63page

인 셈이다. 입자해석의 필요성 브라질 땅콩 효과(Brazil nut effect) 역시 입자가 갖는 특징을 단적으로 보여준다. 브라질 땅콩 효과 는 다양한 크기의 견과류가 든 통을 움직이면 크기 가 가장 큰 브라질 땅콩이 맨 위로 올라가는 현상에 서 유래되었다. 유체에서 부력이 밀도(density)에 의해 결정되는 반면, 입자에서의 부력은 입자 크기 에 의해 결정되기 때문이다. 브라질 땅콩 효과는 제 약 분야의 골칫거리이기도 하다. 다양한 종류의 가 루약을 잘 섞은 뒤 장시간 운반하면 분말의 크기에 따라 층이 나뉘기 때문이다. 따라서 운반 후에는 가 루약을 골고루 섞어주는 작업이 필요하다. 이때 입 자해석을 적용할 경우 이와 같은 현상을 미리 파악 해 대비할 수가 있다. 물탱크와 사일로(silo) 간 비교를 통해서도 유체와 입자의 차이점을 발견할 수 있다. 사일로는 시멘트 나 광석, 곡물 등의 분체물을 저장하는 원통형 창고 다. 물탱크에 세로로 세 개의 구멍을 뚫으면 맨 아래 구멍의 물줄기가 가장 멀리까지 뻗어 나간다. 유체 의 경우 깊이가 깊어질 수록 압력이 높아지기 때문 이다. 반면 모래가 든 사일로에 구멍을 뚫으면 맨 위 구멍에서 흘러나온 모래가 가장 먼 지점에 떨어진 다. 사일로에서 깊이와 압력 간 관계는 오른쪽 그래 프를 통해 표현할 수 있다. 물탱크와 달리 높이가 50m를 훌쩍 넘는 사일로를 제작할 수 있는 것도 이 때문이다. 이외에도 입자와 유체 간의 특성 차이는 곳곳에서 발견할 수 있다. 유체에 대한 접근법을 그대로 입자 에 적용해서는 안 되는 이유가 여기에 있다. 입자해석의 종류 입자성 물질의 거동을 해석하는 방법으로는 크게 다섯 가지가 있다. 첫 번째 방법은 유한요소법 (Finite Elements Method)을 활용한 연속체 모형 (Continuum Model)이다. 입자 간 충돌을 고려하 지 않으며 분체 유동에 대해 유체로 접근하는 경우 가 있어 해석 결과가 실제와 다를 수 있다. 두 번째 방법은 DEM(Discrete Element Method), 즉 이 산요소법이다. 입자 하나하나의 궤적을 일일이 쫓 으며 각 입자가 갖는 힘을 모두 계산하기 때문에 높 은 계산력을 요구한다. 이후 소개할 Star-CCM+와 EDEM 모두 DEM을 채택하고 있다. 세 번째 해석 방법은 셀룰러 오토마타(Cellular Automata)인데, 방대한 양의 입자를 분석할 수 있 는 대신 역학적 정보를 구할 수 없어 제한적으로 사 용되고 있다. 네 번째 방법은 통계를 기반으로 한 DSMC(Direct Simulation of Monte- Carlo)이며, 다섯 번째 방법은 최근 그 활용도가 증가하고 있는 S P H ( S m o o t h e d P a r t i c l e Hydrodynamics)다. 그렇다면 입자해석이 가능한 상용 소프트웨어로는 어떤 것들이 있을까. 다음 장에 서는 입자 거동 해석을 가능하게 하는 소프트 웨어인 Star-CCM+ 와 EDME에 대해 소 개하도록 한다. 입자해석은 컴퓨터 그래픽 분야에 활용되기 도 한다. 애니메이션 영화 ‘몬스터 주식회사’ 에서 주인공인 설리의 털은 상당히 자연스 럽게 표현되었다. 한 올의 털을 표현하기 위 해 여러 개의 입자를 이어 붙였기 때문. 물탱크와 사일로에서 깊이와 압력 간의 관 계를 보여주는 그래프 Pressure D e p t h Pressure D e p t h August 2017 61