물리단위를 기반으로 격자 볼츠만 방법을 이용한 다중성분 유체에서의 버블 시뮬레이션
- 주제(키워드) 도움말 격자 볼츠만 방법 , 물리단위 , 격자단위 , 기체확산 , 전기장 , 다중성분 , 버블 시뮬레이션
- 발행기관 서강대학교 영상대학원
- 지도교수 정문열
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 영상대학원 미디어공학
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000059134
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
본 논문의 목표는 세 가지로 요약될 수 있다. 첫째, 바닷속 버블과 같은 복잡한 자연현상을 물리적 속성을 이용하여 최대한 사실적으로 표현하고자 한다. 바닷속에서 스쿠버 다이버가 숨을 내쉴 때 생성되는 버블현상을 시뮬레이션하기 위해서는 제일 먼저 기체가 버블 안으로 들어가는 기체 확산 현상을 모델링해야 한다. 그리고 유체의 free surface 처리가 물리적 기반을 근거로 이루어져야 하며, 생성된 버블은 안정적인 모양을 유지하면서도 자유로운 변형이 가능해야 한다. 본 논문에서 사용한 격자 볼츠만 방법은 기존 유체 시뮬레이션에 사용되는 방법들보다 알고리즘이 간단하고 구현이 쉬우며 모든 작업이 local하게 이루어지기 때문에 병렬처리에 의한 performance 향상을 기대할 수 있고, 무엇보다도 복잡한 경계조건을 가진 유체나 다중성분, 다중상 유체를 잘 표현한다. 본 연구에서는 바닷물 뿐만 아니라 기체의 확산도 다루어야 하므로 다중성분, 다중상 유체 모델링이 용이한 격자 볼츠만 방법을 사용하였다. 두 번째는 컴퓨터 그래픽스 유체 시뮬레이션 분야에서 거의 다룬 적이 없는 새로운 현상을 연구하고자 한다. 전해질 성분이 포함된 다중성분 유체인 바닷물에는 양이온(Na+)과 음이온(Cl-)의 비율이 다르게 포함되어 있다. 이 전하 분포에 의해 생성되는 전기장이 버블의 움직임에 어떤 영향을 미치는 지에 대해 연구하였다. 전기장에 의한 버블의 움직임을 연구하기 위해서는 바닷물 속에 포함된 전해질 성분인 Na+, Cl-를 모두 모델링해야 한다. 다중성분 유체를 잘 다루는 격자 볼츠만 방법이 사용된 또 다른 이유이다. 기존에 컴퓨터 그래픽스 분야에서 버블 시뮬레이션에 대해 많은 연구가 이루어진 바 있지만, 전기장 내에서의 버블 시뮬레이션에 관한 연구는 찾아보기 힘들다. 마지막으로 격자 볼츠만 방법을 이용한 기존 연구들이 실제 물리량을 사용하지 않는 경우가 많아 Lattice unit에서의 해석이 쉽지 않다. 반면에 본 연구에서는 전술한 두 가지 목표를 위한 실험을 위해 모든 시뮬레이션 파라미터를 실제 시뮬레이션 하고자 하는 특정 유체의 물리적인 속성값을 적용하여 Physical unit과 Lattice unit으로 각각 실험, 비교하였다. 그 결과 두 단위 간의 명료한 연결관계를 정립하였으며, 시뮬레이션을 위한 단위변환으로 야기되는 혼란을 배제함으로써 실험 결과의 직관적인 해석이 가능하도록 하였다. 그리고 초기값을 물리량으로 적용함으로써 초기화 단계에서 범하는 오류를 줄여주고 디버깅의 효율성을 높였다. 이는 기존에 격자 볼츠만 방법을 사용한 연구자들에게도 중요한 가이드라인이 될 수 있다.
more초록/요약
This dissertation has three objectives. First, this dissertation will describe complex natural phenomena like bubbles in an ocean realistically by using physical properties. To simulate bubbles occurring when scuba divers breathe out in an ocean, it is necessary to model the phenomenon of gas diffusion. And, free surface should be treated based on physical base. Also, generated bubbles should preserve stable pose while, at the same time, free deformation of the bubbles should be possible. Lattice Boltzmann Method used in this dissertation has an algorism that is simpler than those existing ones and its implementation is easier. More than anything else, Lattice Boltzmann Method can express well the fluids with complex boundary conditions or the multicomponent or multiphase fluids. For this reason, this dissertation used Lattice Boltzmann Method with which the modeling of multicomponent or multiphase fluids is relatively easy. Second, this dissertation investigates a new phenomenon which has not been studied in the field of computer graphics or fluid simulations. Ocean water, multicomponent fluid which contains electrolyte, has a differential ratio of positive ions(Na+) versus negative ions(Cl-). This dissertation studied what effects the electric field produced by charge distribution has on the movement of bubbles. Though many past studies explored bubble simulations in the computer graphics field, few focused on the electric field. Finally, because previous studies that used Lattice Boltzmann Method mostly did not use real-world physical quantity, it was not easy to interpret a Lattice unit. On the other hand, this dissertation used the physical properties of the specific fluid as all simulation parameters, and conducted experiments by using physical unit and Lattice unit, respectively. As a result, a clear connection between the two units was established, enabling an intuitive interpretation of the experimental results by excluding the potential confusion due to the unit transformation. And, by applying the real-world physical quantities as the initial simulation value, it was possible to reduce the error occurring in the initialization step and to increase the efficiency of debugging. This can be an important guideline for the researchers using the Lattice Boltzmann Method.
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