화학 교반기 디지털 트윈을 위한 시뮬레이션 기법 비교 연구: Eulerian 기반 격자법과 Lagrangian 기반 입자법

Comparative Study of Simulation Methods for the Digital Twin of a Chemical Stirrer: Eulerian Grid-Based and Lagrangian Particle-Based Approaches

본 연구는 화학 교반기의 시뮬레이션에서 널리 활용되는 두 수치 기법, 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)과 완화입자유체동역학(SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics)을 동일 조건에서 비교하여 디지털 트윈적용 가능성을 평가하였다. 동일한 형상과 경계 조건에서 수행된 시뮬레이션 결과, 압력장과 속도장 예측치는 두 기법 간 유사한 경향을 보였다. 계산 효율성 측면에서는 GPU 병렬화 기반의 SPH가 자유수면을 포함한 과도 다상유동 해석에서 FVM보다 최대 54배 빠른 계산 속도를 나타냈다. 이러한 결과는 디지털 트윈 구현과 같이 실시간성이 요구되는 응용에서 SPH가 효과적인 대안이 될 수 있음을 시사한다.

This study compares two numerical methods widely used for chemical stirrer simulations—the Finite Volume Method (FVM) and Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)—under identical conditions to evaluate their applicability to digital twin development. The predicted pressure and velocity fields showed close agreement between the two methods. In terms of computational efficiency, the GPU-parallelized SPH achieved up to 54 times faster performance in transient multiphase flow simulations involving free surfaces. These findings indicate that SPH can serve as an effective alternative for real-time digital twin applications where computational speed is a key requirement.