김수겸

본 연구는 국부적인 횡방향 벽면 속도가 존재하는 3차원 난류 경계층 유동에 대한 RANS 난류 모델의 예측 성능을 비교 평가하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 유동 영역의 입구 조건으로 2차원 영압력구배 난류 경계층(2D ZPG TBL)을 설정하고, k-ω SST, BSL EARSM, SSG RSM 등 총 3종의 RANS 난류 모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 도출된 해석 결과는 고해상도 LES 데이터와의 비교를 통해 검증하였으며, 주요 유동 변수인 형상계수, 횡방향 벽면 전단응력, 압력 및 난류운동에너지 유동장을 바탕으로 각 모델의 예측 정확도를 평가하였다. 이를 통해 난류 모델이 정교해짐에 따른 예측 성능의 향상 정도를 파악하고, 복잡한 횡방향 전단 유동 영역에서 각 모델의 예측 한계와 오차 발생 경향을 확인하였다. 이를 통해 3차원 난류 경계층 유동에 대한 기존 RANS 모델들의 예측 특성을 정량적으로 파악하고, 복잡한 전단 흐름의 정확한 모사를 위한 난류 모델의 적용 방향을 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.

공기용으로 설계된 원심압축기에 암모니아를 작동유체로 적용하면 기체상수와 비열비, 점성의 차이로 인해 압축 성능과 내부 유동이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 형상과 실험 자료가 공개된 NASA CC3 원심압축기를 대상으로, 형상을 바꾸지 않고 작동유체를 공기에서 암모니아로 바꿀 때의 공력 성능과 내부 유동 특성 변화를 수치해석으로 평가하고자 한다. 해석은 Ansys CFX를 이용한 3차원 정상 압축성 RANS 해석으로 수행하며, 난류모델은 SST k-ω 모델을 사용한다. 암모니아의 회전수는 공기와 주속 마하수가 같아지도록 정하고, 두 작동유체의 운전점은 유량계수를 기준으로 대응시킨다. 해석의 신뢰성은 공기 조건의 성능곡선을 기존 실험 자료와 비교하여 확인한다. 두 작동유체에 대해 압력비와 효율, 일계수를 비교하고, 블레이드 사이 유동장에서 충격파와 박리, 팁 누설 구조의 차이를 분석한다. 이를 통해 공기용 압축기를 암모니아 압축에 활용할 때 필요한 상사 조건과 그 한계를 검토한다. 본 연구의 결과는 암모니아용 원심압축기의 형상 개선 방향을 설정하는 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.

터보기계 내부에서는 정지벽과 움직이는 벽이 국소적으로 공존하여, 벽 근처 유동이 횡방향 벽면운동을 받는 3차원 난류경계층의 성격을 갖는다. 난류전단응력 벡터가 평균변형률 벡터를 지연하여 따라가므로[1] 선형 와점성모형은 구조적 한계를 가지며 레이놀즈응력모형이 대안이 되지만, 고전적 모형의 상당수는 응력 텐서를 직접 풀면서도 난류 시간척도를 소산율 ε로 닫는다. 점성저층을 해상하는 y+ < 1 격자에서는 벽에서 k → 0이 되어 ε/k 항이 수치적으로 경직해진다. 본 연구는 예측 오차가 와점성 가정뿐 아니라 근벽 시간척도 처리에도 좌우됨을 보이고자 한다. 압축성 축대칭 형상이었던 선행 연구[2]와 달리, 비압축성 평판 위에 횡방향 이동벽(48 ≤ x/δin ≤ 68, Ww/U∞ = 1)을 둔 3차원 난류경계층을 대상으로 한다. 기준해는 디지털 필터[3] 기반 합성난류를 입구에 부여한 직접수치모사이며, 이동벽과 정지벽의 차분으로 벽면 운동의 기여를 분리한다. 난류모델 비교는 OpenFOAM으로 수행한다. 표준 k–ε, k–ω, SST와 LRR, Launder–Gibson 모형에 더해 근벽 시간척도를 β*ω로 대체한 ω 기반 모형과 ω/ε 혼합 모형을 동일 격자에서 비교하고, 평균속도·레이놀즈응력·벽전단응력의 이동벽 증분을 직접수치모사와 대조하여 후속 모델링 방향을 제시한다.

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

NASA Rotor 67의 상류에 경계층에 따른 불균일 동압 분포를 적용하고 블레이드 하중과 유동 특성을 균일 조건과 비교합니다.