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6.
결정성장을 위한 phase field code 최적병렬화
>> 연구 실적
Park, K., Choi, H., Choi, S., and Sa, Y., 2015, “Characteristics of tip-leakage flow in an axial fan operating at the design condition”, The Asian Symposium Computational Heat Transfer and Fluid Flow, Busan, Korea.
Park, K., Choi, H., Choi, S., Sa, Y., and Kwon, O., 2016, “Large eddy simulation of tip-leakage flow in an axial flow fan”, 69th DFD meeting of the American physical society, Portland, Oregon, USA.
Park, K., Choi, H., Choi, S., Sa, Y., and Kwon, O., 2017, “Unsteady characteristics of tip-leakage flow in an axial flow fan”, 10th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, Chicago, USA.
>> 참고 문헌
Jang, C., Furukawa, M., and Inoue, M., 2015, “Analysis of vortical flow field in a propeller fan by LDV measurements and LES – part I: three-dimensional vortical flow structures”, ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 123, pp.
748–754.
Kim, D., and Choi, H., 2006, “Immersed boundary method for flow around an arbitrarily moving body”, Journal of Computational Physics, Vol. 212, pp. 662-680.
Lee, J., Choi, H., and Park, N., 2010, “Dynamic global model for large eddy simulation of transient flow”, Physics of Fluids, Vol. 22, 2010, p. 075106.
Pogorelov, A., Meinke, M., and Schröder, W., 2015, “Cut-cell method based large-eddy simulation of tip-leakage flow”, Physics of Fluids, Vol. 27, No. 7, p.
075106.
You, D., Wang, M., Moin, P., and Mittal, R., 2007, “Large-eddy simulation analysis of mechanisms for viscous losses in a turbo-machinery tip-clearance flow”, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 586, pp. 177–204.
축류 팬 주위 유동해석 코드의 최적병렬화
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연구실적 참고문헌
노점 및 나노선의 기계적 특성 실험은 초당 0.1%의 변형률보다 더 빠른 실험 (Vapor-Liquid-Solid Process)에서 기체, 액체, 고체에 해당하는 상(phase) 간 경계에서 움직이는 미분방정식을 고안하고 그를 수치적으로 풀면 정확
섞인 액체에는 금의 촉매작용으로 기체의 실리콘이 녹아들어가고 고체표면 에는 녹아들지 않는다. 액체 속의 실리콘 비율이 임계점 이상으로 높아지면 액체 아래로 가라앉으면서 고체결정으로 변하고 이를 통해 액체방울과 비슷 한 지름을 가진 긴 결정이 만들어진다. 이는 소금물에서 소금이 용해도 이상 녹았을 때 석출되는 것과 유사한 원리이다.
실제 실험에서 금 나노입자를 생성한 후 실리콘 기판에 뿌리면 금속과 실리 콘의 반응성이 좋아서 둘이 혼합된 금-실리콘 나노액체방울이 생성되고 그 를 촉매로 사용하여 실리콘 나노선을 성장시킬수 있다. 이때 [그림 2]와 같 이 실리콘 고체결정은 방위(orientation)에 따라서 표면에너지가 다른 비등 방성(anisotropy)을 갖고 있기 때문에 똑바로 자라던 나노선이 다른 방향으 로 급격히 꺾이든지 혹은 특정방향으로는 나노선이 자라지 않는 등의 현상 이 발생하기 때문에, 그 메커니즘을 모델링을 통해 밝히고 방지하기 위한 연 구가 필요하다.
성 시뮬레이션을 통해 얻어진 나노선의 모양으로 연속체 역학 및 전위역학 (dislocation dynamics)을 이용한 기계적 특성 모사를 수행하고 기계적 특성 평가 실험과 비교해 볼 수도 있다.
본 연구를 위해 병렬화/최적화 작업을 수행했던 계산 코드(code)는 아래와 같이 나노선의 성장을 모사한다. 기체와 액체의 경계면은 노란색으로, 기체 와 고체의 경계면은 하늘색으로, 액체와 고체의 경계면은 혼합된 색으로 도 식화(visualization)하였고([그림 1]) 경계면들의 움직임은 실제 실험에서 일 어나는 물리현상을 반영하고 원자레벨 모델링과 실험에서 얻은 물성을 입력 치로 하여 계산한다. 실리콘원자를 함유한 기체를 흘려줄 때, 실리콘과 금이
한국과학기술정보연구원 결정성장을 위한 phase field code 최적병렬화
06
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코드 활용 사례
그림 1. Vapor-Liquid-Solid Process를 통한 나노선의 성장과정 모사
그림 2. 실험(위)과 마찬가지로 나노선의 지름이 작을 때 자발적인 꺾임이 발생함을 모사한 상장모델 결과(아 래) [연구실적 1]
보 교환 및 계산 시간의 최소화를 위해서 효율화 작업이 필요하므로 최적화
최적병렬화 과정을 통해서 개선된 프로그램은 앞으로 다양한 방위에서 다양 한 소재의 성장을 다루는 데 요긴하게 활용될 것이다. 또한, 나노선의 성장 뿐만 아니라, 소재의 응고, 용융과 같은 상변이 현상, 소재의 균열(crack)이 진전하는 현상도 유사한 미분방정식을 지닌 상장(phase field) 모델로 모사 할 수 있기 때문에 약간의 수정을 통해 매우 다양한 물리현상을 모사하는 코 드로 업그레이드 시킬 수 있을 것이라 예상된다. 이렇게 매우 효율적이고 우 수한 프로그램을 직접 보유하고 있는 연구진은 세계적으로도 많지 않으며, KISTI의 적극적인 도움으로 앞으로 세계적인 경쟁력을 지닌 많은 연구결과 들을 이끌어 낼 수 있을 것으로 기대된다.
본 과제에서 효율화된 코드의 일부를 이용하여 실험결과와의 비교를 수행한 아래의 논문[연구실적1]이 발행되었으며, 모든 결과를 종합한 모델링 논문을 준비 중에 있다.
[1] Yanying Li, Yanming Wang, Seunghwa Ryu, Ann F. Marshall, Wei Cai, and Paul C. McIntyre, "Spontaneous Defect-Free Kinking Via Capillary Instability During Vapor-Liquid-Solid Nanowire Growth", Nano Letters 16, 1713 (2016).
이 가장 우수한 성능을 보여 주었다. 단일 코어로 80초밖에 안 걸리는 시뮬 레이션이기 때문에 그 이점이 여기서 크게 부각되지는 않지만, 실제로 나노 선의 성장을 단일 코어로 모사하기 위해서는 수일-수십 일이 소요되기 때문 에, 병렬화 코드를 통한 연구 시간 절약 및 효율 향상은 연구수행에 지대한 공헌을 하게 된다.
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활용 결과 및 향후 예상 성과
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연구실적
그림 4. 초기에 반구인 액체 상이 고체의 비등방성에 의해 고체-액체 경계면에 각이 지는 현상을 모사한 시뮬 레이션(위)과 그를 3가지 다른 병렬화 기법으로 모사했을 때 계산 시간
서울대학교 물리학과 이원종
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