[논문 리뷰] SPHinXsys: an open-source multi-physics and multi-resolution library based on smoothed particle hydrodynamics

Chi Zhang, Massoud Rezavand외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 23.

Fluid Dynamics Simulations and Interactions참고 문헌 35인용 수 17

한 줄 요약

SPHinXsys는 유체, 고체, 열확산, 반응-확산, 유체-구조 상호작용을 포함한 복잡한 산업 시스템을 시뮬레이션하기 위해 개발된 오픈소스로, 다중 물리, 다중 해상도의 스플래시드 파티클 유체역학(SPH) 라이브러리이다. 이는 메쉬 없는 라그랑주 입자 방법과 커널 기반 근사법을 활용한 일반적인 C++ API를 사용하여 다양한 물리 현상 간의 융합적이고 유연한 모델링을 가능하게 하며, 유체역학, 고체역학, 전자기기역학, 심장 모델링 분야의 기준 사례를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

In this paper, we present an open-source multi-resolution and multi-physics library: SPHinXsys (pronunciation: s'finksis) which is an acronym for \underline{S}moothed \underline{P}article \underline{H}ydrodynamics (SPH) for \underline{in}dustrial comple\underline{X} \underline{sys}tems. As an open-source library, SPHinXsys is developed and released under the terms of Apache License (2.0). Along with the source code, a complete documentation is also distributed to make the compilation and execution easy. SPHinXsys aims at modeling coupled multi-physics industrial dynamic systems including fluids, solids, multi-body dynamics and beyond, in a multi-resolution unified SPH framework. As an SPH solver, SPHinXsys has many advantages namely, (1) the generic design provides a C++ API showing a very good flexibility when building domain-specific applications, (2) numerous industrial or scientific applications can be coupled within the same framework and (3) with the open-source philosophy, the community of users can collaborate and improve the library. SPHinXsys presently (v0.2.0) includes validations and applications in the fields of fluid dynamics, solid dynamics, thermal and mass diffusion, reaction-diffusion, electromechanics and fluid-structure interactions (FSI).

연구 동기 및 목표

• 산업 및 과학적 응용 분야에서 복합 다중 물리 시스템을 통합적으로 시뮬레이션할 수 있는 유일한 오픈소스 SPH 프레임워크를 개발하는 것.
• 다양한 공간적 및 시간적 스케일을 가진 복잡한 시스템을 효율적으로 시뮬레이션하기 위한 다중 해상도 모델링을 가능하게 하는 것.
• 도메인 특화 응용 및 커뮤니티 기반 개발을 지원하는 확장 가능한 C++ API를 제공하는 것.
• 유체-구조 상호작용, 열확산, 반응-확산, 전자기기역학을 포함한 다양한 물리 현상에 대해 라이브러리를 검증하는 것.
• GitHub에 공개된 소스 코드, 포괄적인 문서화 및 테스트 케이스를 통해 재현 가능한 연구를 지원하는 것.

제안 방법

• 라이브러리는 커널 기반 근사법을 활용한 공간 도함수와 연속체 필드의 입자 기반 이산화를 기반으로 한 스플래시드 파티클 유체역학(SPH) 프레임워크를 사용한다.
• 파손 및 충격을 포함한 격렬한 자유면 유동을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 리만 해법을 활용한 저손실 SPH 스킴을 구현한다.
• 약압축성 SPH(WCSPH)의 안정성과 정확도를 향상시키기 위해 이중 기준 시간 스텝 방법을 적용한다.
• 유체-구조 상호작용(FSI) 문제에 다중 해상도 기법을 적용하여 효율성을 높이기 위해 입자 해상도를 적응적으로 조절한다.
• 등방성 및 이방성 확산 스킴을 사용하여 열 및 질량 확산을 모델링하며, 확산 계수 텐서에 대한 적절한 처리를 한다.
• 활성 응력 모델과 홀자팔프-오그덴 구성법칙을 활용해 전자기기역학 결합을 구현하였으며, 심장 근육 조직에서의 검증을 완료하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 SPH 프레임워크가 어떻게 통합적으로 유체역학, 고체역학, 열확산과 같은 다양한 물리 현상을 효율적이고 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 SPH를 사용하여 격렬한 자유면 유동과 유체-구조 상호작용을 안정적이고 정확하게 시뮬레이션하기 위해 어떤 수치 전략이 필요한가?
• RQ3 다중 해상도 입자 기법을 어떻게 효과적으로 SPH 프레임워크에 통합하여 정확도를 유지하면서도 계산 효율성을 높일 수 있는가?
• RQ4 SPHinXsys는 전자기기역학 결합 및 반응-확산 역학을 활용하여 심장과 같은 복잡한 생물학적 시스템을 어느 정도 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 오픈소스로 커뮤니티 기반으로 개발되는 SPH 라이브러리가 다중 물리 시뮬레이션에서 재현 가능성, 확장성, 산업적 적용 가능성을 얼마나 달성할 수 있는가?

주요 결과

• SPHinXsys v0.2.0은 기존 기준 사례와 비교하여 유체역학 시뮬레이션을 성공적으로 검증하였으며, 파손 파도를 포함한 격렬한 자유면 유동에 대해서도 검증되었다.
• 반응-확산 시스템에서 라티와 베라니(2018)의 결과와 일치하는 나선형 웨이브 패턴을 정확하게 재현하였다. 직사각형 및 원형 영역 모두에서 동일한 결과를 도출하였다.
• 단위 입방체 심장 근육의 전자기기역학 시뮬레이션은 막전위 자극에 따른 일관된 변형을 보였으며, 문헌 자료와 유사한 결과를 도출하였다.
• 이심실 심장 모델 시뮬레이션은 막전위의 자유 펄스 및 스크롤 웨이브 전파를 통해 자극-수축 결합을 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 다중 해상도 FSI 및 위치 기반 버레 시간 스텝 방법의 구현은 유체-고체 시스템의 안정적이고 장기적인 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 완전한 문서화와 재현 가능한 테스트 케이스를 포함한 오픈소스 배포로 인해 소스 코드 가용성, 확장성, 커뮤니티 협업이 보장되었다.