국내연구진, 충격파 특이성 수학적으로 정의
복잡계 연구에 활용…기체·유체 움직임 해석 가능

충격파 압축 내부구조 및 복잡유체 인장 구조.
충격파 압축 내부구조 및 복잡유체 인장 구조.

항공우주비행체가 받는 충격파의 비밀이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

명노신 경상대 항공우주시스템공학과 교수팀은 유체역학의 미해결 과제였던 초음속 충격파의 특이성을 수학적으로 정의하는데 성공했다고 13일 밝혔다.

충격파는 항공우주비행체나 우주운석 주변에서 태양풍, 은하 성간 가스, 핵폭발 등 급격한 가스 압축으로 인해 나타난다. 온도와 압력이 급격하게 변하면서 순간적으로 기체가 평형을 유지 할 수 없게 된다.

지금까지 이에 대해 정확한 설명이 불가능해 공학적 응용에 한계가 있었다.

연구팀은 기체입자의 이동과 충돌항에 대한 정확도를 동일한 수준으로 처리하면 충격파를 수학적으로 정의할 수 있다는 것을 알아냈다. 기체입자의 이동을 설명하던 기존 선형이론(기체입자 충돌항에서 속도의 종속성이 사라져 간단한 형태로 만드는 이론)은 일관된 처리를 하지 못해 특이성을 제대로 밝혀내지 못했다.

이번 성과로 무수한 입자들이 서로 영향을 주고 받으며 움직이는 기체나 유체의 움직임을 효율적으로 해석하는 연구가 활발해질 것으로 기대된다.

또 연구팀은 충격파의 온도나 밀도 변화를 정확하게 설명할 수 있는 구성관계식도 도출해냈다. 구성관계식은 물질의 기본역학적 특성을 나타내는 방정식으로 공기와 물의 차이를 묘사하는데 주로 사용된다.

이 관계식을 사용한 다차원 전산해석코드는 100km이상 높은 고도에서 비행하는 비행체나 진공장치 등의 설계에 활용될 전망이다.

명 교수는 "이번 연구에서 얻은 충격파의 특이성 원인과 해결방법은 복잡유체의 특이성 해결이나 반도체 장치의 전자수송 특이성 문제해결 등에도 활용 될 것"으로 기대했다.

연구팀은 고분자가 포함된 스파게티나 토마토 케첩과 같은 복잡유체의 움직임을 설명할 수 있는 고차 구성관계식 개발할 계획이다.

고전, 기존 비고전, 신규 비고전 모델의 구성관계식 비교.
고전, 기존 비고전, 신규 비고전 모델의 구성관계식 비교.

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