TWO-PHASE FLOW AND THERMAL MANAGEMENT LABORATORY
기계공학부 이승현
TWO-PHASE FLOW AND THERMAL MANAGEMENT LABORATORY(TPFTML)는 이상유동(two-phase flow)과 첨단 열관리 기술을 중심으로 기초부터 실용화까지 폭넓은 연구를 수행하는 연구실입니다. 본 연구실은 마이크로채널, 환형관 등 다양한 구조에서의 이상유동 현상, 열전달 메커니즘, 그리고 유동 불안정성의 근본 원인 규명에 집중하고 있습니다. 실험, 해석, 시뮬레이션을 아우르는 다각적인 접근을 통해, 복잡한 유동 및 열전달 현상을 체계적으로 분석하고 있습니다.
특히, 마이크로채널 유동 비등 냉각 기술과 환형관 내 과냉각 비등유동 연구는 고성능 전자기기, 전기차 초급속 충전 케이블, 우주선 등에서 필수적인 차세대 열관리 솔루션을 제공합니다. 본 연구실은 현상 모사 실험, 유동 가시화, CFD 시뮬레이션 등 첨단 연구 방법을 활용하여, 새로운 유동 지도와 예측 모델을 개발하고, 실험실 수준에서 프로토타입의 성능을 검증합니다.
이상유동의 불안정성 연구는 시스템의 내구성과 안정성 확보에 중요한 역할을 하며, 다양한 불안정성 메커니즘을 실험 및 모델링을 통해 규명하고 있습니다. 이를 바탕으로 실제 냉각 시스템 설계에 적용 가능한 설계 가이드라인을 제시하며, 산업 현장에서의 신뢰성과 효율성을 높이고 있습니다.
또한, 본 연구실은 개발된 열관리 기법의 실용화와 산업 응용에도 적극적으로 나서고 있습니다. 전기차, 우주선, 방산 무기 등 다양한 분야에 연구 성과가 적용되고 있으며, 산업계와의 협력 및 정부 과제 수행을 통해 현장 중심의 기술 개발을 추진하고 있습니다.
TPFTML은 기초연구와 실용화 연구를 유기적으로 연계하여, 미래 첨단 산업에서 요구되는 혁신적인 열관리 기술을 선도하고 있습니다. 이를 통해 국가적 기술 경쟁력 강화와 더불어, 다양한 산업 분야의 지속 가능한 발전에 기여하고 있습니다.
Flow Boiling
Micro-channel Heat Sinks
Electric Vehicle Charging
이상유동 열전달 및 불안정성 기초연구
이상유동(two-phase flow)은 단상 유동에 비해 월등히 높은 열전달 성능을 제공하여, 첨단 산업 전반에서 열관리 기술의 핵심으로 자리잡고 있습니다. 그러나 상변화에 따른 유체의 부피 및 압력 변화로 인해 복잡한 유동 특성이 나타나며, 이러한 특성은 시스템의 내구성 및 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 연구실에서는 마이크로 채널 및 환형관 등 다양한 구조에서 이상유동의 이송 현상, 열전달 메커니즘, 그리고 유동 불안정성의 근본적인 원인을 규명하기 위한 실험 및 해석 연구를 수행하고 있습니다.
특히, 유동 불안정성은 동적 불안정과 정적 불안정으로 나뉘며, Parallel Channel Instability(PCI), Density Wave Oscillation(DWO), Charge Transition Instability(CTI), Pressure Drop Oscillation(PDO), Flow maldistribution, Ledinegg Instability(LED) 등 다양한 형태로 나타납니다. 본 연구실은 실험 데이터와 유동 가시화, 그리고 CFD 시뮬레이션을 활용하여 이러한 불안정성의 발생 메커니즘을 심층적으로 분석하고, 이를 바탕으로 예측 모델을 개발합니다.
이러한 기초연구를 통해 얻어진 이상유동 및 불안정성에 대한 이해는, 차세대 열관리 시스템의 설계와 최적화에 직접적으로 활용됩니다. 궁극적으로는 고성능 전자기기, 전기차, 우주선 등 다양한 첨단 산업 분야에서 요구되는 안정적이고 효율적인 열관리 기술의 개발로 이어지고 있습니다.
마이크로채널 및 환형관 기반 차세대 열관리 기술 개발
마이크로채널과 환형관 구조를 활용한 열관리 기술은 고발열 전자장비, 전기차 초급속 충전 케이블, 우주선 등에서 필수적인 역할을 하고 있습니다. 마이크로채널 유동 비등 냉각 기술은 높은 열전달 계수와 낮은 온도 구배를 동시에 달성할 수 있어, 시스템의 소형화 및 경량화에 큰 기여를 하고 있습니다. 본 연구실에서는 현상 모사 실험장치 제작, 유동 가시화, CFD 시뮬레이션을 통해 마이크로채널 내 복잡한 유동 및 비등 현상을 정량적으로 분석하고, 새로운 유동 지도와 메커니즘 모델을 개발하고 있습니다.
환형관 내 과냉각 비등유동 연구는 전기차 충전 케이블과 같은 고전력 송전 시스템에서 발생하는 열 문제를 해결하기 위한 핵심 기술입니다. 단상 냉각 방식의 한계를 극복하기 위해, 과냉각 비등유동의 축방향 및 원주방향 열전달 특성, 중력 방향에 따른 특성 변화, 임계열유속(CHF) 발생 메커니즘 등을 체계적으로 분석하고 있습니다. 이를 통해 다양한 파라미터에 따른 설계 가이드라인을 제시하며, 실험 및 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제 산업 적용이 가능한 냉각 시스템을 개발합니다.
이러한 연구는 NASA Orion 유인우주선, 방산 무기, 전기차 등 다양한 응용 분야에 적용되고 있으며, 실험실 수준의 프로토타입 검증을 통해 기술의 실용화와 산업계 확산을 목표로 하고 있습니다.
열관리 기법의 실용화 및 산업 응용
본 연구실은 개발된 열관리 기법을 실제 산업 시스템에 적용하고 최적화하는 실용화 연구에도 중점을 두고 있습니다. 전기자동차 초급속 충전 케이블의 냉각, NASA Orion 유인우주선의 열관리, 방산 무기의 열관리 등 다양한 산업 및 우주 분야에 연구 성과가 적용되고 있습니다. 산업계와의 긴밀한 협력 및 정부 과제 수행을 통해, 현장에서 요구되는 기술적 문제를 해결하고, 새로운 열관리 솔루션을 제시하고 있습니다.
특히, 전기차 초급속 충전 시스템에서는 케이블의 과도한 발열을 효과적으로 제어하기 위한 이상유동 기반 냉각 기술이 적용되고 있습니다. 실험 및 해석을 통해 얻어진 데이터는 실제 제품 설계와 성능 검증에 활용되며, 산업 현장에서의 신뢰성과 효율성을 높이고 있습니다. 또한, 우주선 전자장비 냉각, 방산 무기 열관리 등 특수 환경에서의 열관리 문제 해결에도 연구실의 기술이 적극적으로 활용되고 있습니다.
이와 같은 실용화 연구는 단순한 기술 개발을 넘어, 산업계와의 협력, 정부 정책과의 연계, 그리고 다양한 응용 분야로의 확산을 통해 국가적 기술 경쟁력 강화에 기여하고 있습니다.
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Comparison of subcooled flow boiling in concentric annuli with bare and finned surfaces
Hyeonseok Noh, Haein Jung, Minshin Kwon, Seunghyun Lee
Applied Thermal Engineering, 2025
2
Experimental investigation into thermal characteristics of subcooled flow boiling in horizontal concentric annuli for cooling ultra-fast electric vehicle charging cables
Haein Jung, Seunghyun Lee
Case Studies in Thermal Engineering, 2024
3
Experimental and photographic investigation into horizontal subcooled flow boiling in concentric annuli for cooling system of ultra-fast electric vehicle charging cables
Haein Jung, Hyeonseok Noh, Seunghyun Lee
International Communications in Heat and Mass Transfer, 2024
1
마이크로채널 내 비정상 비등유동의 동적열전달 메커니즘연구
2
마이크로 채널 히트 싱크 이상유동 불안정성 규명 연구
3
560kW급 전기차 급속충전 이상유동 냉각 케이블 개발