난류 및 유동 제어 연구실(Turbulence and Flow Control Laboratory)은 고 레이놀즈수 벽 난류 유동의 근본적인 물리 현상과 응집 구조의 동역학을 심층적으로 연구하는 국내 최고 수준의 연구실입니다. 난류는 환경 및 공학 유동에서 매우 흔히 발생하며, 에너지, 운동량, 열, 물질의 전달을 촉진하는 동시에 벽면에서 큰 전단 응력을 유발합니다. 이러한 난류의 복잡하고 다중 스케일적인 특성은 오랜 기간 학계와 산업계 모두에서 도전적인 연구 주제로 남아 있습니다.
본 연구실은 직접수치해석(DNS)과 대규모 병렬 컴퓨팅, 그리고 최신 인공지능 기법을 활용하여, 난류 경계층, 채널, 파이프 유동 등 다양한 유동 환경에서의 응집 구조(coherent structures)와 에너지 케스케이드 현상을 정밀하게 분석합니다. 특히, 벽면에 부착된 구조, 대규모 스트릭, 와류 구조 등 난류 내 주요 구조들의 공간적·시간적 조직화와 이들의 상호작용이 난류의 유지 및 발달에 미치는 영향을 규명하고 있습니다. 또한, 압력 구배, 표면 거칠기, 초소수성 표면 등 다양한 경계 조건 변화가 난류 구조와 에너지 전달에 미치는 영향도 심도 있게 연구합니다.
이와 더불어, 본 연구실은 난류 유동 제어 및 벽면 마찰 저감 기술 개발에도 앞장서고 있습니다. 응집 구조의 동적 특성을 활용한 능동적·수동적 유동 제어 기법, 초소수성 표면, 대와류 분해 장치, 표면 거칠기 조절 등 다양한 제어 전략을 실험 및 수치해석을 통해 검증하고, 인공지능 기반의 예측·제어 시스템도 도입하여 실시간 최적 제어 가능성을 모색하고 있습니다. 이러한 연구는 항공, 해양, 에너지, 환경 등 다양한 산업 분야에서의 에너지 효율 향상과 환경 영향 저감에 실질적으로 기여할 수 있습니다.
또한, 본 연구실은 생체 및 에너지 시스템 내 유동 현상 해석에도 적극적으로 참여하고 있습니다. 혈관 내 협착 및 동맥류, 장기 칩 내 미세 유체 환경, 액체수소 저장탱크 및 연료탱크 내 슬로싱 현상, 금속 분말 제조 공정 등 다양한 응용 분야에서 유동 해석 및 최적화 연구를 수행하며, 실제 산업 및 의료 현장과의 협력을 통해 연구 결과의 실용적 적용을 확대하고 있습니다.
이러한 융합적이고 선도적인 연구를 통해, 난류 및 유동 제어 연구실은 기계공학의 전통적 영역을 넘어 바이오, 에너지, 소재 등 다양한 분야와의 학제간 협력을 촉진하며, 미래형 첨단 시스템 개발에 중요한 역할을 하고 있습니다. 앞으로도 난류의 근본적 이해와 혁신적 유동 제어 기술 개발을 통해, 학문적·산업적 발전에 지속적으로 기여할 것입니다.
고 레이놀즈수 벽 난류 유동은 다양한 공학 및 자연 현상에서 핵심적인 역할을 하며, 그 복잡성과 다중 스케일 특성으로 인해 오랜 기간 난제로 남아 있습니다. 본 연구실은 특히 고 레이놀즈수 조건에서 나타나는 난류의 응집 구조(coherent structures)와 에너지 케스케이드 현상에 주목하여, 난류의 근본적인 물리적 메커니즘을 규명하고자 합니다. 이를 위해 직접수치해석(DNS) 및 대규모 병렬 컴퓨팅을 활용하여, 난류 경계층, 채널, 파이프 유동 등 다양한 유동 환경에서의 응집 구조의 공간적·시간적 조직화 양상을 정밀하게 분석합니다.
응집 구조는 난류 내에서 에너지와 운동량의 전달을 주도하는 핵심 요소로, 이들의 상호작용과 스케일 간 에너지 전달 메커니즘을 이해하는 것이 난류 예측 및 제어의 핵심입니다. 본 연구실에서는 벽면에 부착된 구조(wall-attached structures), 대규모 스트릭(large-scale streak), 와류 구조(vortical structures) 등 다양한 형태의 응집 구조를 식별하고, 이들이 난류의 유지 및 발달에 미치는 영향을 체계적으로 규명합니다. 또한, 압력 구배, 표면 거칠기, 초소수성 표면 등 다양한 경계 조건 변화가 응집 구조와 에너지 케스케이드에 미치는 영향도 심도 있게 연구합니다.
이러한 연구는 난류의 스케일-의존적 거동과 에너지 전달 경로를 명확히 밝힘으로써, 기존의 경험적 모델을 넘어선 물리 기반 난류 예측 및 제어 기법 개발에 기여합니다. 궁극적으로는 항공, 해양, 에너지, 환경 등 다양한 산업 분야에서의 유동 최적화 및 에너지 효율 향상, 환경 영향 저감 등 실질적 응용으로 이어질 수 있습니다.
난류 유동 제어 및 마찰 저감 기술
난류 유동에서 발생하는 벽면 마찰 저감 및 유동 제어는 에너지 절감과 시스템 효율 향상을 위해 매우 중요한 연구 주제입니다. 본 연구실은 응집 구조의 동적 특성을 활용한 능동적·수동적 유동 제어 기법을 개발하고, 이를 통해 벽면 마찰 저감 및 유동 소음 감소, 열전달 제어 등 다양한 공학적 문제 해결에 도전하고 있습니다. 대표적으로, 초소수성 표면(superhydrophobic surface), 대와류 분해 장치(LEBU), 표면 거칠기 조절 등 다양한 제어 기법의 효과를 직접수치해석과 실험을 통해 정량적으로 평가합니다.
특히, 벽면에 부착된 응집 구조와 대규모 구조의 상호작용을 조절함으로써, 난류 내 에너지 전달 경로를 변화시키고, 이를 통해 마찰 저감 효과를 극대화하는 전략을 제시합니다. 또한, 최근에는 인공지능 및 머신러닝 기반의 유동 예측·제어 기법도 도입하여, 복잡한 난류 유동장 내에서 최적의 제어 조건을 탐색하고, 실시간 제어 시스템 구현 가능성을 모색하고 있습니다.
이러한 연구는 항공기, 선박, 파이프라인, 열교환기 등 다양한 산업 시스템에서의 에너지 소비 절감과 성능 향상에 직접적으로 기여할 수 있습니다. 더불어, 유동 소음 저감, 환경 영향 최소화 등 사회적 요구에 부응하는 첨단 유동 제어 기술의 기반을 마련하고 있습니다.
생체 및 에너지 시스템 내 유동 현상 해석
본 연구실은 전통적인 기계공학 유동 문제뿐만 아니라, 생체 및 에너지 시스템 내에서 발생하는 복잡 유동 현상에 대한 해석 연구도 활발히 수행하고 있습니다. 예를 들어, 혈관 내 협착 및 동맥류와 같은 생체 유동 문제에서 난류 천이, 벽면 전단 응력, 와류 구조의 역할을 직접수치해석을 통해 규명하고, 환자 맞춤형 치료법 개발에 기여하고 있습니다. 또한, 장기 칩(organ-on-a-chip) 내 미세 유체 환경 해석, 액체수소 저장탱크 및 연료탱크 내 슬로싱 현상, 금속 분말 제조 공정 등 다양한 응용 분야에서 유동 해석 및 최적화 연구를 진행합니다.
이러한 연구는 실제 시스템의 복잡한 경계 조건과 다상 유동, 열전달, 화학 반응 등 다양한 물리 현상을 통합적으로 고려하여, 실질적인 공학적 문제 해결에 초점을 맞추고 있습니다. 특히, 수치해석과 실험을 병행하여 모델의 신뢰성을 높이고, 산업체 및 의료 현장과의 협력을 통해 연구 결과의 실용적 적용을 확대하고 있습니다.
이와 같은 융합 연구는 기계공학의 전통적 영역을 넘어, 바이오, 에너지, 소재 등 다양한 분야와의 학제간 협력을 촉진하며, 미래형 첨단 시스템 개발에 중요한 역할을 하고 있습니다.
