연소 모델링 및 고정밀 반응 유동 시뮬레이션은 본 연구실의 핵심 연구 분야 중 하나로, 실제 엔진 내부에서 발생하는 복잡한 연소 현상을 수치적으로 재현하고 예측하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 다양한 연소 모델과 전산유체역학(CFD) 기법이 개발되고 있으며, 복잡한 기하학적 구조와 상세한 화학 반응 및 유동 역학을 동시에 고려할 수 있는 고성능 병렬 계산 코드를 구축하고 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 가스터빈, 로켓 엔진 등 실제 산업 현장에서 사용되는 연소 시스템의 설계와 최적화에 직접적으로 활용됩니다. 특히, 본 연구실은 연소 불안정성, 난류 화염 속도, 연료와 산화제의 혼합, 액적 분해 등 다양한 연소 현상에 대한 모델 개발에 주력하고 있습니다. 예를 들어, 화염 전달 함수(flame transfer function) 모델링을 통해 연소 불안정성을 예측하고, 고정밀 시뮬레이션을 통해 실제 엔진 내에서의 연소 과정을 정밀하게 분석합니다. 또한, 스프레이 연소와 같은 다상 유동 문제에 대해서도 원자화, 기화, 연소 과정을 1차 원리에서부터 해석할 수 있는 솔버를 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 청정하고 안정적이며 효율적인 연소 시스템의 설계에 중요한 기여를 하며, 미래의 친환경 에너지 시스템 개발에도 필수적인 역할을 합니다. 실제로, 본 연구실에서 개발한 시뮬레이션 코드는 산업계와 학계에서 널리 활용되고 있으며, 다양한 국제 공동 연구 및 산학 협력 프로젝트를 통해 그 우수성이 입증되고 있습니다.

고성능 컴퓨팅(HPC)을 활용한 난류 연소 시뮬레이션은 본 연구실의 또 다른 핵심 연구 분야입니다. 난류 연소는 매우 복잡하고 다차원적인 현상으로, 이를 정확하게 해석하기 위해서는 대규모 병렬 계산이 필수적입니다. 본 연구실은 TITAN, ARCHER, COMET, BRIDGES 등 세계적인 슈퍼컴퓨터를 활용하여 10,000개 이상의 CPU 코어에서 난류 연소 시뮬레이션을 수행한 경험을 보유하고 있습니다. 이러한 대규모 계산 환경에서는 직접수치시뮬레이션(DNS), 대와동모사(LES) 등 고정밀 해석 기법을 적용하여 난류 연소의 미세 구조와 동역학을 정밀하게 분석할 수 있습니다. 또한, 자체 개발한 HiPSTAR와 같은 고성능 솔버를 통해 난류 비반응 유동뿐만 아니라 반응 유동, 스프레이 연소 등 다양한 문제에 대한 시뮬레이션을 수행하고 있습니다. 이를 통해 난류 혼합, 화염 주름, 연소 불안정성 등 다양한 난류 연소 현상의 물리적 메커니즘을 규명하고 있습니다. 고성능 컴퓨팅 기반 연구는 실험적으로 접근하기 어려운 극한 조건이나 복잡한 시스템의 해석에 매우 효과적이며, 새로운 연소 모델의 검증과 최적화에도 필수적입니다. 본 연구실은 이러한 첨단 계산 역량을 바탕으로 국내외 다양한 연구기관 및 산업체와 협력하여, 차세대 친환경 연소 기술 개발에 앞장서고 있습니다.

최근 기후 변화 대응과 에너지 전환의 흐름에 따라, 탄소중립 및 수소 연소기술 개발이 본 연구실의 주요 연구 주제로 부상하고 있습니다. 본 연구실은 수소 및 암모니아 등 탄소중립 연료를 활용한 가스터빈 연소기술의 개발과 최적화에 집중하고 있으며, 이를 위해 다양한 실험 및 수치해석 연구를 병행하고 있습니다. 특히, 수소 전소 가스터빈 연소기의 NOx 배출 예측 및 저감 기술, 수소 화염의 역화(flashback) 특성 분석, 다양한 연소 모델의 비교 및 검증 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 화학 반응기 네트워크(CRN)와 CFD를 결합한 시뮬레이션을 통해 실제 운전 조건에서의 배출 특성을 예측하고, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 신뢰성을 확보하고 있습니다. 또한, 고압 조건에서의 연소 특성, 압력 및 NOx 상관관계 분석 등 실용적이고 산업적인 연구도 함께 진행되고 있습니다. 이러한 연구는 미래 에너지 시스템의 친환경화와 고효율화를 위한 핵심 기술로, 정부 및 산업계와의 대형 프로젝트를 통해 실질적인 기술 이전과 상용화에 기여하고 있습니다. 본 연구실은 탄소중립 사회 실현을 위한 연소기술 혁신의 선도적 역할을 수행하고 있습니다.