계면 포착 기법 비교: VOF vs Level Set vs Diffuse Interface
PLIC는 질량을 가두고 곡률이 거칠다. Level Set은 곡률이 깔끔하고 질량이 샌다. 충격이 계면을 치면 비보존 α 이류가 덜 흔들린다.
계면을 어떻게 다룰 것인가#
압축성 다상유동에서 막히는 자리는 플럭스가 아니다. 두 유체가 맞닿은 면을 셀 안에 어떻게 적어 둘 것인가.
갈래는 세 개다.
- Volume of Fluid (VOF)
- Level Set
- Diffuse Interface (확산 계면)
모드 토글을 VOF, Level Set, Diffuse로 바꾸면 같은 원의 두께와 부호가 달라진다.
같은 원을 세 방법이 어떻게 표현하는지 비교 — VOF는 셀 평균, Level Set는 부호거리, Diffuse는 매끄러운 전이.
VOF는 셀 안의 직선 조각으로 색을 가둔다. Level Set은 영점 등고선이 매끈하고, Diffuse는 띠가 몇 칸으로 번진다.
1. Volume of Fluid (VOF)#
원리#
각 셀에서 특정 유체가 차지하는 체적 분율(volume fraction) 를 따라간다.
이면 그 셀은 유체 A로 가득하다. 이면 유체 B다. 이면 계면이 셀 안을 지난다.
계면 재구성 (Interface Reconstruction)#
VOF가 하는 일은 에서 셀 안의 면 위치를 다시 그리는 일이다.
- SLIC (Simple Line Interface Calculation): 계면을 좌표축에 평행하게 근사
- PLIC (Piecewise Linear Interface Calculation): 계면을 임의 기울기의 직선으로 근사
PLIC에서 계면의 법선 벡터 은 필드의 기울기로 추정합니다:
장단점#
- 장점: 질량이 정확히 보존됨 (보존형)
- 단점: 계면 재구성이 복잡하고 비용이 큼. 3D 확장이 어려움. 곡률 계산 부정확
2. Level Set Method#
원리#
계면은 부호 거리 함수(signed distance function) 의 영점 등고선이다.
- : 유체 A
- : 유체 B
- : 계면
Re-initialization#
이류(advection)를 지나면 는 부호 거리의 성질()을 잃는다. 되돌리려고 re-initialization 방정식을 푼다.
여기서 는 가상 시간(pseudo-time)입니다.
곡률과 표면장력#
Level Set은 곡률 같은 기하량을 그대로 꺼내기 쉽다.
표면장력은 CSF(Continuum Surface Force) 모델로 체적력으로 변환됩니다:
장단점#
- 장점: 곡률/법선 계산 용이. 위상 변화(topology change) 자연스럽게 처리
- 단점: 질량 보존 실패. Re-initialization 과정에서 계면 위치가 이동 가능
CLSVOF: 두 방법의 결합#
VOF의 질량 보존 + Level Set의 기하학적 장점을 합친 Coupled Level Set and VOF (CLSVOF) 방법이 많이 사용됩니다.
3. Diffuse Interface Method (확산 계면)#
철학의 전환#
앞의 두 방법이 계면을 날카로운(sharp) 것으로 보는 반면, 확산 계면법은 계면이 본질적으로 유한한 두께를 갖는다고 봅니다.
이 접근에서는 별도의 계면 추적 방정식이 필요 없고, 체적 분율이 보존 법칙 시스템의 일부로 포함됩니다.
5-equation Model (Allaire et al., 2002; Kapila et al., 2001)#
가장 널리 사용되는 reduced model입니다:
마지막 줄이 갈린다. 의 이류가 **비보존형(non-conservative)**이다. 계면 압력이 흔들리지 않게 하는 자리가 여기다.
왜 비보존형이 필요한가?#
을 보존형으로 풀면:
우변의 가 이산에서 0이 아니면 압력 진동이 난다.
비보존 이류 을 전개하면 이다. 우변으로 넘긴 것이 위 식이다. 접촉면에서 압력과 속도가 일정하면 는 0이어야 한다. 이산 발산이 그 0을 못 내면 우변이 남는다. 인 계면 셀에서 잔여 발산을 라 하면 우변은 다. 가 그 양만큼 움직이면 혼합 밀도가 바뀌고, 상태방정식은 같은 압력으로 돌아가지 못한다. 진동의 씨앗이 이 항이다.
비보존형은 그 우변을 만들지 않는다. 는 를 따라 움직이고, 셀 면의 플럭스 차분이 를 직접 증감시키지 않는다. 5방정식의 마지막 줄이 비보존인 이유가 여기다. 질량은 위의 두 줄, 이 따로 지킨다. 를 보존형으로 쓰지 않아도 각 상의 질량은 그 줄이 맡는다.
재초기화 쪽의 숫자도 이미 식에 있다. 이 깨지면 이 가상시간 로 를 민다. 가 1보다 크면 그 항이 를 깎고, 1보다 작으면 반대로 민다. 멈추는 곳은 뿐이다. 그 과정에서 영점 이 한 셀이라도 미끄러지면 질량이 샌다. VOF의 적분에는 그 미끄러짐이 없다. 대신 로 뽑은 법선은 가 0과 1 사이로 번진 칸에서만 기울기가 있다. 곡률이 그 칸의 노이즈를 탄다. 는 가 거리함수일 때 같은 법선을 매끈하게 준다. 그래서 CLSVOF가 둘을 붙인다. 질량은 , 곡률은 .
7-equation Model (Baer-Nunziato type)#
각 상에 압력과 속도를 따로 줄 수 있는 완전 비평형 모델이다. 그 길은 Baer–Nunziato 7-방정식이 풀어 둔다.
이완(relaxation) 과정을 통해 압력/속도 평형으로 수렴시킵니다. 수학적으로 가장 완전하지만 계산 비용이 높습니다.
비교 요약#
| 기법 | 질량 보존 | 계면 선명도 | 위상 변화 | 구현 복잡도 | 압축성 적합도 |
|---|---|---|---|---|---|
| VOF (PLIC) | O | 높음 | 어려움 | 높음 | 보통 |
| Level Set | X | 높음 | 자연스러움 | 보통 | 보통 |
| CLSVOF | O | 높음 | 자연스러움 | 매우 높음 | 보통 |
| 5-eq Diffuse | O | 보통 | 자연스러움 | 낮음 | 매우 좋음 |
| 7-eq Diffuse | O | 보통 | 자연스러움 | 높음 | 매우 좋음 |
보존형 α를 쓰면 접촉면의 압력이 흔들린다#
압축성에서 표를 고르면 아래 두 줄이다. 5방정식은 질량을 으로 지키고, 이류만 비보존으로 남긴다. 이산 발산이 를 0으로 만들지 못하면, 인 계면 셀이 혼합 밀도를 밀어 압력을 흔든다.
번진 띠를 매 스텝 되돌릴지는 다른 결정이다. 그 조작은 안티확산으로 계면을 다시 세우는 구현에 이어진다.
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