제안드릴 연구는 다음과 같이 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 1차년도: 아임계, 천이임계, 초임계 유체에 대한 통합 열역학 모델 정립 2차년도: 난류유동에서 초임계 천이현상을 모사하기 위한 수치해석기법 개발 3차년도: 초임계 연료의 분사과정에 대한 고정밀도 수치해석의 적용 및 검증 1. 통합 열역학 모델 정립 먼저 본격적인 연구를 시작하기에 앞서 천이임계, 초임계 영역에 대한 실험자료와 이를 설명하는 열역학 이론을 정리하여 분석하는 일을 할 것이다. 초임계유체에 대한 열역학적인 연구는 논란과 쟁점이 많은 분야이다. 기존의 이론과 모델들을 정리하여 각각의 모델의 가능성과 한계에 대해서 고찰을 할 것이다. 이를 바탕으로 다성분 2상유체에 대한 범용적인 열역학 평형 모델을 구축할 것이다. 아임계영역에서는 엔트로피 최대법칙을 기반으로 하여 상 안정성을 결정하고, 이로부터 다양한 flash 계산을 통해 실제 유체의 열역학적인 상태를 구할 계획이다. 천이영역에서는 diffuse interface 이론을 바탕으로 엔트로피 법칙을 활용하여 pseudo-boiling line을 예측하고 상전이 현상을 기술할 것이다. 2. 난류유동을 위한 2상 실제유체 수치해석기법 개발 2차년도에서는 1차년도의 열역학적 평행모델을 기반으로 하여 난류유동에서 초임계 유체를 모사할 수 있는 수치해석 기법을 연구할 것이다. 아임계와 천이임계의 상경계면은 high-resolution Volume-of-Fluid 방법을 유한한 두께를 가지는 경계면을 포착할 수 있도록 확장시킬 예정이며, 엔트로피 기반의 열역학 모델과 일관될 수 있도록 entropy-stable scheme을 2상유체에 대해 새로 개발할 것이다. Entropy-stable scheme은 수치차분법이 엔트로피 법칙을 만족시킨다면, 수치적 안정성을 보장할 수 있다는 이론에서 출발한 방법으로, 인공적인 수치소산항을 최소화할 수 있기 때문에 난류유동에 가장 적합한 모델 중의 하나이다. 본 연구에서는 2상유체 엔트로피 모델을 활용하여 안정적으로 난류유동을 모사할 수 있는 새로운 two-phase Large Eddy Simulation (LES) 방법을 제안할 것이다. 3. 고정밀도 수치해석의 적용 및 검증 3차년도에서는 먼저 계산시간을 최대한 단축시키기 위해 Voronoi 격자시스템을 기반으로 하는 병렬 수치코드에 대한 GPU 최적화 작업이 수행될 예정이다. 이를 위해 고성능 GPU 클러스터 (GPU 8개)가 필요하다. 코드가 완성이 되면 이를 사용해 실제 초임계 천이가 일어나는 연료 분사에 대한 고정밀 수치해석을 실시할 계획이다. 수치해석의 결과를 실제 실험측정치와 (ECN 실험 결과 활용) 비교, 분석하여 개발된 모델의 성능을 검증하도록 하겠다. 또한 마지막으로 실제 로켓엔진에서 쓰이는 분사기에 대한 수치해석을 수행하여, 로켓 엔진의 설계에 본 연구에서 제안한 수치해석툴이 활용될 가능성에 대해서 고찰을 해보도록 하겠다.