하는 것을 확인할 수 있다.Figure 5 (c) is a view comparing the pressure value and the experimental value (measured value) among the calculation results of flow data according to the prior art and an embodiment of the present invention, in the case of the method of the present invention compared to the prior art In the calculation results of the flow data, it was found that the occurrence of noise was reduced, the degree of agreement with the experimental value increased, and the pressure value was calculated more stably. In addition, it can be confirmed that a secondary peak that did not appear in the prior art also occurs.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 방법의 순서도이다. 도 6에 도시된 유체 해석 시뮬레이션 방법(600)은 도 2에 도시된 실시예에 따라 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)에 의해 시계열적으로 처리되는 단계들을 포함한다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 도 2에 도시된 실시예에 따른 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)에서 수행되는 유체 해석 시뮬레이션을 하는 방법에도 적용된다.6 is a flowchart of a fluid analysis simulation method according to an embodiment of the present invention. The fluid analysis simulation method 600 shown in FIG. 6 includes steps processed in time series by the fluid analysis simulation apparatus 200 according to the embodiment shown in FIG. 2 . Therefore, even if omitted below, it is also applied to the method of performing the fluid analysis simulation performed in the fluid analysis and simulation apparatus 200 according to the embodiment shown in FIG. 2 .

단계 S610에서 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 유체에 대한 복수의 유체 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링할 수 있다.In operation S610, the fluid analysis simulation apparatus 200 may model a simulation region including a plurality of fluid particles for a fluid.

단계 S620에서 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시킬 수 있다.In operation S620 , the fluid analysis and simulation apparatus 200 may generate at least one dummy particle required for fluid analysis simulation for the simulation region and arrange it outside the simulation region.

단계 S630에서 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 유체 입자의 유동 데이터를 계산할 수 있다.In operation S630 , the fluid analysis and simulation apparatus 200 may calculate flow data of a plurality of fluid particles using at least one dummy particle disposed outside.

단계 S640에서 유체 해석 시뮬레이션 장치(200)는 계산 결과에 기초하여 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행할 수 있다.In operation S640, the fluid analysis simulation apparatus 200 may perform a fluid analysis simulation on the simulation area based on the calculation result.

상술한 설명에서, 단계 S610 내지 S640은 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.In the above description, steps S610 to S640 may be further divided into additional steps or combined into fewer steps, according to an embodiment of the present invention. In addition, some steps may be omitted as necessary, and the order between the steps may be switched.

도 6을 통해 설명된 유체 해석 시뮬레이션 장치에서 유체 해석 시뮬레이션을 하는 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 또한, 도 6을 통해 설명된 유체 해석 시뮬레이션 장치에서 유체 해석 시뮬레이션을 하는 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램의 형태로도 구현될 수 있다.The method of performing fluid analysis simulation in the fluid analysis simulation apparatus described with reference to FIG. 6 may be implemented in the form of a computer program stored in a medium executed by a computer or a recording medium including instructions executable by the computer. In addition, the method of performing fluid analysis simulation in the fluid analysis simulation apparatus described with reference to FIG. 6 may be implemented in the form of a computer program stored in a medium executed by a computer.

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.Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Also, computer-readable media may include computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.

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. The foregoing description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.

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.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

200: 유체 해석 시뮬레이션 장치
210: 모델링부
220: 더미 입자 배치부
230: 유동 데이터 계산부
200: fluid analysis simulation device
210: modeling unit
220: dummy particle arrangement unit
230: floating data calculation unit

Claims (15)

WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션 장치에 있어서,
유체에 대한 복수의 유체 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 유체 입자의 유동 데이터를 계산하고, 상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 유동 데이터 계산부
를 포함하고,
상기 유동 데이터 계산부는 상기 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출하고, 상기 복수의 유체 입자 및 인접한 더미 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 1 연속 방정식에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 밀도를 도출하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
In a fluid analysis simulation device based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics),
a modeling unit for modeling a simulation region including a plurality of fluid particles for a fluid;
a dummy particle arrangement unit for generating at least one dummy particle necessary for fluid analysis simulation of the simulation area and disposing it outside the simulation area;
A flow data calculation unit that calculates flow data of a plurality of fluid particles using the at least one dummy particle disposed outside, and performs a fluid analysis simulation on the simulation area based on the calculation results
including,
In the first step of calculating the flow data, the flow data calculator derives the density of the dummy particles based on a series equation that does not include the relative velocity between the dummy particles and the dummy particles and adjacent fluid particles, and deriving the density of the plurality of fluid particles based on a first continuity equation including the relative velocities between the plurality of fluid particles and adjacent dummy particles.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 유동 데이터 계산부는 상기 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 상기 제 1 연속 방정식에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 밀도를 도출하고, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 2 연속 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
The method of claim 1,
The flow data calculation unit derives the density of the plurality of fluid particles based on the first continuity equation in steps after the first step, and includes the dummy particles and the relative velocities between the dummy particles and adjacent fluid particles. The fluid analysis simulation apparatus to derive the density of the dummy particles based on the second continuity equation.
제 1 항에 있어서,
상기 유동 데이터 계산부는 상기 제 1 연속 방정식을 커널(Kernel) 함수로 근사하여 상기 유동 데이터를 계산하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
The method of claim 1,
Wherein the flow data calculator calculates the flow data by approximating the first continuity equation with a kernel function, the fluid analysis simulation apparatus.
제 4 항에 있어서,
상기 유동 데이터 계산부는 상기 복수의 유체 입자의 밀도에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 압력, 가속도, 속도 및 위치를 도출하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
5. The method of claim 4,
The flow data calculation unit will derive the pressure, acceleration, velocity, and position of the plurality of fluid particles based on the density of the plurality of fluid particles, a fluid analysis simulation device.
제 1 항에 있어서,
상기 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 상기 복수의 유체 입자는 상기 더미 입자 부근에서 부유하지 않는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
The method of claim 1,
In steps after the first step, the plurality of fluid particles do not float in the vicinity of the dummy particles.
제 1 항에 있어서,
상기 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자의 밀도는 상기 유체의 기준 밀도와 동일한 값을 가지는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 장치.
The method of claim 1,
In the first step, the density of the dummy particles will have the same value as the reference density of the fluid, fluid analysis simulation apparatus.
유체 해석 시뮬레이션 장치에서 수행되는 WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션 방법에 있어서,
유체에 대한 복수의 유체 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 유체 입자의 유동 데이터를 계산하는 단계; 및
상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 유동 데이터를 계산하는 단계는 상기 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출하는 단계; 및
상기 최초 스텝에 있어서, 상기 복수의 유체 입자 및 인접한 더미 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 1 연속 방정식에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 밀도를 도출하는 단계를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
In the fluid analysis simulation method based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) performed in the fluid analysis simulation device,
modeling a simulation region comprising a plurality of fluid particles for a fluid;
generating at least one dummy particle necessary for fluid analysis simulation for the simulation area and disposing it outside the simulation area;
calculating flow data of a plurality of fluid particles using the at least one dummy particle disposed outside; and
performing a fluid analysis simulation on the simulation area based on the calculation result
including,
In the first step of calculating the flow data, the calculating of the flow data may include deriving the density of the dummy particles based on a series equation that does not include the relative velocities between the dummy particles and the dummy particles and adjacent fluid particles. to do; and
In the first step, the fluid analysis simulation method comprising the step of deriving the density of the plurality of fluid particles based on a first continuity equation including the relative velocities between the plurality of fluid particles and adjacent dummy particles .
삭제delete 제 8 항에 있어서,
상기 유동 데이터를 계산하는 단계는 상기 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서,
상기 제 1 연속 방정식에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 밀도를 도출하는 단계; 및
상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 2 연속 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출하는 단계
를 더 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
9. The method of claim 8,
The step of calculating the flow data is a step after the first step,
deriving the density of the plurality of fluid particles based on the first continuity equation; and
deriving the density of the dummy particles based on a second continuity equation comprising the dummy particles and the relative velocities between the dummy particles and adjacent fluid particles;
Which will further include, the fluid analysis simulation method.
제 8 항에 있어서,
상기 유동 데이터를 계산하는 단계는 상기 제 1 연속 방정식을 커널(Kernel) 함수로 근사하여 상기 유동 데이터를 계산하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
9. The method of claim 8,
The calculating of the flow data may include calculating the flow data by approximating the first continuous equation with a kernel function.
제 11 항에 있어서,
상기 유동 데이터를 계산하는 단계는 상기 복수의 유체 입자의 밀도에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 압력, 가속도, 속도 및 위치를 도출하는 단계를 포함하는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
12. The method of claim 11,
wherein calculating the flow data comprises deriving pressures, accelerations, velocities and positions of the plurality of fluid particles based on the densities of the plurality of fluid particles.
제 8 항에 있어서,
상기 최초 스텝 이후의 스텝에 있어서, 상기 복수의 유체 입자는 상기 더미 입자 부근에서 부유하지 않는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
9. The method of claim 8,
In steps after the first step, the plurality of fluid particles do not float in the vicinity of the dummy particles, the fluid analysis simulation method.
제 8 항에 있어서,
상기 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자의 밀도는 상기 유체의 기준 밀도와 동일한 값을 가지는 것인, 유체 해석 시뮬레이션 방법.
9. The method of claim 8,
In the first step, the density of the dummy particles will have the same value as the reference density of the fluid, fluid analysis simulation method.
WCSPH(Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics) 기반의 유체 해석 시뮬레이션을 수행하는 명령어들의 시퀀스를 포함하는 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 있어서,
상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨팅 장치에 의해 실행될 경우,
유체에 대한 복수의 유체 입자를 포함하는 시뮬레이션 영역을 모델링하고,
상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션에 필요한 적어도 하나의 더미 입자를 생성하여 상기 시뮬레이션 영역의 외부에 배치시키고,
상기 외부에 배치된 적어도 하나의 더미 입자를 이용하여 복수의 유체 입자의 유동 데이터를 계산하고,
상기 계산 결과에 기초하여 상기 시뮬레이션 영역에 대한 유체 해석 시뮬레이션을 수행하도록 하는 명령어들의 시퀀스를 포함하고,
상기 유동 데이터를 계산하는 최초 스텝에 있어서, 상기 더미 입자 및 상기 더미 입자와 인접한 유체 입자 사이의 상대 속도를 포함하지 않는 급수 방정식에 기초하여 상기 더미 입자의 밀도를 도출하고, 상기 복수의 유체 입자 및 인접한 더미 입자 사이의 상대 속도를 포함하는 제 1 연속 방정식에 기초하여 상기 복수의 유체 입자의 밀도를 도출하도록 하는 명령어들의 시퀀스를 더 포함하는, 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
In a computer program stored in a computer-readable recording medium including a sequence of instructions for performing a fluid analysis simulation based on WCSPH (Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics),
When the computer program is executed by a computing device,
modeling a simulation region comprising a plurality of fluid particles for a fluid;
At least one dummy particle required for fluid analysis simulation for the simulation area is generated and placed outside the simulation area;
calculating flow data of a plurality of fluid particles using at least one dummy particle disposed outside,
and a sequence of instructions to perform a fluid analysis simulation for the simulation area based on the calculation result,
In the first step of calculating the flow data, the density of the dummy particles is derived based on a series equation that does not include the relative velocities between the dummy particles and the dummy particles and adjacent fluid particles, the plurality of fluid particles and and a sequence of instructions for deriving a density of the plurality of fluid particles based on a first continuity equation comprising relative velocities between adjacent dummy particles.
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