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주요 연구 성과

신동혁 교수, 난류제트에서 Very-Large-Scale Motions (VLSM)의 형성 과정 규명

관리자 |
2022-10-11 11:41:37|
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< (왼쪽부터) Milad Samie1, Vlad Aparece-Scutariu2, Philippe Lavoie3, 신동혁4, Andrew Pollard1 >
1Queen’s University (CA), 2COMOTI (RO), 3Universit of Toronto (CA), 4KAIST (KOR)

우리 학과 신동혁 교수는 캐나다의 Queen’s University 와 University of Toronto, 그리고 루마니아 가스터빈 연구기관 (COMOTI)와의 공동연구를 수행하여 난류 제트의 거동에 대한 이해를 제시하였다.

유체의 비선형적 거동으로 야기되는 난류(turbulent flow)는 아직도 예측이 되지 않는 분야이며, 기상예측, 엔진의 고효율화, 선박, 자동차, 비행기 등 고속이동 물체의 저항을 줄이기 위해서 지속적으로 탐구가 되어야 하는 분야이다. 그 중에 난류제트는 유체역학의 기본 유동 중 하나로, 엔진 내 연료분사, 엔진의 출구 유동, 공기환기, 화산분출 등의 다양한 응용 분야와 자연현상에서 나타나고 있다. 난류제트로 인해 생기는 물질의 혼합과 소음은 우리 생활에 많은 영향을 주고 있다.

본 공동연구는 2017년 퀸즈대학의 Andrew Pollard 교수 (International Journal of Heat and Fluid Flow 편집장)와 신동혁 교수의 학회 발표장에서 주고 받은 대화를 통해서 시작이 되었으며, 신동혁 교수팀의 고정밀도 시뮬레이션과 Pollard 교수팀의 very large scale motion (VLSM) 해석이 만나서 성과를 달성하였다.

본 연구에서는, HiPSTAR라는 코드를 이용하여, 난류모델을 사용하지 않고 Navier-Stokes 방정식을 직접계산하는 고정밀 직접수치해석 (Direct Numerical Simulation) 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션을 수행하기 위하여 100만시간 이상의 컴퓨터 계산시간을 사용하였다. 이 시뮬레이션 결과를 기반으로 horseshoe 와류가 VLSM의 형성에 기여한다는 사실을 밝혀냈다. 근접지역에서는 유동방향의 길다란 구조가 형성이 되며, 중간지역에서는 나선방향의 VLSM이 많이 형성됨을 보였다 (나선방향 72%, 유동방향 28%).

난류제트는 물질의 혼합의 위해 많이 쓰이는 유동이며, VLSM의 이해를 통하여, 더욱 정밀한 난류모델이 개발될 것이며, 이는 더욱 효율적인 엔진을 개발하는데 초석이 될 것으로 기대 된다.

< 그림 1. 중간지역에서 조건부 평균으로 구한 VLSM 구조 >

< 그림 2. 소용돌이 강도 등가면이 있는 난류 제트의 순간 스냅샷 >

항공우주공학과 신동혁 교수가 공동저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 Journal of Fluid Mechanics, 948호에 출판됐다. (논문명 : Three-dimensional large-scale and very-large-scale coherent structures in a turbulent axisymmetric jet). Journal of Fluid Mechanics은 1956년 생성된 학술지로, 유체역학 분야에서 세계에서 가장 저명한 논문지이다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부와 국가슈퍼컴퓨팅 센터의 지원을 받아 수행됐다.

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