------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
제목: 희박유동과 우주탐사
연사: Prof. Eunji Jun (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST)
일자: 2022-09-23, 10:30AM
장소: Science Hall B103
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
초록
우주공간을 움직이는 물체 주변의 유동은 지구 근처와 비교해서 매우 밀도가 낮아 희박하다. 이러한 희박한 환경에서 움직이는 우주비행체 주변 유동을 이해하기 위해서는 희박한 대기의 특성을 이해해야 한다. 희박 유동은 그 유동을 이루는입자 개수가 적어 입자 간의 충돌이 적으며, 속도분포함수(Velocity distribution function)는 맥스웰 분포를 이루지 못하며 그 유동은 평형(equilibrium) 혹은 연속(continuum) 상태라 가정할 수 없다. 이것을 구분하는 무차원수로는 누센(Kn)수를 사용하며, 이는 입자의 평균자유행로(mean free path)와 특정 길이(characteristic length)의 비, 즉 Kn = λ/L로 나타낼 수 있다. Kn수가 매우 작을 때 유동은 평형을 이룬다고 할 수 있고, 반대로 Kn수가 클 때는 유동은 연속이라 가정할 수 없다. Kn수가 큰 유동의 지배방정식으로 Navier-Stokes 방정식을 사용할 수 없고, Boltzmann 방정식을 사용해야 한다. Boltzmann 방정식의 좌항은 입자의 운동, 우항은 입자 간의 충돌을 말하는데, 우항은 해석적으로 풀 수 없으므로 전산모사 방법으로 접근해야 한다. Boltzmann 방정식의 현상학 모사 방법으로 몬테카를로 직접모사법(Monte Carlo Direct Simulation, DSMC)를 사용한다. DSMC는 입자의 운동과 충돌을 현상학적으로 구현하여, Boltzmann 방정식의 해를 구하는 방법이다. DSMC에서 하나의 모사(계산) 입자는 실제로 많은 수의 입자를 대표하며, 이것으로 유동에 존재하는 수많은 실제 입자를 모두 모사하지 않고도 효과적으로 모사를 수행할 수 있다. 충돌하며 움직이는 모든 계산 입자의 위치와 속도를 업데이트하며, kinetic theory를 통하여 유동의 거시적 특성(온도, 압력, 밀도, 속도 등)을 계산한다. 이 DSMC 방법은 지구로 재진입하거나 혹은 행성 탐사를 위해 대기가 있는 목적 행성에 진입할 때, 지구 저궤도 비행체 열 공력 해석, 전기추력기 플룸 해석 등 다양한 우주탐사를 위한 연구에 사용된다.
