진준표

벤투리관 내 공동현상은 국부 압력 저하로 인해 공동의 형성과 붕괴가 반복되는 비정상 다상 유동 거동을 특징으로 한다. 실제 유체시스템에서는 펌프, 밸브 및 배관 진동 등으로 인해 유동에 시간적 섭동이 발생할 수 있으며, 이는 공동현상의 발달과 압력 맥동 특성에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구는 상류 압력 섭동이 벤투리관 내 공동현상의 거동 및 압력 맥동 특성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 기존 연구의 벤투리 유로 형상과 경계조건을 재현하고, URANS 기반 다상 유동 해석을 수행하였다. 공동현상 모델은 Rayleigh-Plesset 계열의 Schnerr-Sauer 모델을 사용하였다. 먼저 섭동이 없는 기준 조건에서 공동현상의 주기적 거동을 분석한 후, 입구 압력에 시간적 섭동을 부여하여 공동 구조, 붕괴 위치 및 압력 맥동 변화를 비교하였다. 해석 결과는 시간에 따른 압력 신호, 증기 체적분율의 공간-시간 선도 및 FFT 분석을 통해 평가하였으며, 이를 바탕으로 공동의 주기적 거동과 압력 맥동의 주요 주파수 특성을 도출하였다. 이를 통해 입구 압력 섭동 조건에서 벤투리관 내 공동현상의 동적 응답 특성을 정량적으로 제시하고자 한다.

수소 연료전지 자동차는 고압 수소 저장 시스템과 스택 탑재 등으로 인해 차체 중량이 증가하여 섀시 및 현가장치에 작용하는 동적 하중 부담이 크다. 이에 따라 오리피스를 통과하는 작동유의 유동 저항을 정밀하게 제어하는 댐퍼 감쇠력 특성의 최적 설계가 핵심 과제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 실제 댐퍼 제조 현장의 기술 수요를 반영하여, 선택식 오리피스 구조를 대상으로 홀 형상 및 유량 변화에 대한 매개변수 연구를 효율적으로 수행하기 위한 3차원 격자 자동 생성 절차와 Agentic AI 기반의 자동화 해석 파이프라인을 구축하였다. 형상 모델링과 격자 생성, 격자 품질 검증은 물론 해석 케이스 설정, 솔버 구동 및 후처리 전 과정을 Agentic AI가 자율적으로 연계 수행하도록 설계하였다. 유동 해석은 OpenFOAM을 이용해 3차원 정상 층류 조건에서 진행되었으며, 해석 조건으로는 홀 직경 3종과 유량 5종의 조합 조건 및 테이퍼(taper) 홀의 정·역방향 유동 조건을 적용하여 압력강하와 국부 저압 특성을 분석하였다. 해석 결과, 압력강하는 유량이 증가함에 따라 비선형적으로 증가하였고 홀 직경이 작을수록 급격히 상승하였다. 특히 테이퍼 홀의 경우 고유량 영역에서 유동 방향에 따른 총 압력강하의 차이는 미미하였으나, 국부 최소 압력 분포에서는 뚜렷한 차이를 보여 향후 캐비테이션 억제 설계를 위해 압력강하와 국부 저압을 독립적으로 평가해야 함을 규명하였다. 본 연구에서 확립한 자동화 프레임워크는 다양한 오리피스 형상의 유동 특성을 신속하게 도출하는 데 유용하며, 향후 캐비테이션 다상 유동 해석 및 댐퍼 밸브계 힘 평형 모델과 연계한 감쇠력 정밀 예측으로 확장할 예정이다.

친환경 자동차는 내연기관 차량에 비해 중량이 무거워 현가장치에 가해지는 하중 부담이 크다. 자동차용 댐퍼 오리피스 부근에서는 국부적인 저압 형성으로 인해 캐비테이션이 발생할 수 있으며, 이로 인해 생성된 기포는 소음과 진동을 유발하고 댐퍼의 감쇠 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 내경 1 mm 오리피스를 대상으로 오일-증기 2상 유동 해석 모델을 구축하고, 하류 압력 조건에 따른 증기 발생량과 압력강하 특성을 단상 유동 해석 결과와 비교 분석하였다. 2상 유동 해석은 OpenFOAM의 상변화 솔버인 interPhaseChangeFoam과 Schnerr-Sauer 캐비테이션 모델을 적용하여 수행하였다. 작동유로는 40°C의 Mobil DTE 25 유압유 물성을 적용하였다. 유입 유량을 고정한 상태에서 하류 압력을 두 가지 조건으로 설정하였다. 본 연구(발표)에서는 하류 압력 조건별 증기 체적률, 압력 분포 및 시간에 따른 압력강하 거동을 단상 해석 결과와 비교하여 캐비테이션이 오리피스 유동에 미치는 영향을 고찰하였다. 본 연구 결과는 차량용 댐퍼의 오리피스 설계 단계에서 캐비테이션 발생 위험을 예측하고 성능을 검토하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

공동현상 유동의 수치해석에서 상변화 모형과 모형 매개변수의 설정은 공동의 발생과 성장뿐만 아니라 압력 및 유량의 예측 결과에도 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 벤투리관 내부의 물-증기 공동유동을 대상으로 공동현상 모형의 매개변수 변화가 RANS 해석 결과에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 한다. 정상상태 RANS 해석에는 k-ω 난류모델과 Rayleigh-Plesset 방정식 기반의 Schnerr-Sauer 캐비테이션 모델을 적용하며, 핵생성 및 상변화와 관련된 주요 모형 매개변수인 핵생성 수밀도, 핵 직경, 증발 계수 및 응축 계수를 변화시켜 민감도 분석을 수행한다. 각 조건에서 공동 길이, 증기 체적분율, 압력강하 및 국부 정압을 주요 평가 지표로 선정하고, 매개변수 변화에 따른 각 지표의 응답 특성을 비교한다. 또한 일민감도 분석을 통해 주요 영향 인자를 선별하고, 이후 Latin Hypercube Sampling을 이용하여 파라미터 간 상호작용과 출력 변수의 변동 범위를 분석한다. 이를 통해 공동현상 모형의 매개변수가 벤투리관 공동유동의 RANS 예측에 미치는 영향을 파악하고, 단일 매개변수 조건을 사용한 해석 결과의 민감성과 불확실성을 평가하기 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

액체수소 극저온 밸브 열응력 해석 시 관행적으로 적용되는 원관 상관식 기반 상수 대류열전달계수는 '크기 오차'와 '공간 분포 무시 오차'를 동시에 내포한다. 본 연구는 6 인치 글로브 밸브를 대상으로 3 차원 RANS 유동해석과 열-구조 연성해석을 수행하고, CFD 국부 분포·그와 면적가중 평균이 같은 균일 조건·상관식 균일 조건의 세 가지를 동일한 고체 격자에서 비교하여 두 오차 기여를 분리·정량화하였다. 해석 결과 등가응력 400 MPa 초과 체적비는 계수의 크기 오차만으로 22.3 %가 줄어든 반면, 공간 분포 오차는 반대 방향으로 7.5 %에 그쳐 크기 오차가 지배적이었다. 반면 외부 자연대류 경계조건에서는 외부 열저항이 병목이 되어 두 오차 모두 0.2 % 이내로 소멸하였다. 따라서 밸브 열응력 해석 시 공간 분포 재현보다는 형상에 부합하는 대표 열전달계수 크기 산출이 우선되며, 이는 젖은면 결합이 병목인 조건에서 유효하다.

구름 공동현상은 공동의 형성과 붕괴가 주기적을 발생하는 비정상 유동 거동을 특징으로 한다. 이러한 과도 응답의 해석은 주기적 유동이 갖는 비선형적 특성을 이해하는데 중요한 의의를 가진다. 본 연구는 벤투리에서 발생하는 비정상 구름 공동현상의 시간 전개 특성을 정량적으로 제시하는 것을 목적으로 한다. 기존 연구[1]의 유로 형상과 경계조건을 재현하고, 난류모델로 SST k-ω를 적용한 URANS기반 다상 해석을 수행하였다. 공동현상의 수치모델은 Rayleigh-Plesset 계열의 Schnerr-Sauer모델을 사용하였으며, 표면장력 항을 모델에 포함하였다. 해석 결과의 검증은 벤투리 중심선의 속도와 정압 분포 및 선도를 문헌 실험치와 대조하여 정합성을 확인하였다. 초기 과도 구간이 경과한 후, 비정상 해석에서 형성되는 주기적 유동 구간을 대상으로, 시간 변화에 따른 유동장과 공간-시간 선도를 통해 구름 공동현상의 거동을 한 주기 내에서 기술하였다. 제시한 시간 분해 분석은 주기적 유동 구간의 변화 양상을 통합적으로 드러내며, 시간 변화에 따른 공동현상 특성을 명확히 보여주었다.

실린더, 토출 밸브와 배출 유로를 포함하는 용적형 수소 압축기를 LBM으로 모사하고 난류·소음 특성을 분석합니다.

RANS와 LBM의 수소 엘보 유동 예측을 DNS와 비교하고 곡률 반경에 따른 유동 특성을 조사합니다.

공개 압축기 형상을 바탕으로 실린더·토출 밸브·엘보를 모델링하고 LBM 유동·소음 해석용 복셀을 생성합니다.