본 연구는 과열된 고체 표면에 잠열수 제트가 충돌할 때의 급속 냉각 열전달 특성을 수치적으로 규명하는 것을 목표로 한다. 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션은 부피분율(volume-of-fluid, VOF) 모델을 사용하여 벽면 열유속, 열전달계수, 표면온도 변화와 같은 주요 설계 변수를 추정하기 위해 비등 및 응축 열전달을 고려하여 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 정체점에서의 표면온도 및 벽면 열유속에 대해 실험 데이터와 잘 일치하였다. 충돌 후 정체점 근처에서 형성된 물 증기는 충돌과 동시에 반경 방향으로 빠르게 전파되었다. 또한 반경 방향에서 강한 와도(vorticity)가 관찰되어 증기 블랭킷(vapor blanket)이 형성되었다. 그 결과 증기 블랭킷은 액체가 가열된 표면과 직접 접촉하는 것을 차단하여 열전달을 감소시키는 것으로 나타났다. 특히 액체 젖음으로 인해 열전달계수가 증가하는 젖음 반경(wetting radius) 내에서의 비등 열전달이 더 크기 때문에, 반경 방향의 표면온도는 수직 방향보다 더 빠르게 냉각되었다.

본 연구는 재료 제조 공정에서 널리 사용되는 강제 침지 담금(quenching)의 특성을 수치적으로 조사한다. 수치 시뮬레이션은 담금 과정에서 870 °C로 가열된 열원통형 시편의 표면에서 발생하는 비등 열전달을 20 °C 수분사 제트(water jet)로 가열할 때 고려한다. 또한 수분사 제트 속도가 강제 침지 담금 과정에 미치는 영향을 검토한다. 수분이 흐름이 초기에는 뜨거운 강 시편의 상부 측면에 충돌한 후, 다량의 증기가 생성되지만 수 초 내에 모든 면에서 사라진다. 수분사 제트 속도가 증가할수록 대류 열전달이 크게 일어나 증기 응축이 유도되므로 증기량은 감소한다. 더불어 수분 유량 속도가 높은 경우, 벽면 인근에서 형성된 수증기가 빠져나가므로 측벽에서 더 큰 재순환 영역이 나타난다. 따라서 시편의 냉각 성능은 주로 수 초 이내에 발생하는 비등 및 대류 열전달에 기인할 수 있다. 열유속과 열전달 계수는 입구 속도와 함께 증가한다. 또한 비등 및 대류 열전달이 증가함에 따라 냉각 속도와 균일성이 향상된다.

고체 표면에 대한 액적 충돌(droplet impingement)은 다양한 분무 및 열전달 응용에서 핵심적인 역할을 한다. 본 연구의 주요 목적은 최적화 기법을 사용하여 원하는 조건을 도출함으로써 가열된 홀-패턴(hole-patterned) 표면에서 단일 액적 충돌(single droplet impingement) 공정의 냉각 성능을 향상시키는 방법을 규명하는 데 있다. 최대 액적 확산 시의 냉각 유효도(cooling effectiveness)와 총 접촉 면적(total contact area)을 최대화해야 할 목적함수(objective functions)로 선정하였다. 알려지지 않은 변수들의 최적 값을 효율적으로 추정하기 위해, 가우시안 분포 난수를 사용하는 수정된 국소 유인자(modified local attractor)를 적용한 향상된 가우시안 거동 입자군 최적화(improved Gaussian-behaved particle swarm optimization, GQPSO) 알고리즘을 새롭게 제안하고 단일 액적 충돌 문제에 적용하였다. 제안된 GQPSO 접근법의 향상된 탐색 성능을 검증하기 위해, 최적화 결과를 동일한 조건에서의 표준 입자군 최적화(standard particle swarm optimization, PSO) 및 원래의 GQPSO 방법과 비교하였다. 주어진 목적함수에 대한 추정된 최대값, 계산 시간 및 패널티 입자(penalty particles)의 수를 비교함으로써, 수정된 국소 유인자를 통한 향상된 국소 미세 조정(local fine-tuning) 능력 덕분에 제안된 GQPSO 접근법이 보다 최적의 해를 빠르고 효율적으로 탐색할 수 있음을 확인하였다.

본 연구는 과열된 고체 표면에 잠열수 제트가 충돌할 때의 급속 냉각 열전달 특성을 수치적으로 규명하는 것을 목표로 한다. 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션은 부피분율(volume-of-fluid, VOF) 모델을 사용하여 벽면 열유속, 열전달계수, 표면온도 변화와 같은 주요 설계 변수를 추정하기 위해 비등 및 응축 열전달을 고려하여 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 정체점에서의 표면온도 및 벽면 열유속에 대해 실험 데이터와 잘 일치하였다. 충돌 후 정체점 근처에서 형성된 물 증기는 충돌과 동시에 반경 방향으로 빠르게 전파되었다. 또한 반경 방향에서 강한 와도(vorticity)가 관찰되어 증기 블랭킷(vapor blanket)이 형성되었다. 그 결과 증기 블랭킷은 액체가 가열된 표면과 직접 접촉하는 것을 차단하여 열전달을 감소시키는 것으로 나타났다. 특히 액체 젖음으로 인해 열전달계수가 증가하는 젖음 반경(wetting radius) 내에서의 비등 열전달이 더 크기 때문에, 반경 방향의 표면온도는 수직 방향보다 더 빠르게 냉각되었다.

본 연구는 재료 제조 공정에서 널리 사용되는 강제 침지 담금(quenching)의 특성을 수치적으로 조사한다. 수치 시뮬레이션은 담금 과정에서 870 °C로 가열된 열원통형 시편의 표면에서 발생하는 비등 열전달을 20 °C 수분사 제트(water jet)로 가열할 때 고려한다. 또한 수분사 제트 속도가 강제 침지 담금 과정에 미치는 영향을 검토한다. 수분이 흐름이 초기에는 뜨거운 강 시편의 상부 측면에 충돌한 후, 다량의 증기가 생성되지만 수 초 내에 모든 면에서 사라진다. 수분사 제트 속도가 증가할수록 대류 열전달이 크게 일어나 증기 응축이 유도되므로 증기량은 감소한다. 더불어 수분 유량 속도가 높은 경우, 벽면 인근에서 형성된 수증기가 빠져나가므로 측벽에서 더 큰 재순환 영역이 나타난다. 따라서 시편의 냉각 성능은 주로 수 초 이내에 발생하는 비등 및 대류 열전달에 기인할 수 있다. 열유속과 열전달 계수는 입구 속도와 함께 증가한다. 또한 비등 및 대류 열전달이 증가함에 따라 냉각 속도와 균일성이 향상된다.

고체 표면에 대한 액적 충돌(droplet impingement)은 다양한 분무 및 열전달 응용에서 핵심적인 역할을 한다. 본 연구의 주요 목적은 최적화 기법을 사용하여 원하는 조건을 도출함으로써 가열된 홀-패턴(hole-patterned) 표면에서 단일 액적 충돌(single droplet impingement) 공정의 냉각 성능을 향상시키는 방법을 규명하는 데 있다. 최대 액적 확산 시의 냉각 유효도(cooling effectiveness)와 총 접촉 면적(total contact area)을 최대화해야 할 목적함수(objective functions)로 선정하였다. 알려지지 않은 변수들의 최적 값을 효율적으로 추정하기 위해, 가우시안 분포 난수를 사용하는 수정된 국소 유인자(modified local attractor)를 적용한 향상된 가우시안 거동 입자군 최적화(improved Gaussian-behaved particle swarm optimization, GQPSO) 알고리즘을 새롭게 제안하고 단일 액적 충돌 문제에 적용하였다. 제안된 GQPSO 접근법의 향상된 탐색 성능을 검증하기 위해, 최적화 결과를 동일한 조건에서의 표준 입자군 최적화(standard particle swarm optimization, PSO) 및 원래의 GQPSO 방법과 비교하였다. 주어진 목적함수에 대한 추정된 최대값, 계산 시간 및 패널티 입자(penalty particles)의 수를 비교함으로써, 수정된 국소 유인자를 통한 향상된 국소 미세 조정(local fine-tuning) 능력 덕분에 제안된 GQPSO 접근법이 보다 최적의 해를 빠르고 효율적으로 탐색할 수 있음을 확인하였다.

평면 히트파이프, 증기 챔버, 열 접지 플레이트(thermal ground plane), 그리고 히트 스프레더(heat spreader)는 전기 배터리 팩 및 고출력 컴퓨터 칩과 같은 다양한 열 응용 분야에서 최근 주목받는 주제들이다. 본 연구에서는 계산유체역학(computational fluid dynamics)을 사용하여 증기 챔버와 열 접지 플레이트의 유효 열전도도(effective thermal conductivity)를 모델링한다. 다양한 문헌으로부터 서로 다른 평면 히트파이프 형상에 대한 시뮬레이션 조건을 도출하였다. 상용 코드 Fluent(Ansys Inc.)를 사용하여 4,800개의 사례를 통해 서로 다른 히트싱크 면적, 열원 면적, 두께, 열전달 계수에 따른 열 확산 열저항(spreading thermal resistance) 경향을 검토하였다. 결론적으로, 유효 열전도도는 두께가 감소하거나 동일한 열 확산 열저항 값을 가지면서 히트싱크 면적이 더 커질 때 증가한다. 특히, 원래의 해석적 모델을 기반으로 하되 다양한 유효 열전도도에 더 잘 대응하도록 하는 더 높은 정확도를 목표로, 열 확산 열저항의 수정된 모델이 제안된다. 모델과 수치해석 결과 사이에서 더 나은 정확도로의 양호한 일치가 확인되었다. 본 연구는 평면 히트파이프를 위한 열 시스템 가이드라인을 제공할 수 있을 것이다.

오늘날 고성능 프로세서는 상당한 열을 발생시키며, NPU 또는 GPU 서버는 50 kW 이상의 전력을 소비할 수 있다. 따라서 기존 공랭식 냉각의 한계에 도달했으며, 액체 냉각 시스템이 연구되고 있다. 본 연구는 공랭식 장비를 사용하는 고밀도 IT 전력을 위한 랙 기반 냉각 솔루션인 후면 도어 열교환기(RDHx) 시스템의 에너지 효율, IT 운용 환경 및 열 성능에 대한 최초의 포괄적 수치 해석을 제시한다. 방법론: 냉각 시스템의 구성과 아키텍처 요소를 결정하는 주요 요인은 랙당 15 kW의 높은 IT 전력 밀도 및 이에 해당하는 냉각 방식이다. 본 연구에서는 150 kW의 IT 부하를 하나의 모듈로 정의하였다. RDHx 액체 냉각 시스템은 이 모듈을 기반으로 설계하였으며, 그 열 성능과 에너지 효율을 분석하였다. 150 kW IT 부하는 데이터 센터 개념에서 가장 작은 모듈의 수용 능력을 충족하며, 향후 시연을 위한 목표 수용 능력이 될 것이다. 결과: CFD 수치 해석을 통해 RDHx가 공급 공기 온도 24°C에서 ASHRAE 기준 내로 안정적인 IT 환경을 유지함이 확인되었다. 또한 2차 CDU의 냉수 공급 온도는 14°C까지, 1차 칠러의 경우 12°C까지 상승시킬 수 있었다. 30 MW 기준 데이터 센터를 위한 중앙 냉수 시스템을 설계하고 분석한 결과, 12°C의 공급 온도와 겨울철 응축기 물 환수 온도 변화에 따라 효율이 증가하였으며, 그로 인해 연간 PUEcooling 범위는 1.25~1.33이고 평균은 1.27로 나타났다. 랙 기반 냉각의 연간 에너지 소비 분포는 칠러에서 약 46%, 팬에서 21%, 펌프에서 33%로 나타났다. 이러한 결과는 데이터 센터 냉각에 대한 핵심적인 통찰을 제공하며, 고밀도 데이터 센터에서 RDHx 시스템의 적용을 뒷받침한다.

본 연구는 분자 동역학 시뮬레이션을 이용하여 환경 요인이 Al-Pt 이원 합금의 기계적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 탐구한다. Pt 함량을 변화시키고 온도, 변형률 속도, 공공(vacancy) 결함과 같은 핵심 조건을 조사함으로써, 이러한 요인들의 복합 효과가 합금의 파괴 거동 및 전반적인 기계적 성능에 미치는 영향을 분석한다. 시뮬레이션 결과, 변형률 속도를 증가시키면 파괴 강도가 향상되는 반면, 더 높은 온도와 공공 농도는 이를 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다. 반대로 탄성계수는 이러한 환경 변화에 비교적 둔감하였다. 또한 본 연구는 점 공공(point vacancies)이 파괴 개시를 가속하는 데 있어 중요한 역할을 한다는 점을 강조함으로써 Al-Pt 합금의 실패 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공한다. 이러한 결과는 특히 극한의 운용 조건에서의 내구성이 요구되는 응용 분야를 중심으로, 고성능 합금 소재의 설계 및 최적화에 중대한 함의를 가진다. 다양한 환경 시나리오에서의 파괴 강도에 대한 상세 분석은 향상된 내구성과 기계적 건전성을 지닌 합금을 개발하기 위한 경로를 제시한다. • MD 시뮬레이션을 통해 Al-Pt 합금의 인장 거동을 탐구하였다. • Pt 함량의 증가는 Al-Pt 합금을 강화한다. • 온도와 변형률 속도는 Al-Pt 합금의 기계적 특성에 영향을 미친다. • 공공은 Al-Pt 격자 구조를 약화시킨다. • 본 연구 결과는 에너지 및 NEMS 응용을 위한 Al-Pt 합금 설계에 도움을 준다.