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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
    여러 연구자와 기관 등에 소개하고자 기획되었습니다. 대상은 주로 대학원 석사이상의 최근 5년이내 관련분야의
    대표 학술지나 학술대회에 논문을 투고한 사람입니다. 대상문의(ariass@naver.com)

    • 서준호(Suh, Junho) 교수
      저널 비대칭 가열과 샤프트 열굽힘에 기인 한 회전체 동역학적 불안정성 문제 (Morton effect)
      서준호(Suh, Junho) 교수(부산대학교 기계공학부)
      이메일:junhosuh at pusan.ac.kr
      534 0 1


    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    - 유체저널 베어링과 회전체 동역학에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 진행 중인 연구는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫 번째는 유체저널 베어링의 유막에서 발생하는 비대칭 저널 가열현상으로 인한 회전체의 열 굽힘 및 이로 인한 회전체 시스템의 동적 불안정성에 관한 연구입니다. 현재는 수치해석을 통하여 본 문제에 대한 정확한 수치해석 모델 개발 및 문제 해결 방안을 찾고 있습니다. 본 문제는 모튼현상 (Morton effect, ME)이라고 부르는데, 1970년대 모튼 (Morton)에 의해 처음 발견되었기 때문입니다. 이론적으로 1990년대에 Keogh와 Morton에 의해 어느 정도 연구되었지만, 아직도 모튼이펙트(ME)는 관련 업계 및 학계 전문가들에 의해 완전히 이해되고 있지는 않고 있습니다.

    - 모튼현상 (Morton effect, ME)은 열전달, 열변형, 유체역학, 회전체 동역학 시스템이 복합적으로 상호 작용하여 발생하는 불안정성 문제로, 유체저널 베어링에 지지 된 오버행 된 질량이 큰 회전체에 주로 나타납니다. 비대칭 저널 온도 분포로 인하여 시 변하는 샤프트의 열 굽힘 (thermal bow)는 회전체 속도와 관련하여 히스테리시스 (hysteresis) 거동을 나타내는 회전체 시스템이 파괴되는 진동을 유발할 수 있습니다.

    - 전통적인 동역학 해석의 관점에서는 설계단계 또는 문제 해결 과정에서 모튼현상(ME)이 유발하는 불안정성의 잠재적 존재를 예측하지 못하고 진동 진폭 및 위상 각의 지속적인 변동으로 인해 유도된 과도한 회전체 진동을 기존의 밸런싱 조정 방법을 통해 억제할 수 없습니다. 최근 몇 년 동안 모튼현상(ME)의 사례 연구가 급속히 증가하면서 그것의 원인과 해결책을 분석하는 데 학술적 관심을 불러일으켰습니다. 특히 엔지니어들은 모튼현상(ME)에 관한 연구 초기의 시행착오 접근 방식에서 최근 들어 회전체 및 베어링의 설계변수 변경에 관한 연구로 옮겨 갔습니다. 모튼현상(ME)의 보편적인 해결책이 학계와 산업계에 보고 된 것은 아니지만 이러한 현상을 피하는데 도움이 되는 권장 사항은 이론적인 예측과 사례 연구를 바탕으로 제안됐습니다.

    - 그림1은 모튼현상(ME)에 대한 연도별 논문 출판 수를 나타냅니다. 1990년대 중반 이후 꾸준히 관련 논문이 출판되고 있는 것을 볼 수 있습니다.

    - 저의 모튼현상(ME)에 관한 연구는 기존의 수치해석 모델들이 가지는 여러 한계점을 극복하고 실제 관측된 현상들을 수치해석 모델을 통하여 재현하고 해결책을 제시하는 것입니다. 기존의 연구들은 유체저널 베어링 모델과 회전체 동역학 모델을 결합하는 데에 많은 한계가 있었습니다. 저널베어링을 연구했던 연구자들은 베어링 모델만을 중심으로 모튼현상(ME)을 재현하려고 하였으며, 회전체 동역학이 주 연구 배경이었던 연구자들은 동역학적 관점에서 본 문제를 설명하려고 하였습니다. 하지만 모튼현상(ME)은 베어링과 회전체 시스템이 상호작용하여 발생하는 문제이며 서로의 상호작용을 구현해야만 정확한 현상 재현과 문제 해결책 제시가 가능합니다.

    - 실험을 통하여 본 문제에 대한 해결책을 제시할 수 있지만 모튼현상(ME)이 가지는 특성상 실험을 통한 매개변수변화에 대한 상태변화를 확인하는 데에는 큰 한계가 있습니다. 아래 표와 같이 실험을 통한 접근은 특히 회전체-베어링 시스템과 같이 가공 및 설치가 고가이며 기간이 긴 경우에 학교에서의 연구에는 한계가 있습니다. 하지만 수치해석 접근법의 경우 모델링의 신뢰성이 있다면 복잡한 물리적 현상을 포함한 문제에 대한 해결책을 제시하는 데에 큰 장점이 있습니다.

    - 본 연구 수행을 위한 수치해석 모델은 상용코드가 아닌 Matlab을 이용한 In-house software로 제작이 되었습니다. 다중물리 현상(동역학, 유체역학, 열전달, 열변형)이 상호 작용하는 수치 모델을 제작하기 위해서는 기존의 상용코드가 가지는 한계성이 명확하기 때문입니다. 유한요소법 (finite element method)을 이용하여 각 요소를 모델링 하였으며, 상호작용 모델에 관하여 독창적 모델을 제시하였습니다.

    - 두 번째 연구 카테고리는 유체저널 베어링 해석에 관련된 것입니다. 저의 기존에 출판된 논문에 따르면 모튼현상(ME)은 매우 작은 설계변수의 변화에도 민감한 반응을 보이며, 특히 베어링 설계 인자의 아주 작은 변화와 밀접한 관련을 보였습니다. 예를 들어 1% 미만의 유막 두께 차이에 의해서도 회전체의 동적 거동이 큰 차이를 보였습니다. 이로 인하여 모튼현상(ME)의 정확한 예측을 위해서는 정밀한 베어링 수치해석 모델의 필요성을 알게 되었고 모튼현상(ME)해석과 별도로 고정밀 유체저널 베어링 해석 코드의 개발을 진행하였습니다.

    - 특히 고유한 기하학적 특성에 기인한 안정성으로 인하여 대형 회전체를 지지하는 데에 사용되는 틸팅패드저널베어링(TPJB, Tilting Pad Journal Bearing)의 고정밀 수치해석 모델 개발을 주로 진행하였습니다. 일반 저널베어링과 달리 틸팅패드저널베어링의 경우 패드의 탄성변형 및 열변형 그리고 피벗 점에서의 국부적인 탄성변형이 베어링의 특성에 매우 큰 영향을 미칩니다.

    - 베어링 패드의 탄성 변형을 고려하기 위하여 기존 연구자들이 사용하였던 정적인 반복법(static iteration scheme)을 사용하지 않고 베어링-저널 시스템을 시간에 대해 적분하여 베어링 정특성을 계산하였습니다. 특히 베어링 패드의 3차원 유한요소 모델에 기인하는 해석시간이 비약적으로 증가하는 문제를 해결하기 위하여 모드 좌표 변환을 이용하였습니다.

    - 새로 개발된 다양한 수치해석 모델 기법을 이용하여 기존 틸탱패드저널베어링 수치해석 모델의 최대 단점 중 하나였던 감쇠 계수(damping coefficient)를 과대예측(over prediction)하는 문제점을 해결하였습니다.

    - 이러한 모튼현상(ME) 및 베어링과 관련한 저의 연구를 통하여 개발된 소프트웨어는 개인적인 연구목적뿐 아니라 저의 연구에 관심을 가지는 여러 기업이 사용할 수 있도록 XLVCEL 이라는 소프트웨어로 배포가 되었습니다.

    - 모튼현상(ME)에 관한 논문을 통하여 2014년 및 2016년 각각 주저자 및 공동저자로서 미국 기계학회(ASME)의 Tribology 분과 (Journal of Tribology)로 부터 당해 최우수 논문상을 받기도 하였습니다.




    2. 본인의 대표 논문은?

    1.  Junho Suh, Alan Palazzolo, Yeon-Sun Choi, “Numerical Modeling and Analysis of Flexure-Pivot Tilting-Pad Bearing”, Journal of Tribology, ASME, 2017; 139(5): 051704 – 051704 - 13.

    2.  Junho Suh, Yeon-Sun Choi, “Pivot design and angular misalignment effects on tilting pad journal bearing characteristics: Four pads for load on pad configuration”, Tribology International, 2016, Volume 102, October 2016, Pages 580-599

    3.  Junho Suh, Alan Palazzolo, “Three-Dimensional Dynamic Model of TEHD Tilting-Pad Journal Bearing—Part I: Theoretical Modeling”, Journal of Tribology, ASME, 137(4):041703-041703-11.

    4.  Junho Suh, Alan Palazzolo, “Three-Dimensional Dynamic Model of TEHD Tilting-Pad Journal Bearing—Part II: Parametric Studies”, Journal of Tribology, ASME, 2015; 137(4):041704-041704-15.

    5.  Junho Suh, Alan Palazzolo, “Three-Dimensional Thermohydrodynamic Morton Effect Analysis—Part II: Parametric Studies”, Journal of Tribology, ASME, 2014; 136(3):031707-031707-16.

    6.  Junho Suh, Alan Palazzolo, “Three-Dimensional Thermohydrodynamic Morton Effect Simulation—Part I: Theoretical Model”, Journal of Tribology, ASME, 2014; 136(3):031706-031706-14.


    3. 연구중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

    - 모튼이펙트(ME) 현상을 구현하기 위해서는 시간에 따른 진동, 온도, 열변형 등을 해석해야 하므로 수치적분이 필요합니다. 특히 모튼이펙트(ME)의 경우 회전체-베어링 동역학, 유체압력 및 온도 계산, 회전체-유막-베어링 사이의 열전달 및 그로 인한 열변형을 동시에 수치적분 해야 합니다. 이러한 다중물리계 해석(Multiphysics Analysis)이라는 특수성으로 인하여 기존의 상용코드로는 해석할 수 없다고 판단하여, 수치해석 소프트웨어인 Matlab을 사용하였습니다. 동역학, 열전달, 열변형, 유막해석 코드를 직접 작성하였으며 이들의 상호작용을 고려하여 수치적분 알고리즘을 개발하는 것이 주 업무였습니다. 주로 시차적 분 법 (Staggered Integration Scheme)을 이용하여 다중물리계의 시간과도 응답을 계산할 수 있었습니다.

    - 수치해석이 주 연구 분야이신 분은 이해하실 것입니다. 수치해석 코드를 몇 년 간 작성하다 보면 머릿속에는 온통 코드로만 가득 찹니다. 특히 코드의 한 부분에서 막히게 되면 그 문제에 대한 생각 때문에 잠도 제대로 못 자고 자다가도 새벽에 잠시 눈을 뜨게 되면 코드 생각이 나고 잠시라도 아이디어가 떠오르면 시간에 상관없이 컴퓨터 앞으로 달려가 코드 수정하게 됩니다.

    - 수치해석 코드를 작성하는 데에는 박사과정 동안의 지도교수님이셨던 팔라졸로(Palazzolo) 교수님과의 소통이 매우 큰 역할을 하였습니다. 조금 이상하게 보실 수도 있겠지만, 저희 지도교수님께서는 자신의 사무실에 일주일에 한두 시간 학부생들과의 면담을 위해서만 가시고 나머지 시간은 대학원 연구실에 자신의 책상을 따로 두시고 종일 대학원생들과 함께 계셨습니다. 처음에는 지도교수님이 같은 실험실에 종일 함께 계신다는 것이 매우 불편하고 어려웠습니다. 하지만 연구에 속도가 붙다 보니 교수님과의 미팅시간을 따로 잡지 않고도 하루에도 두세 번씩 교수님과 만나서 연구에 관하여 이야기하며 여러 문제점을 극복할 수 있었습니다. 특히 교수님께서 무심코 던지셨던 한 마디 한 마디가 저의 연구에 없어서는 안 될 큰 역할들을 하였습니다.

    - Dr. Palazzolo는 현재 나이가 60을 넘은 것 같지만 (자세한 나이는 잘 모르며 저희 지도교수님도 제 나이를 모르십니다. 아마도 미국 사회의 특징인 것 같습니다. ^^) 여전히 대학원생들과 실험실에서 연구에 열정을 쏟고 계십니다.


    4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    - 지금까지의 연구는 주로 유체저널 베어링과 모튼이펙트 수치해석 모델 개발에 관한 것이었습니다. 앞으로는 실험을 통하여 제가 개발한 그리고 개발하게 될 수치해석 모델을 직접 검증할 계획입니다.

    - 또한, 그 대상이 주로 틸팅패드 저널베어링과 회전체 동역학이었다면, 앞으로는 다양한 종류의 저널베어링, 구름베어링 그리고 기어 동역학에 관한 연구를 수행하고 싶습니다.

    - 특히 미국 유학 전 현대기아자동차 파워트레인 소음진동팀에서 기어 화인소음에 관한 업무를 수행하였는데, 이곳 부산대학교에서 기어 동역학에 관한 연구를 수행하여 기어 설계 및 기어에서 발생하는 여러 문제를 해결하고 싶습니다.


    5. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    -  현재 전 세계의 다양한 대학 연구실에서 회전 기계 및 이와 관련된 다양한 요소들 (베어링, 실, 댐퍼 등)에 관한 연구가 진행 중입니다. 미국 내에서 이와 관련된 연구를 진행하는 가장 큰 학교는 Texas A&M University와 University of Virginia입니다. 제가 박사과정을 마친 Texas A&M 대학교는 TRC (Turbomachinery Research Consortium)을 통하여 터보 기계 관련 연구를 하는 학생들에게 다양한 연구기회를 제공하고 있습니다.

    - Texas A&M 대학교에서 수행하는 터보 기계에 관한 다양한 연구에 관심이 있는 기업 또는 단체는 연회비 납부 후 TRC 에 참여할 수 있습니다. 특히 매년 여름에 열리는 TRC 미팅에서는 지난 1년간 TRC를 통하여 연구비를 지원받은 연구에 대한 결과 발표와 새로운 연구주제를 제안하는 기회가 제공되며, TRC 멤버(TRC 에 참여하는 기업 또는 단체)는 관심 있는 연구 분야에 투표하고 많은 투표수를 얻은 몇 개의 연구 주제에 TRC를 통하여 다음 1년간의 연구비를 지원합니다. 이러한 연구비에는 연구를 진행하는 대학원생의 학비와 생활비가 포함됩니다.

    - 본 연구비를 지원받은 학생들은 매년 TRC 미팅을 통하여 자신이 수행했던 연구에 대해 결과발표를 하며 그다음 1년간의 연구비를 지원받을 수 있는지에 대한 결과를 기다려야 합니다. 약 한 달여 기간 동안 그 결과를 기다려야 하는데 지금 기억으로 매우 초조했던 시간이었습니다. 왜냐하면, TRC 연구비의 지원이 끊기면 자비로 학비와 생활비를 부담해야 하기 때문입니다.

    - 저는 모튼현상(ME)에 관한 연구를 통하여 작성한 해석소프트웨어를 기업들에 제공하였습니다. 다양한 TRC 멤버들이 제가 개발한 소프트웨어를 사용하였으며, 사용법 및 기능에 대한 다양한 피드백을 받을 수 있었습니다.

    - TRC 지원을 받은 연구 중 일부는 XLTRC2 라는 회전체 동역학 해석 소프트웨어 개발을 하게 됩니다. XLTRC2 는 마이크로소프트 엑셀을 통한 입출력 인터페이스를 제공하며 대부분의 코드들이 포트란(Fortran)을 이용하여 작성되어 있습니다. 또한 본 소프트웨어가 제공하는 많은 수치해석 모델들이 실험을 통하여 그 신뢰성이 검증되었습니다.

    - TRC 멤버들은 연간 회비 납부를 통하여 본 소프트웨어를 1년간 사용할 수 있는 권한을 부여받고 TRC 연구비 지원을 통하여 수행된 다양한 연구에 대한 결과를 리포트로 받아 볼 수 있습니다.



    6. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    - 저의 연구는 매우 실용적인 분야라고 생각합니다. 제가 개발한 회전체 및 베어링 해석 소프트웨어는 지금 당장에라도 전 세계 산업계의 곳곳에 적용될 수 있습니다. 박사과정 동안 XLVCEL 이라는 소프트웨어를 개발하면서 다양한 세계적 기업들과의 소통을 통해 소프트웨어 개발의 방향을 잡았던 기억이 납니다.

    - 제가 가르치게 될 학생들은 산업계에서 바로 중추적 역할을 수행할 수 있는 실용적 인재가 될 것이라고 자부합니다.


    7. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    - 최근 회전기 계가 고속화 및 경량화됨에 따라 기존에 발생하지 않았던 아직은 그 원인조차 불분명한 문제점들이 발생하고 있습니다. 특히 회전체의 고속화로 인하여 베어링에서 발생하는 열로 인한 열변형 문제에 대한 예측 및 그것을 고려한 설계가 매우 중요합니다.

    - 고전적인 회전체 동역학은 1차원 빔 요소가 선형 또는 비선형 스프링에 지지가 되어 있는 모델이 대상이지만 실제 회전체는 강한 비선형 특성을 가지는 베어링에 지지가 되어 있습니다. 베어링은 동역학, 재료, 열, 유체 등 다양한 요소가 결합하여 있으며 정확한 거동 예측을 위해서는 이러한 분야에 대한 지식을 이해해야만 합니다.

    - 저는 학부 시절 동역학 분야에 대한 관심으로 인하여 수강과목을 대부분 동역학 관련 과목으로 한정시켰던 기억이 납니다. 하지만 최근의 연구 경향 또는 산업계에서 발생하는 여러 문제를 보면 열, 유체, 재료, 동역학과 같은 어느 한 분야만 공부해서는 산업계에서 직면한 다양한 문제를 해결하는 데에 큰 한계가 있습니다. 학부 시절 만큼 다양한 분야의 전공과목을 접할 기회가 없습니다. 자신이 좋아하는 분야는 진학 이후에도 얼마든지 공부할 수 있으므로 학부 기간에 다양한 과목의 수강을 통해 시야를 넓히는 것이 중요하다고 생각합니다.




    참고문헌

    [1] Xiaomeng Tong, Alan Palazzolo, Junho Suh, “A Review of the Rotordynamic Thermally Induced Synchronous Instability (Morton) Effect,” Applied Mechanics Review, ASME, 2017, doi:10.1115/1.4037216 (Accepted paper)
     

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    전체댓글 1

    사용자 프로필 이미지
    |2017.07.25
    한가지 분야에 깊은 연구는 꾸준한 끈기가 필요할거 같습니다. 동역학이 특히 그렇더군요. 저도 처음 들은 용어지만. 모튼현상(ME)에 대해서 이렇게 많은 논문들이 있는것도 매우 신기합니다. 두 딸도 너무 이쁘네요..
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