본 연구는 하이브리드 전용 희박 연소(homogeneous lean-burn) 엔진에서 희박 연소 한계(lean combustion limit)를 연장하고, 열효율을 향상시키며, 엔진 배출구(engine-out) 배출물을 저감하기 위한 전략을 탐구하였다. 희박 연소 조건에서는 느린 층류 연소 속도(slow laminar flame speed)가 화염 커널(flame kernel) 형성을 방해하여 연소 불안정성을 유발하고, 공기 과잉비(air excess ratio)의 희박 한계를 제한한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연소 시스템을 개발하여 실린더 내부에서 고강도 유동을 생성함으로써 스파크 플러그 갭(spark plug gap)에서 플라즈마 채널(plasma channel) 확장을 촉진하고, 더 큰 초기 화염 커널의 형성을 가능하게 하였다. 새로 설계된 흡기 포트(intake port)와 피스톤 보울(piston bowl) 형상을 도입하여 텀블(tumble) 유동을 향상시켰으며, 그 결과 스파크 플러그 갭에서의 대류 유동 속도가 유의하게 증가하였다. 이로 인해 초기 연소 과정이 가속되었고, 희박 연소 한계가 효과적으로 확장되었다. 또한 증가한 전기적 저항으로 인해 스파크 채널(spark channel)이 이탈되거나 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해 고에너지 다중 점화(high-energy multiple ignition)를 적용하여 희박 운전에서의 연소 안정성을 추가로 개선하였다. 더불어 혼합기 균질성과 견고성(robustness)을 향상시키기 위해 새로운 분무 패턴(new spray pattern)을 개발함으로써 HC와 NOx 배출을 감소시켰다. 공기 희석을 정밀하게 제어하고, 하이브리드 전기 모터와 결합하여 D-세그먼트 SUV를 구동하는 데 충분한 부스트를 제공하기 위해 전기식 과급기(electric supercharger)를 통합하였다. 이러한 기술들의 시너지로 인해 공기 과잉비 λ=2.0을 초과하는 조건에서도 안정적인 연소가 가능해졌으며, 2000 rpm 및 8.5 bar에서 최고 피크 열효율 45%와 NOx 배출량 0.3 g/kWh 미만을 달성하였다. 본 연구는 각 기술이 연소 특성에 미치는 영향을 보여주며, 상당한 탄소 감축을 동반하면서도 엄격한 향후 배출 규제에 대응할 수 있는 실행 가능한 해법으로서 희박 연소 엔진의 잠재력을 강조한다.

오일러리안 인터페이스 포착 방법과 라그랑지안 점 입자 방법을 결합함으로써, 서브그리드 스케일 모세관 파열(capillary breakup) 모델을 개발하였다. 완전히 해상된 스케일에서는 상 계면의 진화를 Refined Level Set Grid 방법(RLSG)으로 포착하는 한편, 해상되지 않은 저해상·소규모 액체 구조는 라그랑지안 점 입자로 표현하였다. 레벨셋 방법과 라그랑지안 접근법을 결합하기 위해, 해상되지 않은 구조를 식별하고 그 형상 지표(shape metric)를 계산하는 수치 알고리즘을 개발하였다. 이어서 모세관 불안정성 이론을 적용하여, 라그랑지안 입자(drop)로 대체하는 데 필요한 파열 후 액적들의 크기와 개수를 예측하였다. 라그랑지안 액적의 2차 분무(secondary atomization)는 확률적 파열(stochastic breakup) 모델로 모사하였다. 본 모델의 타당성을 검증하기 위해, 단일 액체 필라멘트와 구형 액체 동축 제트(round liquid coaxial jet)의 파열에 대해 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 분무(spray)의 액적 크기 분포에 대한 격자 수렴성(grid-convergence) 연구를 수행하고 실험 데이터와 비교하였다. 수치 결과는 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다. 본 서브그리드 스케일 모세관 파열 모델은 다중 스케일 분무 시뮬레이션에 요구되는 엄격한 격자 해상도를 완화함으로써 계산 비용을 감소시킨다.

익형 형상(modification) 변경에 관한 많은 연구에도 불구하고, 대부분의 연구는 주로 난류 파동(turbulent wave) 발달과 개질 익형의 공력 특성에 초점을 맞추고 있다. 또한 터빈 입구에서의 hot-streak 조건과 고정익(stator) 베인의 개질된 프로파일이 가스터빈 성능에 미치는 복합적 영향을 고려한 연구는 드물다. 따라서 본 연구는 고압 가스터빈의 열전달 특성과 성능에 대해, 제1 고정익 베인에서의 다양한 후연(TE, trailing-edge) 프로파일 수정이 미치는 영향을 상세한 수치해석으로 규명하였다. 총 네 가지 경우를 조사하였는데, 기준 사례로서의 전형적인 TE(수정 없음)와 파장 수(wavelength number)에 기반한 세 가지 수정 사례(TE-2, TE-4, TE-8)였다. 1.5단 GE-E3 가스터빈 모델을 통한 복잡한 유동장 해석을 위해, [Formula: see text] SST γ θ 모델과 연계된 레이놀즈 평균 나비에–스토크스 방정식(Reynolds-averaged Navier–Stokes equations)을 사용하였다. 수정된 경우들은 후연 프로파일이 통로(passage) 와류 및 2차 유동의 생성에 미치는 영향으로 인해, 블레이드/베인 표면의 열전달 및 공력 특성을 최대 약 1–2%까지 뚜렷하게 증가시켰다. 이는 특히 허브(hub)와 슈라우드(shroud) 영역에서 열적·기계적 응력을 증가시켜, 블레이드/베인 부품의 피로 수명을 감소시킬 수 있다. 또한 제1 고정익의 후연 프로파일이 팁 누설 흐름에 미치는 영향 하에서 TE-2 경우는 전체 효율이 약 0.15% 정도 소폭 증가하였다. 반면 다른 수정들의 효율은 기준 사례와 비교하여 감소하였다.

혁신적인 튜브-열차 시스템으로 제안된 하이퍼루프는 수많은 교통상의 이점을 제공하지만, 튜브의 설계 및 포드(pod)의 위치로부터 기인하는 내재적 비대칭성을 보인다. 이러한 비대칭성은 포드에 작용하는 힘의 불균형을 초래하며, 이상화된 튜브–포드 배열을 가정하는 연구들에서 종종 간과된다. 본 연구는 하이퍼루프 공력에 대한 포드 편심(pod eccentricity)의 영향을 수치적으로 분석하고, 특히 포드 마하수(Mp)와 편심비(ER)에 초점을 맞춘다. 본 연구는 등엔트로피 및 퍼텐셜 흐름 조건 하에서 해석 모델을 활용하여, ER과 관련된 항력 및 횡방향 힘 계수와 같은 공력 특성을 이론적으로 처음으로 예측한다. 또한 실제적인 튜브–포드 배열의 공력 특성도 함께 탐구하여, 포드 노즈와 테일 주변의 국소 단면적이 공기 흐름 역학에 미치는 영향을 규명한다. 국소적으로 단면적이 작은 영역에서는 ER의 증가가 더 높은 유동 마하수와 낮아진 압력과 상관관계를 보인다. 반대로 국소적으로 단면적이 큰 영역에서는 유동량에 대한 ER의 영향이 미미하다. 본 연구는 공력 항력이 ER에 의해 대체로 영향을 받지 않는 반면, ER과 Mp의 변화는 튜브 벽에 가장 가까운 방향에서의 횡방향 힘에 유의미한 영향을 준다는 점을 확인하였다. 또한 포드 뒤쪽의 사선 충격파(OSW) 길이는 ER이 증가함에 따라 감소하나, 선행 충격파(LSW)에 대해서는 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 실제적인 튜브–포드 배열의 경우, 항력 계수의 경향은 이상화된 설정에서와 유사하게 나타난다. 튜브 벽에 가장 가까운 방향에서의 횡방향 힘 계수는 포드 마하수 0.288에서 관찰되며, 횡방향 힘 계수는 포드 마하수 0.576부터 유사한 양상의 패턴이 나타난다. 이러한 결과는 하이퍼루프 시스템의 공력 및 공기열역학(aerothermodynamic)적 특성에 대한 핵심적인 통찰을 제공하며, 향후 설계 개선을 위한 잠재적 지침이 될 수 있다.

본 연구는 하이브리드 전용 희박 연소(homogeneous lean-burn) 엔진에서 희박 연소 한계(lean combustion limit)를 연장하고, 열효율을 향상시키며, 엔진 배출구(engine-out) 배출물을 저감하기 위한 전략을 탐구하였다. 희박 연소 조건에서는 느린 층류 연소 속도(slow laminar flame speed)가 화염 커널(flame kernel) 형성을 방해하여 연소 불안정성을 유발하고, 공기 과잉비(air excess ratio)의 희박 한계를 제한한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연소 시스템을 개발하여 실린더 내부에서 고강도 유동을 생성함으로써 스파크 플러그 갭(spark plug gap)에서 플라즈마 채널(plasma channel) 확장을 촉진하고, 더 큰 초기 화염 커널의 형성을 가능하게 하였다. 새로 설계된 흡기 포트(intake port)와 피스톤 보울(piston bowl) 형상을 도입하여 텀블(tumble) 유동을 향상시켰으며, 그 결과 스파크 플러그 갭에서의 대류 유동 속도가 유의하게 증가하였다. 이로 인해 초기 연소 과정이 가속되었고, 희박 연소 한계가 효과적으로 확장되었다. 또한 증가한 전기적 저항으로 인해 스파크 채널(spark channel)이 이탈되거나 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해 고에너지 다중 점화(high-energy multiple ignition)를 적용하여 희박 운전에서의 연소 안정성을 추가로 개선하였다. 더불어 혼합기 균질성과 견고성(robustness)을 향상시키기 위해 새로운 분무 패턴(new spray pattern)을 개발함으로써 HC와 NOx 배출을 감소시켰다. 공기 희석을 정밀하게 제어하고, 하이브리드 전기 모터와 결합하여 D-세그먼트 SUV를 구동하는 데 충분한 부스트를 제공하기 위해 전기식 과급기(electric supercharger)를 통합하였다. 이러한 기술들의 시너지로 인해 공기 과잉비 λ=2.0을 초과하는 조건에서도 안정적인 연소가 가능해졌으며, 2000 rpm 및 8.5 bar에서 최고 피크 열효율 45%와 NOx 배출량 0.3 g/kWh 미만을 달성하였다. 본 연구는 각 기술이 연소 특성에 미치는 영향을 보여주며, 상당한 탄소 감축을 동반하면서도 엄격한 향후 배출 규제에 대응할 수 있는 실행 가능한 해법으로서 희박 연소 엔진의 잠재력을 강조한다.