CFD 라는 분야도 그러한 역학 계산의 한 줄기라고 한다면, 그 원 뿌리는 상당히 오래 될 수도 있습니다.
아래에는 간단히 CFD 가 어떻게 흘러왔는지에 대한 글이 있습니다. 찬찬히 잘 읽어 보기 바랍니다.
CFD 의 역사
문명의 새벽 이후, 인류는 항상 강의 흐름, 바람과 날씨, 금속의 제련, 강한 해류나 인체 내의 혈액의 흐름과 같은 유체에 관심을 가지고 있었습니다.
아주 오래 전, Heraclitus와 같은 훌륭한 그리스 사상가들은 "모든 것은 흐른다."고 주장하였습니다. 그러나 그는 인식이 가능한 과학적인 방법보다 오히려 철학적인 접근으로 생각하고 있었습니다.
그러나, Archimedes는 정역학, 정수역학의 분야들을 시작하였고, 어떻게 밀도와 물체의 부피를 측정하는 지 알아냈습니다.
과학에 정통한 옛 로마인들의 관심은 수로, 운하, 항구, 그리고 목욕탕과 같은 급수 시설에 있었습니다.
이 생각은 르네상스 시대에 와서 남유럽에서 다시 다루어지기 시작하였습니다. 다시 상세하게 유체와 유동의 자연적인 세계를 시험하기 시작한 것은 Leonardo da Vinci와 같은 우리들이 훌륭한 예술가로 알고 있는 기술자들이었습니다.
그는 유체의 형태와 구조를 인식하고, 실제와 동일하게 정확하게 그림으로 표현하며 물질 세계에서의 자연적인 현상들을 관찰하였습니다.
그는 중앙 이탈리아에서 운하와 항구를 계획하고 관리하였습니다.
유체 역학에 그가 공헌한 것들은 물의 표면, 물의 움직임, 파도, 소용돌이, 썰물, 자유 제트, 파도의 간섭, 그리고 또 다른 많은 최근에 관찰된 현상들을 다루는 9권의 부분 논문에 표현되었습니다.
레오나르도는 17세기 후반에 영국의 뉴턴에 의해 계승됩니다.
뉴턴은 그의 기본 뉴턴학설을 통하여 유체 흐름 현상을 예측하고 측정하려고 하였습니다.
유체 역학에 그가 공헌한 것들은 그의 2번째 법칙(F=ma, 응력과 변형률이 선형으로 변화하는 뉴터니안 점성의 개념)과 상반원리(움직이는 유체에 의해 멈추어 있는 물체에 작용한 힘은 물체의 주위에 반영되는 유체의 모멘텀의 변화, 그리고 액체 표면에서의 파의 속도와 그 파장 사의의 관계식과 같다.)을 포함하였습니다.
18, 19세기, 수학적으로 유체의 운동을 설명하려고 하는 시도가 계속되었습니다.
Daniel Bernoulli(1700-1782년)는 유명한 베르누이 방정식을 유도하였습니다. 그리고 Leonhard Euler(1707-1783년)는 비점성유체의 운동량 보존과 질량 보존의 법칙을 설명한 오일러 방정식들을 유도하였습니다. 그는 또한 속도퍼텐셜 이론을 제안하였습니다.
이 시대에 유체 유동 분야에서 매우 중요한 2명의 공헌자가 있었습니다. 프랑스 사람인 Claude Louis Marie Henry Navier (1785-1836)와 아일랜드 사람인 George Gabriel Stokes(1819-1903년)는 오일러 방정식으로 점성 이동을 소개하였고 Navier-Stokes 방정식을 만들었습니다.
거의 200년전 그들이 제안한 이 편미분방정식의 형태는 현대의 전산유체역학(CFD) 산업의 기초가 되었고, 그들은 질량, 운동량, 압력, 난류의 보존에 대한 표현을 포함하였습니다.
실제로, 이 방정식은 해답을 찾기에는 너무나 밀접하게 연결되고 어려워서 1960, 70년대에 디지털 컴퓨터가 나온 후에야 실제 유체 문제를 해결할 수 있었습니다.
19세기 유체유동에 관련된 이론들을 정립한 다른 주요 인물들은 Jean Le Rond d\'Alembert, Simeon-Denis Poisson, Joseph Louis Lagrange, Jean Louis Marie Poiseuille, John William Rayleigh, M. Maurice Couette, Osborne Reynolds, and Pierre Simon de Laplace 등이 있었습니다.
20세기 초반, 유체 흐름에 경계층과 난류의 이론들을 정립하는 작업이 수행되었습니다.
Ludwig Prandtl(1875-1953년)는 우리들이 오늘날 당연하다고 여기는 경계층 이론, 혼합 길이 개념, 압축흐름, 프란틀 수, 그리고 더 많은 것들을 제안하였습니다.
Theodore von Karman(1881-1963년)는 von Karman vortex street로 현재 알려진 것을 해석하였습니다.
Geoffrey Ingram Taylor(1886-1975년)는 난류의 통계적인 이론과 테일러 마이크로 축척을 제안하였습니다.
Andrey Nikolaevich Kolmogorov(1903-1987년)는 난류에 대한 Kolmogorov 축척과 보편적인 에너지 스펙트럼의 개념을 소개하였습니다. 그리고 George Keith Batchelor(1920-2000년)는 균일 난류의 이론에 공헌하였습니다.
CFD의 시초라고 하기에는 논란의 여지가 있지만 영국의 Lewis Fry Richardson(1881-1953)은 첫 번째 수치적 기상 예측 시스템을 개발하였습니다. 이것은 물리적인 공간을 그리드 셀로 나누었고 Bjerknes의 "primitive differential equations"의 유한차분 가정들을 사용하였습니다. 그의 시도는 단 8시간에 대한 날씨를 계산하기 위해 실제의 시간은 6주가 걸렸고 실패로 끝났습니다. 그의 모델의 거대한 계산 요구사항은 그가 "forecast-factory"라고 한 시스템을 제안하도록 Richardson을 이끌었습니다. 그 공장은 64,000명으로 거대한 경기장을 채우는 것을 포함하는 것이었습니다. 기계식 계산기를 가진 개개인은 유동의 일부의 계산을 수행할 것입니다. 컬러 신호등과 전신통신을 사용하는 중심의 관리자는 예측을 통합할 것입니다. 그가 제안하고 있었던 것은 매우 근본적인 CFD 계산이었습니다.
원통을 지나가는 흐름을 계산한 가장 빠른 수치 해법은 1933년에 영국에서 Thom에 의해수행된 것으로 기록되었습니다
1953년 일본의 Kawaguti는 18개월 동안 주당 20시간씩 기계식 책상 계산기로 계산하여 원통 주위의 유체 흐름에 대해 유사한 해답을 얻었습니다.
1960년대, 미국에 로스알라모스에 위치한 NASA의 이론 분과에서 오늘날 CFD에서 여전히 사용하고 있는 Particle-In-Cell (PIC), Marker-and-Cell (MAC), Vorticity-Stream function methods, Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) methods와 the ubiquitous k - e turbulence model과 같은 많은 수치계산법들을 정립하였습니다.
1970년대, 런던왕립대학에서 D. Brian Spalding의 지도로 일하는 그룹이 k - e equations의 형태 뿐만 아니라 Parabolic flow codes (GENMIX), 코드에 기반한 Vorticity-Stream function, the SIMPLE algorithm과 the TEACH code를 개발하였습니다. (Spalding & Launder, 1972) 그들은 상승 기류를 개발하는 것을 계속하였고, Eddy breakup과presumed pdf 연소 모델을 개발하였습니다.
CFD 산업에 다른 중요한 사건은 1980년 Suhas V. Patankar 교수가 저술한 "Numerical Heat Transfer and Fluid Flow"의 출간입니다. 이 책은 CFD에 아마도 가장 큰 영향을 끼친 책이며, 수 천개의 CFD 코드를 만들어냈습니다. 그것은 1980년대 초 상업적인 CFD 코드를 열린 시장으로 인도하였습니다.
또, 세계의 주요한 회사들이 회사 내의 CFD 코드를 계속 개발하는 것 보다 상업적인 CFD 소프트웨어의 사용하기 시작하였습니다.
상업적인 CFD 소프트웨어는 유체 유동, 열과 물질 전달의 기본 방정식을 정의하는 매우 복잡한 비선형 수식들의 집합에 기준합니다.
이 방정식은 CFD 소프트웨어에 포함된 복잡한 컴퓨터 알고리듬을 사용하며 반복하며 계산합니다.
그러한 소프트웨어의 실제 효과는 어떠한 유동장과 물체의 기하 간의 계산적인 모델을 해석하고 물리학과 화학 현상을 규명하고 어떤 초기 유동 조건을 예측하기 위해 사용합니다.
CFD 소프트웨어로부터 결과들은 "엄청난" 수치 데이터와 X-Y 차트, 또는 일정한 유동장 의 속성의 선들, 속도 벡터의 컬러 그림, 등가 압력도 등과 같이 그래픽으로 볼 수 있습니다.
CFD는 오늘날 모든 산업에서 광범위하게 사용하는 CAE의 일부분으로 다시 인식되고 있습니다. 그리고 플랜트 설계 엔지니어나 해석 엔지니어들은 유체 흐름 현상들의 모델링하므로써 그들의 데스크탑 컴퓨터에 가상의 풍동을 가지는 것과 같아 질 것입니다.
CFD 소프트웨어는 Navier, Stokes 또는 da Vinci가 상상한 것보다 휠씬 많이 발전하였습니다.
CFD는 비행기, 기차, 자동차, 로켓, 배, 잠수함에 대한 유체동역학 설계 과정에 없어서는 안되는 부분이 되었습니다. 그리고 실제로 인류가 고민한 어떤 움직이는 항공기나 제조 공정에 사용되었습니다.
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