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    열린실험실 게시판 내용
    열린실험실명 서울대학교 난류제어연구단 (Center for Turbulence and Flow Control)
    등록일 2005-12-15 오후 2:38:55

    연구개요

    서울대학교 난류제어연구단은 유동 저항 및 유동 소음의 저감과 혼합 및 열전달 증진을 위한 새로운 난류 제어 기법 개발을 목적으로 과학기술부 창의적연구진흥사업의 지원 하에 1997년 12월에 설립되었다. 우리가 원하는 효과를 얻을 수 있도록 난류를 적절히 제어한다는 것은 불규칙하고 복잡한 난류 본연의 특성으로 인해 사실상 대단히 어려운 문제다. 이러한 난점을 극복할 수 있는 새로운 난류 제어 기법을 개발하기 위해 본 연구단에서 사용하는 방법론은 크게 세 가지로 분류할 수 있다.

    하나는 물리적 관찰에 근거한 난류 제어다. 즉, 제어를 가하지 않았을 때의 기본 유동장에서 발생하는 물리 현상을 면밀히 관찰하여 난류 유동에서 여러 가지 전달 현상을 지배하는 주요한 난류 구조(Turbulent Structure)를 추출해 내고, 이를 적절한 제어를 통해 약화 또는 강화시켜서 우리가 원하는 효과를 얻는 방법이다.

    또 다른 하나는 수학적인 제어 이론을 직접 난류 유동에 적용하는 방법인데, 이 방법은 제어를 가하지 않은 기본 유동장이 워낙 복잡하여 이로부터 주요한 난류 구조를 추출해 내는 작업이 쉽지 않을 경우 효과적인 동시에 체계적인 방법이다.

    마지막으로 오랜 시간 동안 진화를 통해서 스스로를 주위의 환경에 적응시킨 자연계의 생물체로부터 효과적인 난류 제어의 아이디어를 얻는 방법이다. 이상을 통해 얻은 난류 제어의 아이디어를 검증하기 위해 직접 수치모사(Direct Numerical Simulation; DNS) 및 큰 에디 수치모사(Large Eddy Simulation; LES)와 같은 정밀한 컴퓨팅과 풍동에서의 실험을 병행하고 있다.

    1997년 이후 난류 경계층 유동에서의 마찰 저항 감소, 제트 및 후향 계단 유동에서의 혼합 증대 등의 분야에서 많은 연구 성과를 얻었고, 현재는 항력 및 소음 감소를 얻기 위한 뭉툭한 물체 주위의 유동 제어에 초점을 맞추어 연구를 수행하고 있다 (그림 1). 

    그림 1. 자동차의 연비증가, 소음감소 등과 관련된 유체역학 문제들

    그림 1. 자동차의 연비증가, 소음감소 등과 관련된 유체역학 문제들

    특히 구와 같은 삼차원 형상의 뭉툭한 물체 주위에서의 유동 제어는 각종 운송체의 고효율화를 통한 연료절감과 밀접한 관련이 있음에도 불구하고 지금까지 많은 연구가 이루어지지 않았다. 따라서 삼차원 뭉툭한 물체에서 항력 및 소음 감소를 얻을 수 있는 효과적인 제어 기법을 개발하여 이를 실제 운송체에 적용하는 것이 본 연구단의 주 목표다. 이와 함께 마이크로 유체소자에서 혼합 증대를 위한 유동 제어, 마이크로 유체소자의 최적형상 설계, 곤충의 날개짓 해석, 복잡한 형상 주위 유동을 해석할 수 있는 효율적인 수치해석 기법 개발 등도 현재 본 난류제어연구단에서 수행되고 있는 주요한 연구 분야들이다.


    연구내용

    뭉툭한 물체 주위의 유동 현상과 제어(Bluff body flow physics and control)

    뭉툭한 물체 주위의 유동은 자동차, 선박, 항공기 등에서 가장 흔히 볼 수 있는 중요한 유동으로서 오래 전부터 많은 연구가 있었다. 본 연구단에서는 뭉툭한 물체의 항력 감소를 얻기 위한 유동 제어에 초점을 맞추어 연구를 수행하고 있다.

    2차원 형상의 뭉툭한 물체의 항력 감소를 위해 본 연구단에서 새로이 제안한 유동 제어 방법인 분포 가진(Distributed Forcing)과 후류 교란자(Wake Disrupter)는 2차원 실린더와 2차원 운송체 모형에 적용했을 경우 각각 20% 이상의 항력감소를 얻을 수 있었다 (그림 2, 3). 특히 후류 교란자는 추가적인 에너지가 필요 없고, 탈부착이 용이하며 간단한 형상의 수동제어자이기 때문에 앞으로 응용 가능성이 매우 크다고 할 수 있다.






















     

    No control

    Control

    그림 2. 분포가진을 통한 실린더 주위의 유동제어


     

    형상저항감소를 위한 팬액추에이터

    형상저항감소를 위한 후류교란자  

    No control

    Control

    그림 3. 이차원 모형운송체 주위의 유동제어   

    3차원 형상의 뭉툭한 물체 주위의 유동 제어는 아직 유동 제어방법에 대한 연구가 많이 이루어지지 않았다. 본 실험실에서는 수학적인 이론을 이용한 준최적 제어(Suboptimal control) 방법을 간단한 형상인 구에 적용하여 3차원 물체의 항력 감소 메커니즘에 대해 연구하고 있다. 또한 보유하고 있는 풍동을 이용해서 이차원 모형 운송체에서 적용한 후류 교란자를 삼차원 모형운송체의 항력 감소에 응용하기 위한 실험이 현재 진행중이다. 

     


    최적 형상 설계 (Optimal Shape Design)

    현재까지 행해온 형상 설계는 시행착오방법에 많이 의존해왔었다. 본 연구단에서는 수학적인 최적 제어 이론을 개발하고 연구 중에 있다. 형상변화에 따른 목적함수의 변화를 변분법을 사용하여 유도하여 형상에 관한 최적조건을 구하고, 이를 만족하는 최적형상을 구하는 방법인데, 유동의 원활한 흐름을 방해하는 박리영역을 최적형상설계를 통해 제거 가능하다. 이 방법을 이용하여 현재까지 micro-channel 과 diffuser (그림 4),

    Curved duct  

    Diffuser   

     

    그림 4. 최적 형상 설계

    자동차의 후부 등의 형상을 결정하였으며, 앞으로 트럭의 앞부분, blade의 최적 형상 설계에 관한 연구를 수행할 예정이다. 이러한 연구 결과를 산업체에서 사용할 수 있는 일반적인 S/W를 개발할 예정이다. 

     



    유동 소음의 예측과 제어
    (Noise Prediction and Control))

    점점 더 고속화되어 가고 있는 운송체에는 필연적으로 유동소음의 증가가 수반되는데, 쾌적한 환경에 대한 대중의 욕구가 계속적으로 증가함에 따라 유동소음 저감의 중요성 역시 크게 부각되고 있다. 따라서 본 연구단에서는 운송체에서 발생하는 소음의 감소를 위한 연구 역시 진행 중에 있다. 현재까지는 라이트힐의 음향학적 상사이론 (Lighthill’s acoustic analogy)을 이용하여, 2차원 (실린더) 및 3차원 (구, side mirror) 뭉툭한 물체에서 발생하는 유동 소음의 해석에 대하여 많은 연구 성과를 얻었다.

     

    (그림 5). 현재는 제트에서 발생하는 유동 소음의 특성에 대한 연구가 진행 중에 있다.

     






















    실린더 주위 유동에서 파생되는 소음 예측 

    Side mirror 주위 유동에서 파생되는 소음 예측 

     

    그림 5. 유동소음 예측 및 제어   

     



    생체 모방 공학(Bio-Mimetic Engineering)

    과학자에게 번뜩이는 영감을 제공하는 것은 자연 속의 생명체들이다. 자연 속의 동물과 식물들은 36억년이란 긴 세월 동안 치열한 생존경쟁에서 살아남기 위해 끊임없이 진화하여 최적의 형태를 가지게 되었다. 생체모방공학은 생명체의 모양, 구조, 행동 등을 연구해서 생물의 이런 뛰어난 능력을 공학에 응용하고자 하는 것이다.

    곤충들 중에서도 잠자리는 많은 주목을 받고 있는데, 그 비행 능력이 탁월하기 때문이다. 약 3억년전에 생겨난 잠자리가 생존경쟁에서 살아남을 수 있었던 것은 이런 비행술 덕분이라고 볼 수 있다. 따라서 잠자리의 날개짓을 연구하여, 초소형 비행체에 적용하고자 하는 시도가 최근 들어 활발히 행해지고 있다. 현재 본 연구실에서는 움직이는 물체 주위의 유동을 모사할 수 있는 수치 방법인 가상경계방법을 개발하였으며, 이를 통해 잠자리의 날개짓을 모사하여 공중정지비행의 메커니즘에 대한 연구를 수행하였다.

    그림 6. 잠자리 주위의 유동   

     























    이용한 마찰 저항의 감소에 대한 연구를 수행하고 있다. 돛새치(sailfish; 그림 7)는 물에서 최대 110km/h의 빠른 속도로 움직이는데, 돛새치의 표면의 구조를 관찰하여 이 표면 구조와 마찰저항과의 관계에 대해 실험을 하고 있다.

     그림 7. 돛새치   

    상어 비늘 형상인 리블렛은 마찰저항을 줄이는데 효과가 있지만 스케일이 아주 작은데 비하여, 돛새치의 표면구조 스케일은 상대적으로 크기 때문에 적용 범위가 넓다. 한편 높은 양력과 적은 항력을 가질 수 있는 날개 형상을 설계하기 위해 날치(그림 8)의 날개 형상을 연구 중에 있는데, 날치는 비행 능력이 상당히 우수하기 때문이다. 날치의 날개 형상과 구조를 분석하기 위해 현재 실제 날치의 날개를 이용하여 풍동 실험을 수행하고 있다.

      그림 8. 날치     

     
























     

























    기대효과

    본 연구의 결과물은 우선 산업, 경제적인 측면에서 그 활용 가능성이 매우 높다고 할 수 있다. 현대의 산업 기술은 운송체의 고속화 및 고효율화 뿐만 아니라 환경친화적인 저소음, 저공해 기술들을 요구하고 있다. 본 연구에서 개발된 항력 감소 기법들은 운송체의 고속화 및 효율 제고를 위한 설계에 응용되어 연료비 절감 및 저소음 운송체의 개발에 활용될 것이다. 또한 최근 급격히 성장하고 있는 스포츠 산업에서도 항력 감소 기술이 중요시되고 있어 이 분야에도 본 연구의 결과물이 활용될 수 있을 것이다. 산업 분야에서의 파급 효과와 더불어 본 연구에서 확보된 여러 가지 뭉툭한 물체 주위 난류 유동에 대한 데이터베이스는 학계의 관련 연구에서 중요한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한 유동장과 소음에 대한 수치해석 기법과 실험적 측정기법의 개발도 관련 연구들에 폭넓게 활용될 것이다. 

    * 촬영에 협조해주신 서울대학교 난류제어연구단 분들께 감사드립니다.

    서브 사이드

    서브 우측상단1