섬유 필터는 산업 공정에서 불순물을 제거하는 핵심 기술로 널리 사용되고 있으며, 일반적으로 CFD(전산유체역학)를 활용한 시뮬레이션에서는 입자가 섬유에 닿으면 포집된다고 가정하는 결정론적 모델이 사용되어 왔습니다. 그러나 실제로는 입자가 섬유에 접촉하더라도 반드시 포집되는 것은 아니기 때문에, 보다 현실적인 입자 거동을 모사하기 위해 확률적 접근이 필요합니다. 본 연구에서는 PRNG(의사 난수 생성기)를 기반으로 입자의 포집 여부를 무작위로 판단하고, 단일 섬유 여과 효율(SFFE)을 이용해 각 셀의 포집 확률을 계산하는 확률 기반 입자 포집 모델을 개발하였습니다. 이 모델은 Ansys Fluent 환경에서 UDF(User-Defined Function)로 구현되었으며, 각 입자가 겪는 여과 과정을 베르누이 시행으로 재현함으로써, 기존 모델보다 입자의 분포나 포집 위치를 훨씬 정밀하게 예측할 수 있습니다.

관련 구성원: 정준호

MP-PIC-PBE는 다중 규모 유동 현상을 예측하기 위한 MP-PIC의 확장으로, 미시 규모 입자 형성 현상과 거시 규모 유체 역학을 결합한 것 입니다. 본 모델은 균일화된 형태의 PBE(Population Balance Equation)을 기반으로 하며, 전 차원의 PBE와의 등가성을 유지합니다. 또한, 입자 상은 공간 기울기를 통해 입자 응력을 표현할 수 있으며, PBE에 의해 변화되는 입자의 질량, 크기, 나이, 속도 등의 특성을 예측하기 위해 라그랑지안 기술을 채택하였습니다. 그 결과, 이 접근법은 입자 유동 해석에서 입자 크기 분포를 예측하는 데 있어 강건하고 수치적으로도 빠른 성능을 제공합니다.

사례 연구

첫 번째 사례는 반용매 결정화 공정에 대한 시뮬레이션을 다룹니다. 이 사례에서는 기존의 CFD-PDF-PBE 기법과 MP-PIC-PBE 기법 간의 비교를 수행했습니다. 이 결정화 사례는 입도 크기 분포를 다루는 데 있어서 MP-PIC-PBE의 장점을 입증합니다. 두 방법으로 공통적으로 계산 가능한 변수의 경우, 결과는 정성적으로 유사하지만, 사용된 모델의 다양한 차이로 인해 정량적으로는 다릅니다. 특히 MP-PIC-PBE는 기존 CFD-PDF-PBE로는 얻을 수 없는 추가적인 정보를 제공합니다.

두 번째 사례는 현탁 중합 반응에 대한 시뮬레이션을 다룹니다. 라그랑지안 좌표계를 통해 예측된 입자 유동은 항력 및 양력에 의해 유도되는 현탁 유동 패턴을 명확히 보여줍니다. 또한, 이 사례에서는 CSTR 내 임펠러의 블레이드 각도와 입자 크기 사이의 상호작용을 확인하였습니다. 제안된 CFD 모델의 타당성은 문헌에 보고된 실험 결과와의 비교를 통해 검증됐습니다.

세 번째 사례는 슬러그 유동 기반 결정화 공정에서의 입자 유동 효과를 분석한 연구입니다. 이 연구에서는 슬러그 결정화 현상을 규명하기 위해 새롭게 개발한 MVP 방법을 적용하였습니다. 개발된 기법은 기존 CFD 모델로는 보여줄 수 없었던 입자 크기 변화를 포함한 3상 유체 흐름을 예측할 수 있으며, 실험 결과와의 비교를 통해 그 성능이 검증되었습니다. 또한 사례 연구에서는 MVP 모델이 슬러그의 크기에 따라 형성되는 입자의 크기와 수가 달라질 수 있음을 예측했고, 슬러그 크기 증가에 따라 슬러그 내부 혼합에 영향을 미치는 것을 보여주었습니다. 이러한 조사 결과로 인해 슬러그 내부 완전 혼합 가정이 부적절할 수 있음을 보여줍니다 

본 연구는 Computational Fluid Dynamics를 이용하여, 원자력 발전소 중대 사고 시 발생하는 방사성 물질 및 수소의 제거를 목표하는 Passive Autocatalytic Recombiner (PAR)를 가상적으로 분석합니다. PAR 은 촉매 section 과 흡착 section의 조합으로 설계됩니다. 이 기술의 핵심은 격납 건물 내부에서 외부 지원 없이 주변 환경의 수소 농도가 증가하면 자동으로 운전되는 것입니다. 이러한 피동형 시스템의 올바른 작동 경로를 예측하기 위하여, 본 연구는 CFD 기반의 모델링을 수행합니다. 먼저, 흡착제를 통과하는 가스흐름을 예측하기 위해 다공성 매체 기반의 단상 다성분 모델이 사용됩니다. Packing 된 흡착제에 의한 압력강하는 Darcy law 로 표현되고, 그에 필요한 경험적 계수들은 실험데이터 기반으로 도출됩니다. 흡착제에 의한 CH3I 의 흡착 속도는 바이-랭뮤어 방정식 기반으로 예측되며, 이는 user defined function 의 기능으로 개발됩니다. 촉매 반응은 computational domain에 판 형태로 직접 그려지며, wall surface reaction model 을 이용하여  반응 메커니즘이 구현됩니다. 시뮬레이션 결과는 PAR 시스템의 자발적 작동원리를 설명하고, 더 나아가 장치의 최적설계, 사고 시나리오 평가에 활용될 수 있는 가능성을 보여줍니다.

관련 구성원: 장인정

유동 가속 부식(FAC)은 원자력 발전소의 2차 냉각 시스템에서 탄소강 배관을 손상시키는 주요 열화 메커니즘입니다. 이 연구는 팔꿈치 부분의 FAC에 영향을 미치는 유체역학적 매개변수를 분석하여 특히 취약한 위치를 식별하고 벽 박육과의 직접적인 연관성에 따라 분류합니다.

 이를 달성하기 위해 팔꿈치 파이프 시편에 대한 가속 FAC 실험과 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션이 수행되었습니다. 실험 결과, FAC에 취약한 여러 단면이 발견되었으며, CFD 시뮬레이션은 속도와 소용돌이 벡터를 제공했습니다. 그런 다음 이러한 벡터를 원통 좌표계에서 원주, 축, 방사형 성분으로 분해하여 각 성분이 FAC에 미치는 영향을 평가했습니다.

 결과는 모든 속도와 소용돌이 성분이 FAC로 인한 벽 두께 감소에 기여한다는 것을 보여줍니다. 따라서 FAC로 인한 벽 두께 감소를 정확하게 평가하려면 속도와 소용돌이 성분을 종합적으로 고려하는 것이 필수적입니다. 

관련 구성원: 조현승

최근 큰 주목을 받고 있는 수소는 수송 및 저장 측면에서 상당한 난제에 직면해 있습니다. 암모니아 분해를 통한 수소 생산은 이러한 난제에 대한 유망한 해결책으로 부상했습니다. 그러나 암모니아 분해 비용은 촉매의 종류와 형태에 따라 크게 달라집니다.

이 문제를 해결하기 위해 본 연구는 저온 조건에서 암모니아 분해를 효율적으로 수행할 수 있는 반응기 및 촉매 시스템을 설계하는 것을 목표로 합니다. 템킨-피제프 반응 속도론에 기반한 1차원 고정층 반응기 모델을 개발하고, 실험 데이터를 활용하여 매개변수 추정 프레임워크를 구축했습니다. 또한, 촉매 조성에 따른 열효율 변화를 평가하기 위해 gPROMS 기반 공정 시뮬레이터를 개발했습니다. CFD 측면에서는 사용자 정의 함수(UDF)를 구현하여 반응기 내부의 열 및 유동 특성을 정밀하게 분석했습니다. 또한, 블렌더 기반 촉매 충진 구조 모델링을 통해 촉매층의 거동을 시뮬레이션했습니다.

관련 구성원: 유완식, 장인정, 전병규, 전우솔

 개체 균형 방정식(PBE)은 유체 흐름과 화학적 변화를 모두 고려하여 공간 차원의 입자 크기 분포를 계산하는 수학적 모델입니다. 지금까지 진행된 연구에서는 입자 분포 범위를 이산화하고 PBE를 해결하기 위한 해를 찾았습니다. 이러한 일반적인 절차는 아주 작은 입자의 생성부터 큰 입자의 성장까지의 입자 크기 변화를 다루어야 하므로 때로는 불필요한 계산 영역을 유발하거나 넓은 격자로 인한 문제를 초래할 수 있습니다. 우리는 이동 경계 방법을 사용하여 PBE를 해결하기 위한 혁신적인 수치 절차를 개발하였습니다. 이동 경계 방법은 시간의 경과에 따라 위치가 변하는 경계를 다루는 문제에 적용되는 수치 해석 기법의 하나입니다. 이동 경계 시스템을 표현하기 위해 스케일링된 무차원 도메인을 사용합니다. 만약 이 무차원 수를 사용하여 경계점을 추적하고 방정식에 반영한다면, 고정된 영역이 움직이는 것처럼 생각될 수 있습니다. 도입된 방법은 기존의 수치적 방법과 비교하여 효율적인 입자 범위 설정과 더 빠르고 정확한 수치 해를 찾는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

관련 구성원: 정준호

 탄소 원자로 이루어진 독특한 나노 규모 구조물인 탄소 나노튜브(CNTs)은 물리적, 화학적, 기계적 특성으로 인해 과학적 및 산업적 관심을 끌고 있습니다. CNTs의 다양한 이점은 높은 열전도성, 우수한 전도성 및 뛰어난 기계적 강도와 같은 특별한 특성에서 비롯됩니다. 기존 화학기상증착(CVD) 반응기 내부의 복잡한 유동 패턴은 기판 위에 CNTs 막의 균일한 두께를 쉽게 얻을 수 없습니다. 우리는 유체역학적으로 반응기 내부의 온도 및 농도를 고르게 유지할 수 있도록 새로운 형태의 반응기 디자인을 설계합니다. 이를 해결하기 위해 기판에 발생하는 CNTs 흡착반응속도르 예측할 수 있는 전산유체역학 모델링을 수행하며, CNT 침착 속도를 향상시키고 균일성을 달성하기 위한 반응기의 설계 및 운전조건을 최적화 합니다. 

관련 구성원:  Pako Francis

 데이터 센터는 대량의 데이터를 처리하고 상당한 열을 발생시킵니다. 일반적으로 공랭 방식이 사용되지만 열 효율에 한계가 있습니다. 냉각수를 사용하여 열을 발산하는 액체 냉각 방식이 더 효과적인 대안입니다. 파도 활동과 같은 주변 해양 조건을 활용하도록 설계된 수중 데이터 센터는 아직 개발 초기 단계에 있지만 에너지 효율적인 운영에 유망한 잠재력을 보여줍니다.

현재 진행 중인 연구의 일환으로 수중 냉각 시스템 내의 유체 흐름, 열 전달 및 난류를 분석하기 위한 수치 시뮬레이션이 수행되고 있습니다. 파도의 영향을 시뮬레이션하기 위해 개방 채널 파동 경계 조건이 적용되고, 다양한 온도 차이에서 열전달 계수가 평가됩니다. 본 연구는 실제 응용 분야에서 냉각 성능과 에너지 효율을 개선하는 방법에 대한 이해를 높이는 것을 목표로 합니다.

관련 구성원:  Nelson K. Muchabaiwa, 한태균