Shock, Detonation, Reaction, Anisotropic AMR, Dynamic load balancing
가스 폭발, 고체 화약 폭발 등 초음속의 급격한 연소 반응(Detonation)에 대한 전산유체역학(CFD) 해석 코드 개발과 검증에 대해 소개합니다.
CFD를 이용한 폭발 시뮬레이션은 물리 모델링, 수치 해석, 계산 자원 등의 면에서 상당한 어려운 문제입니다.
물리 모델링 측면에서는 수 μm~mm의 반응 영역과 수 m~수십 m의 폭발 영향 범위라는 극단적 스케일 차이, 충격파와 폭굉파(detonation) 전후의 급격한 밀도/온도/압력의 변화에 의한 해석 불안정성, 복잡한 화학 반응, 충격파가 물질 경계를 통과할 때의 반사와 굴절 현상 재현 등의 어려움이 있습니다. 수치 해석 측면에서는 충격파 캡처 기법, 고차 정확도 기법, 폭발물과 주변 매질의 경계면 추적 기법, 복잡한 화학반응 모델 등이 필요합니다. 계산 자원 측면에서 충격파와 반응 영역에 극단적 격자 세분화가 필요하여 전체 격자 수가 폭발적으로 증가하며, 작은 격자 크기와 빠른 속도는 매우 작은 시간 간격이 필요하기 때문에 전체 시뮬레이션 시간 확보의 어려움이 있습니다.
| Technical Challenge | Our Solution |
|---|---|
| Extreme scale disparityNeed to resolve both μm-scale reaction zones and m-scale overall blast domain | Anisotropic Adaptive Mesh Refinement (AMR) to locally refine mesh in key regions while reducing computation in others |
| Strong non-linear phenomena Severe pressure and density gradients in shock and detonation waves | High-order ENO/WENO schemes (3rd order or higher) and Runge-Kutta time integration for stable shock capturing |
| Complex chemical reaction modeling | Built-in equations of state (JWL, Mie-Grüneisen) and reaction rate laws for different explosives |
| Multi-phase / multi-material interface handling | Level-set & Ghost Fluid Method for accurate reflection/refraction at interfaces |
| Massive computational cost for high-resolution grids | HPC parallelization with Dynamic Load Balancing for maximum performance |
넥스트폼은 이와 같은 어려움을 극복하고 가스 폭발과 고체 화약 폭발 등 초음속 연소(Detonation) 현상을 고해상도로 분석할 수 있는 CFD 해석 코드를 개발하였습니다. 폭발물 종류별 상태방정식과 반응속도 방정식을 내장하여 복잡한 화학 반응을 모델링하고, reaction progress variable 수송방정식을 계산합니다.
폭발 해석은 μm 단위의 반응 영역부터 m 단위의 전체 폭발 범위까지 매우 넓은 스케일을 다뤄야 하는데, 이를 위해 옥트리(Octree) 기반의 이방성 적응 격자(Anisotropic Adaptive Mesh Refinement) 기법을 적용하여 계산 자원을 최적화하고, 관심 영역에만 격자를 집중 배치하여 정확도를 높였습니다.
해석 정확성을 위해 3차 이상의 ENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory) 공간 이산화 기법과 Runge-Kutta 시간 적분을 적용하여 충격파와 폭굉파와 같은 급격한 압력·밀도 변화를 안정적으로 포착합니다.
경계면 추적에는 Level-set과 Ghost Fluid 기법을 활용해 경계 조건 처리의 정밀도를 높였으며, 병렬 계산에서는 Dynamic Load Balancing을 통해 대규모 해석에서도 효율적인 계산 성능을 유지합니다.
Validation – 2D Riemann Problem
이 기술의 효율성은 2D Riemann 문제 벤치마크에서도 입증되었습니다. 전통적인 구조 격자 해석 대비 최대 98%의 메모리 절감과 75배의 계산 속도 향상을 달성하였으며, 실험값과의 비교에서도 매우 높은 일치도를 보였습니다.
| Case | Mesh | Time | RAM Usage |
|---|---|---|---|
| Structured code | 1,000,000 | 223.84 sec | 11.04 GB |
| AMR level 3 | 155,000 | 39.23 sec | 1.6 GB |
| AMR level 7 | 12,500 | 2.97 sec | 0.01 GB |
3차원 실제 해석 사례 – Confined Rate Stick과 개활지 폭발
‘Confined Ratestick’ 해석에서는 격자 크기 31.25~500μm 범위의 격자 크기를 자동 조정하여 폭굉파 속도를 실험 결과와 정밀하게 일치 시켰습니다.
개활지 폭발 해석에서는 0.3~320mm의 격자와 1e-8~1e-5초의 시간 간격을 자동 조정하며 거리별 충격파 압력을 실험치와 성공적으로 검증하였습니다.
이러한 폭발 CFD 해석 기술은 군수·방산 분야에서 폭약 성능 분석과 폭발 안전 거리 산정, 산업 분야의 가스 폭발 위험성 평가, 연구개발 단계의 신형 화약 및 기폭 장치 설계 등 다양한 분야에 적용할 수 있습니다.
무엇보다 저희의 강점은 극단적인 스케일 차이를 동시에 해석할 수 있는 역량, 실험 기반의 검증 완료, 그리고 다양한 폭발 유형 해석 경험을 바탕으로 고객이 필요로 하는 분석을 빠르고 정확하게 제공할 수 있다는 점입니다.