In this dissertation, a new density correction method of smoothed particle hydrodynamics (SPH) is proposed to obtain reliable fluid pressure. Additionally, a new coupling method for the fluid-structure interaction (FSI) analysis is proposed using the smoothed particle hydrodynamics (SPH) and the finite element method (FEM). First, numerical methods to resolve unphysical density and pressure oscillations are suggested in which the unphysical density oscillations are mainly induced by particle inconsistency. Especially, the density dissipation problem that induces fluid pressure errors is effectively resolved. Second, numerical methods for the FSI analysis are proposed to evaluate the structural responses of elastic structures interacting fluids. To do so, a new coupling method for the FSI analysis is developed using the SPH and the FEM. Through the proposed method, the hydrodynamic loads acting on the elastic structures are exactly evaluated and the fluid flow characteristics induced by the dynamic response of the structure can be analyzed. Furthermore, the computational inefficiency in the simulations is effectively reduced by the proposed method. The proposed methods are applied to various engineering problems such as hydrostatic flow, sloshing flow, dynamics of the floating structure, and so on. Furthermore, the proposed method is demonstrated by comparison with experimental and theoretical results in various numerical examples.
본 연구에서는 무요소 수치해석 기법 중의 하나인 완화 입자 유체동역학에서 정확한 유체 압력 추정을 위한 밀도 보정 방법 및 유체-구조 상호작용 해석을 위한 유한요소법과 완화 입자 유체동역학의 연동 방법에 대한 수치해석 기법 개발에 관해 다루었다. 이를 위해 첫 번째로 완화 입자 유체동역학에서 발생하는 근원적인 문제인 비일관성으로 인해 발생하는 밀도 및 압력 오차를 감소시키는 방법을 제안하였다. 특히 기존의 밀도 보정 방법들에서 나타나는 밀도 소산 문제로 인한 압력 추정 오차를 확연히 감소시켰다. 두 번째로, 유체의 영향을 받는 탄성 구조물의 동적 거동 및 변형을 해석하기 위한 유체-구조 상호작용 수치해석 기법을 제안하였다. 이를 위해 완화 입자 유체동역학과 유한요소법을 연동시키는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 통해 탄성 구조물에 작용하는 유체의 하중을 정확하게 계산할 수 있으며, 탄성 구조물의 동적 응답에 따른 유동 특성을 해석할 수 있다. 또한 기존의 연동 방법들에서 나타나는 불필요한 연산 시간을 대폭 감소시킬 수 있다. 본 연구에서 제안된 수치해석 기법들은 유체 정역학, 슬로싱 유동, 부유체 운동 등 다양한 문제들에 적용되었고 실험 및 이론값과의 비교를 통해 개발된 수치기법의 성능을 검증하였다.
