특이성(Singularity)이란 발산(Divergence) 등으로 인해 수학적으로 정의되지 않는 성질을 말한다,
국립 경상대학교(GNU·총장 권순기) 항공우주시스템공학과 명노신 교수<사진> 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심) 등의 지원을 받아 수행됐다.
연구결과는 유체물리 분야 학술지 ‘Physics of Fluids’ 온라인판(5월 13일), 전산물리 분야 학술지 ‘Journal of Computational Physics’ 온라인판(5월 20일), 항공우주 분야 학술지 ‘AIAA Journal’ 인쇄판(5월 1일)에 게재됐다.
충격파는 항공우주비행체나 우주운석 주변, 태양풍, 은하 성간 가스, 핵폭발 등 급격한 가스 압축으로 인해 나타나는 현상인데, 온도와 압력의 급격한 변화로 순간적으로 기체들이 평형에 도달하지 못하는 현상에 대한 정확한 설명이 어려워 공학적 응용에 한계가 있었다.
연구팀은 기체입자의 이동과 충돌 항에 대한 정확도를 동일한 수준으로 처리하면 충격파를 수학적으로 잘 정의할 수 있음을 알아냈다.
또, 기존 선형이론은 기체입자의 이동 등에 대해 일관된 처리를 하지 못해 특이성을 해소하는 데 한계가 있었다.
이러한 수학적 특이성은 무수히 많은 입자들이 서로 영향을 주고받으면서 움직이는 복잡계에서 흔히 볼 수 있는 것으로 기체나 유체의 움직임을 효율적으로 해석하려는 다양한 연구에 기여할 것으로 기대된다.
아울러 연구팀은 특이성 원인 규명 후 충격파의 온도나 밀도 변화를 정확하게 설명할 수 있는 구성관계식을 유도해 냈다.
구성관계식(Constitutive Relation): 거시적 관점에서 물질의 기본역학적 특성을 나타내는 (대수) 방정식을 일컬으며, 공기와 물의 차이가 이 관계식에 의해 대부분 묘사된다.
이 관계식을 이용해 개발한 다차원 전산해석코드는 100km 이상 높은 고도에서 비행하는 비행체나 미소 기계장치 또는 진공장치 등의 설계에 응용될 것이라는 설명이다.
명노신 교수는 “이번 연구에서 얻은 충격파 특이성 원인과 해결방법은 복잡유체의 특이성 해결이나 반도체 장치의 전자수송 특이성 문제해결 등에도 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편, 연구팀은 충격파뿐 아니라 고분자가 포함된 스파게티나 토마토 케첩과 같은 복잡유체의 유동을 설명할 수 있는 고차 구성관계식 개발을 목표로 후속연구를 수행할 계획이다.
박영천 인턴기자
