Kyoungsik Chang1, George Constantinescu2 1울산대학교 기계공학부, 울산, 대한민국 2IIHR–Hydroscience and Engineering 및 토목·환경공학과, 아이오와대학교, 아이오와주, 미국 3차원 수치 시뮬레이션을 이용하여, 장시간 경사면을 따라 전파되며 작은 각도로 자유수면에 도달하는 평면(planar), 부시네스크(Boussinesq) 조성(compositional) 중력류의 형성, 진화 및 퇴적물 침투(entrainment) 능력을 조사하였다. 중력류의 발생은 자유수면 총 열유속(total heat flux)의 일주기적(periodic) 변동과 연관된 표면 냉각에 의해 구동된다. 자유수면을 따라 생성되는 더 차가운 유체의 열대류 플룸(thermal convective plumes)은 전파 초기 단계에서 중력류에 대한 부력의 원천으로 작용한다. 사인(sinusoidal) 열유속의 크기와 바닥 경사의 서로 다른 조건에서 수행한 시뮬레이션 결과, 중력류 헤드(head)는 0.25–0.4T 이후에 형성되는 것으로 나타났으며(여기서 T는 진동하는 열유속의 주기이고, 시간 간격은 열유속이 음(negative)이 되는 시점부터 측정된다), 중력류의 총 부력이 최대에 도달하는 시간 간격은 바닥 경사가 낮고 열유속 크기가 낮은 경우에서 가장 크다. 모든 경우에서 중력류는 0.5–0.7T 이후에 전면(front) 속도가 거의 일정해지는 상태에 도달한다. 바닥 전단응력(bed shear stress) 분포를 분석한 결과, 최대 바닥 전단응력은 일반적으로 중력류 헤드 아래에서 발생하지 않았으며, 경사 바닥면에서 침투되는 퇴적물의 총 유속(total flux)에 가장 크게 기여하는 것은 꼬리(tail) 하류부의 침투였다. 중력류 내부의 빠른 유체 외에도, 열대류 플룸과 경사면의 상호작용은 에너지 있는 와류성 소용돌이 와류(energetic vortical eddies) 및 순환(circulatory) 운동을 생성하여 바닥 전단응력의 증폭에 추가로 기여한다. 중력류의 퇴적물 침투 능력은 중력류가 거의 일정한 전면 속도 영역으로 진입한 뒤 0.25–0.3T에서 최대가 된다. 바닥에서 침투되는 퇴적물 유속은 바닥 경사와 열유속 크기 모두에 따라 증가하지만, 열유속 크기를 변화시킬 때 증가율은 훨씬 더 크게 나타났다.

Kyoungsik Chang1, George Constantinescu2 1울산대학교 기계공학부, 울산, 대한민국 2IIHR–Hydroscience and Engineering 및 토목·환경공학과, 아이오와대학교, 아이오와주, 미국 3차원 수치 시뮬레이션을 이용하여, 장시간 경사면을 따라 전파되며 작은 각도로 자유수면에 도달하는 평면(planar), 부시네스크(Boussinesq) 조성(compositional) 중력류의 형성, 진화 및 퇴적물 침투(entrainment) 능력을 조사하였다. 중력류의 발생은 자유수면 총 열유속(total heat flux)의 일주기적(periodic) 변동과 연관된 표면 냉각에 의해 구동된다. 자유수면을 따라 생성되는 더 차가운 유체의 열대류 플룸(thermal convective plumes)은 전파 초기 단계에서 중력류에 대한 부력의 원천으로 작용한다. 사인(sinusoidal) 열유속의 크기와 바닥 경사의 서로 다른 조건에서 수행한 시뮬레이션 결과, 중력류 헤드(head)는 0.25–0.4T 이후에 형성되는 것으로 나타났으며(여기서 T는 진동하는 열유속의 주기이고, 시간 간격은 열유속이 음(negative)이 되는 시점부터 측정된다), 중력류의 총 부력이 최대에 도달하는 시간 간격은 바닥 경사가 낮고 열유속 크기가 낮은 경우에서 가장 크다. 모든 경우에서 중력류는 0.5–0.7T 이후에 전면(front) 속도가 거의 일정해지는 상태에 도달한다. 바닥 전단응력(bed shear stress) 분포를 분석한 결과, 최대 바닥 전단응력은 일반적으로 중력류 헤드 아래에서 발생하지 않았으며, 경사 바닥면에서 침투되는 퇴적물의 총 유속(total flux)에 가장 크게 기여하는 것은 꼬리(tail) 하류부의 침투였다. 중력류 내부의 빠른 유체 외에도, 열대류 플룸과 경사면의 상호작용은 에너지 있는 와류성 소용돌이 와류(energetic vortical eddies) 및 순환(circulatory) 운동을 생성하여 바닥 전단응력의 증폭에 추가로 기여한다. 중력류의 퇴적물 침투 능력은 중력류가 거의 일정한 전면 속도 영역으로 진입한 뒤 0.25–0.3T에서 최대가 된다. 바닥에서 침투되는 퇴적물 유속은 바닥 경사와 열유속 크기 모두에 따라 증가하지만, 열유속 크기를 변화시킬 때 증가율은 훨씬 더 크게 나타났다.

최근 지구 온난화의 가속화와 함께 탄소중요도의 중요성이 강조되고 있다. 이에 대응하여 탄소중립을 달성하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있으며, Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS)가 대표적인 예로 거론된다. 본 연구는 탄소 포집 기술 중 하나인 HAK-CRS를 활용하여 포집된 탄소를 환경적으로 배출하기 위한 주입 기술에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 상용 소프트웨어인 ANSYS Fluent를 사용하여 물 제트와 CaCO₃ 입자 사이의 분산 다상 유동을 이해하기 위한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 분석은 서로 다른 유량으로 CaCO₃를 주입할 때 나타나는 입자 거동의 차이에 초점을 맞추었다. CaCO₃의 질량유량이 증가할수록 제트의 유동을 벗어나 빠르게 낙하하는 경향이 관찰되었으며, 이는 중력의 영향이 크게 작용한 결과로 판단된다. 이러한 결과는 CaCO₃ 입자가 넓게 분산되기 위해서는 유량이 과도하게 높아서는 안 됨을 시사한다. 또한 CaCO₃의 높은 밀도로 인해 해양 생태계에 악영향을 미칠 가능성이 있으므로, 주입 기술에 대한 연구도 함께 수행되어야 한다.

유동 채널의 형상은 고온 고체산화물 전기분해 셀(solid oxide electrolysis cells, SOECs)에서 가스 분포, 온도 균일성, 전기화학적 효율에 강한 영향을 미친다. 그러나 유동 채널 형상을 수정했을 때 이러한 성능 지표에 미치는 영향은 충분히 조사되지 않았다. 본 연구는 핀형(pin-type) 유동 채널을 갖는 SOEC의 성능을 서로 다른 유동 채널 형상—사각형, 원형, 삼각형, 그리고 챔퍼 처리된(chamfered) 형상—에 대해 평가한다. 열 및 물질전달을 위한 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 시뮬레이션, 정해진 전류밀도에서의 전압 요구를 평가하기 위한 전기화학 모델, 가역적 물-가스 전환 반응(reversible water-gas shift reaction)의 반응속도론을 위한 화학 모델을 결합한 3차원(3D) 다물리(멀티피직스) 모델을 개발하였다. 그 결과, 챔퍼 처리된 유동 채널이 가스 전환율 향상과 더 균일한 온도 분포를 동반하여 우수한 전기화학적 성능을 제공함이 확인되었다. 특히 전류밀도 10,000 A/m²에서 챔퍼 처리된 채널은 핀형 채널에 비해 전압 요구를 15.08% 감소시켰고, 합성가스(syngas) 1몰당 에너지 소비량을 21% 감소시켰다. 또한 수정된 채널에서는 물-가스 전환 반응 속도가 향상되었다. 이러한 결과는 유동 채널 형상을 최적화함으로써 SOEC 성능을 향상시킬 수 있으며, 실용적인 설계 개선을 위한 지침을 제공할 수 있음을 시사한다. • 다양한 채널에 대해 SOEC 성능을 평가하기 위한 3D 다물리 모델을 개발하였다. • 챔퍼 처리된 채널은 효율을 향상시키고 온도 분포를 균일하게 하였다. • 챔퍼 처리된 채널은 10,000 A/m²에서 전압 요구를 15.08% 감소시켰다. • 수정된 채널은 가역적 물-가스 전환 반응 속도와 가스 전환을 증가시켰다.

수중 운동체는 국방의 목적뿐만 아니라, 해저 탐사 등의 목적으로도 사용되고 있는 다목적 운동체이다. 본 연구에서는 수동적인 항력 감소 효과가 있다고 알려진 V자형 미세 구조를, SUBOFF 모델에 유선 방향으로 적용했을 때 어떠한 항력 효과가 있는지 확인해 보고자 한다. 기존의 미세 구조를 적용하지 않은 매끄러운 표면의 SUBOFF 모델과 총 여섯 가지 경우의 마이크로미터 크기 미세 구조(h = 50, 100, 200, 250, 400, 500 μm), 총 일곱 가지의 모델에 대하여 전산 해석을 진행했다. 결과적으로 h가 100 μm인 경우에서는 총 항력이 약 3% 감소했지만, 항력 효과 임계점을 지난 h가 500 μm인 경우에서는 총 항력이 약 3% 증가했다. 본 연구를 통해, 수중 운동체에 V자형 미세구조를 적용할 때 유동 특성 및 미세구조의 크기 등을 종합적으로 고려한 설계가 필요하다는 관점을 제시한다.

본 연구에서는 스펙트럴 요소 방법에 기반한 Nek5000에서 IDDES 모델의 적용 가능성을 제시한다. LES 모드에 대해 요소의 길이와 다항식 차수를 고려하여 정의된 필터 폭을 Nek5000에 구현하였다.