파이썬으로 수행하는 공정시뮬레이션 기법 I

소개글

시뮬레이션의 중요도는 누구나 인식하고 있고, 또한 누구나 최적의 시뮬레이션을 활용하기 원하고 있다. 다만, 원하는 종류의 시뮬레이션을 수행할 수 있는 패키지를 찾기도 어렵고, 찾더라도 제대로 구동하기도 어려울 뿐만 아니라, 틀에 박힌 정형적인 시뮬레이션을 수행해야 하므로 운용의 자유도가 높지 않다는 단점이 있다. 물론 개인이 시뮬레이션 자체를 구성하고 통합하는 일은 갑절의 노력이 드는 일이지만, 필요한 사항을 자기의 입맛대로 하나씩 추가하며 진행할 수 있다는 점은 매우 중요한 의미가 있다. 예를 들어, 화학 공정을 운용함에 있어 반응기의 온도를 높여야 할까 낮춰야 할까를 판단한다고 가정하여 보자. 그렇다면, 온도 변화에 따라 나타나는 각종 변화를 예측하여 반영하여야 하나, 문제는 온도 변화에 따라 나타나는 현상이 한 두가지가 아니라는 점이다. 반응물 및 생성물의 물질전달 속도, 열전달 속도, 반응속도, 반응기내 온도 변화도, 열교환기 성능, 증기압의 변화, 유속의 변화, 펌프의 부하 등등 변화를 가져오는 현상들이 매우 다양하기에, 하나의 개인이 이 모든 현상을 고려하여 최종 판단을 내리기도 쉽지 않고, 상용으로 판매하는 패키지를 이용하기도 쉽지 않은 일이다. 각각의 현상들을 독립적으로 해석하고자 하여 상용 패키지를 활용하는 데에도 한계가 있기 때문에, 실제 공정에서 변수 하나를 바꾸는 일조차 쉬운 일이 아닐 수 있다. 대개는 가장 영향이 클 법한 것을 선택적으로 계산하여 실공정에 활용하기도 하나, 실제로 그 영향의 크기를 판단하는 자체부터 여간 어려운게 아니기 때문에, 주로 경험 많은 엔지니어의 노하우로 판단하는 경우가 많게 된다. 그렇다면 실제 활용이 가능할 수준의 시뮬레이션을 하기 위해서는 무엇을 어떻게 하여야 할까? 무엇부터 시작을 하고 무엇까지 해야 하는 것일까? 이제 이것에 대한 고민을 같이 해 보도록 하자.

목차

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본문내용

공학계산을 필요로 하는 다양한 종류의 공정 시뮬레이션은 그 목적을 두 가지 정도로 나누어 볼 수 있다. 1) 실험 결과 등을 수식화하여 일반화를 진행한 후, 임의의 입력값에 대해 손쉽게 외삽 및 내삽을 이용하여 결과값에 얻고자 하는 경우가 있을 수 있고, 2) 결과값에 영향을 주는 다양한 인자의 가중치를 판단하거나 그 변수 자체의 응답 특성을 관찰하여 가감의 판단을 하기 위한 경우가 있을 수도 있다. 하나의 식을 구한다거나, 하나의 식 안에 사용되는 변수를 조절함에 따라 얻어지는 결과값을 구한다거나 하는 경우에는 응답에 대한 함수식을 보거나 데이터 포인트의 경향을 보면서 직관적으로 비교적 손쉽게 결과값의 변동성을 예측할 수 있겠으나, 변수가 관여하는 함수가 서로 복잡하게 얽혀 있거나, 미적분의 함수로 상관관계가 설정되어 있는 경우에는, 하나의 변수의 수치가 변경됨에 따라 최종적으로 얻어지는 결과값의 변화를 직관적으로 예측하기가 매우 어렵게 된다. 더욱이 이런 예측의 어려움을 해결하기 위해 많은 변수를 각각의 변인 통제가 잘 된 시스템을 구성하여 실험적으로 결과값의 추이를 얻어낸다는 것도 경우에 따라서는 거의 불가능에 가까울 수도 있다. 많은 종류의 패키지 프로그램이 그러하듯이 복잡한 식들을 동시에 풀어내고 최종 결과값을 도출해 내는 패키지 프로그램은 그 활용도가 높은 편이긴 하나

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