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1. 본인의 연구를 소개해 주셔요.
저는 전산역학(Computational Mechanics) 분야 중에서 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI)에 대해 연구하고 있습니다. Computational Mechanics는 물체의 움직임이나 힘에 관한 미분방정식을 수치적으로 풀어서 물리적인 현상을 이해하고자 하는 학문입니다. 이미 기계, 항공, 건설 등의 분야에서 제품의 설계나 시뮬레이션에 많이 활용되고 있고, 최근에는 의료 분야에도 적용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다.
Fig. 1. 일리노이 대학교 캠퍼스에서 저자 사진
Computational Mechanics 분야에서는 최근 Multi-physics 문제를 푸는 것이 큰 추세입니다. 기존에는 별개의 현상으로 다루어져 왔던 문제들을 서로 엮어서(coupling) 함께 풀어내는 기법을 개발하는 것입니다. FSI도 각각의 운동방정식에 의해 기술되는 유체와 고체가 함께 엮여 있다는 측면에서 Multi-physics 문제로 볼 수 있습니다. 기존의 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)이 고정된 Domain에서 유체 흐름을 해석할 수 있는 기법이었다면, FSI는 움직이는 구조물과 유체의 상호작용을 해석할 수 있는 기법입니다. 대표적인 예로 팽창-수축하는 혈관 내의 혈류나 바람에 의해서 회전하는 풍력발전기 터빈 등이 있습니다.
저는 Computational Mechanics의 한 갈래인 유한요소법(Finite Element Method) 중에서 안정화된(Stabilized) 멀티스케일(Multiscale) 유한요소법에 기반한 연구를 하고 있습니다. 그리고 슈퍼컴퓨터(High Performance Computer, HPC)를 활용하여 큰 사이즈의 FSI 문제를 풀 수 있는 전산해법을 개발하고 있습니다.
Fig. 2. 도심지 바람 해석
Fig. 3. 경동맥 혈류 해석
2. 본인의 연구실적을 소개해 주세요.
연구실에 처음 합류하여 했던 일은 혈류 해석에 관한 Outflow 경계조건을 개발하는 것이었습니다. 연구 성과는 Book chapter와 학회를 통해 소개 하였습니다.
J. Kwack, S. Kang, G. Bhat, A. Masud, “Time-dependent Outflow Boundary Conditions for Blood Flow in the Arterial System,” Advances in Compuational Fluid-Structure Interaction and Flow Simulation, Springer, 2016.
S. Kang, J. Kwack, G. Bhat, A. Masud, “The Outflow Boundary Conditions for Blood Flow in the Arterial System: Application to Patient Specific Models, ” PACAM 2015, May 2015, Champaign, Illinois, US.
3. 연구 중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?
연구를 시작하면서 크게 두 가지 어려움이 있었습니다. 먼저 유체역학에 대한 지식과 경험이 부족하여 방정식과 거동을 이해하는 데에 어려움이 있었습니다. 박사과정을 시작하기 전에는 주로 철골이나 콘크리트 등 고체 물질에 대해서 공부하고 실무에서 다뤄왔기 때문에, 유체에 관한 방정식, 경계조건, 물성 등 모든 것이 생소하였습니다. 단순한 문제부터 해석 해 보고, 교수님이나 연구실 선배들과 토론하는 과정에서 유체에 대해 점점 감이 생기고 경험이 쌓여 갔습니다. 그리고 기계공학과에서 개설하는 유체역학 수업들을 통해 이론 공부를 병행하면서 더욱 자신감을 가질 수 있게 되었습니다.
또 다른 어려움은 연구실에서 사용하고 있는 코드 Framework를 이해하고 슈퍼컴퓨터를 다루는 데에 있었습니다. 코드가 어떻게 짜여져 있는지 알기 위해서는 별다른 왕도가 없이 많이 들여다보는 수밖에 없었던 것 같습니다. 이론적으로 유도된 식과 코드를 비교해 보고, 디버깅(debugging)하는 과정에서 점점 더 깊이 이해할 수 있었습니다. 유체 시뮬레이션 문제는 주로 사이즈가 크고 계산량이 많기 때문에 슈퍼컴퓨터를 이용해서 문제를 풉니다. 그런데 이전에는 병렬컴퓨팅(Parallel Computing)을 사용해 본 경험이 없었기 때문에, 처음에는 병렬 코드가 어떻게 작동하는지 잘 몰랐습니다. 이 역시 컴퓨터 공학과에 가서 Numerical Analysis, Parallel Programming 수업을 들으면서 컴퓨팅과 병렬 프로그래밍에 대해 공부함으로써 연구에 도움을 받았습니다.
4. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소를 소개해 주세요.
저는 현재 일리노이 대학교 토목공학과(University of Illinois at Urbana-Champaign, Civil and Environmental Engineering)의 박사과정 학생입니다. 지도교수는 Arif Masud 교수님으로 현재 Structural Engineering 부문의 학장이자, Mechanics 교수님들 중에서는 가장 고참 교수입니다. 제가 속한 연구실에서는 FSI, Free-surface Flow, Composite Material 등 유체와 고체 시뮬레이션 기법에 대해 연구하고 있습니다. 공통적으로는 Multi-physics 문제를 풀 수 있는 안정적인 전산 기법을 개발하는 데에 초점을 맞추고 있습니다. 연구실 구성원들은 한국, 미국, 중국, 인도, 멕시코, 쿠웨이트에서 온 학생들로서 문화적으로 다양한 환경을 이루고 있습니다.
5. 연구활동 하면서 자부심과 보람이 있다면?
토목공학과 내 구조 분야에서 유체를 다루는 사람이 많지 않기 때문에 희소성이 있는 연구를 하고 있다고 생각합니다. 건축/토목 구조 분야의 연구에서 아직 유체가 차지하는 부분이 크지 않지만 앞으로 자연 재해나 기후 변화와 관련하여 연구 기회가 많아질 수 있다고 생각합니다.
일리노이 대학교에 있는 Blue Waters 슈퍼컴퓨터를 사용하고 있는 것도 소중한 경험이라고 생각합니다. 데이터량이 커서 선/후처리나 전송 하는 데에 시간이 걸리는 점은 다소 불편하지만, 랩탑 컴퓨터를 통해서 언제 어디에서나 슈퍼컴퓨터에 접속하여 일을 할 수 있다는 편리한 점도 있습니다. 앞으로 컴퓨터가 점점 발전함에 따라서, 박사과정에서의 이런 경험을 잘 살릴 수 있었으면 좋겠습니다.
Computational Mechanics는 오래된 분야이기도 하지만 현재에도 계속 활발하게 연구되고 발전하고 있는 분야입니다. 수학과 컴퓨터 이론에 닿아 있고, 또 산업적으로 적용 분야가 넓기 때문에 연구과정에서 다양한 논문들을 접해 볼 수 있습니다. 그리고 하나의 시뮬레이션 기법을 개발하면 전혀 다른 분야의 다양한 문제들에 적용할 수 있다는 것도 Computational Mechanics 분야가 가진 매력이자 보람입니다. 앞으로 시뮬레이션에 기반한 엔지니어링이 더욱 보편화될 수 있도록 하는 데에 기여하고 싶습니다.
Fig. 4. 일리노이 대학교 내 Blue Waters 슈퍼컴퓨터 시설 전경
6. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 조언이 있다면?
Computational Mechanics는 전산수학이나 구조역학, 슈퍼컴퓨터(HPC)에 관심이 있는 학생이면 즐겁게 연구할 수 있는 분야입니다. 미분방정식을 수치적으로 푸는 일을 하기 때문에 텐서 연산이나 유한요소법 등에 사전 지식이 있으면 좋습니다. 코딩 측면에서는 C/C++, Fortran 등의 언어를 사용해본 경험이 있으면 좋고, MPI/OpenMP에 대한 지식이 있으면 병렬 컴퓨팅을 이해하는 데에 도움이 됩니다. 앞에서 열거한 항목들에 익숙하지 않더라도 학위과정에서 공부하면 됩니다.
7. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획을 말씀해 주세요.
현재 개발된 FSI 기법에 이류확산(Advection-diffusion) 현상과 다공성 고체(porous media) 해석법을 결합하여, 유체와 고체 내에서 물질의 이동을 시뮬레이션 할 수 있는 기법을 개발하고자 합니다. 그리고 도심지 내 바람에 의한 오염물질 확산, 해양구조물, 혈관에 투약된 약제의 흐름과 흡수, 셰일가스 층 내의 기름 추출 등 다양한 유체 문제에 대해 적용연구를 하는 것이 목표입니다.
8. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?
U.C. San Diego의 Yuri Bazilevs 교수는 Computational Mechanics 분야에서 현재 가장 활발하게 연구활동을 하는 연구자들 중에 한명입니다. FSI와 관련해서는 “Isogeometric fluid-structure interaction: theory, algorithms, and computations” 논문을 보고 공부하는 데에 도움을 받았습니다.
9. 본인의 주요 논문을 소개해 주세요.
논문 및 저서
[1] J. Kwack, S. Kang, G. Bhat, A. Masud, “Time-dependent Outflow Boundary Conditions for Blood Flow in the Arterial System,” Advances in Compuational Fluid-Structure Interaction and Flow Simulation, Springer, 2016.
[2] H. Park, S. Kang*, K. Choi, “Analytical model for shear strength of ordinary and prestressed concrete beams,” Engineering Structures, Vol. 46, Jan. 2013, pp. 94-103. *Corresponding author.
학회 발표
[1] S. Kang, J. Kwack, G. Bhat, A. Masud, “The Outflow Boundary Conditions for Blood Flow in the Arterial System: Application to Patient Specific Models, ” PACAM 2015, May 2015, Champaign, Illinois, US.
[2] S. Kang, J. Hong, S. Lee, “Seismic Behavior of a Medium-Sized Dome Structure,” Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures Symposium 2013, 23-27 Sep. 2013, Wroclaw, Poland.
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