기계·로봇 연구정보센터

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기포 유도 유동제어

박형민 교수(서울대학교 기계공학부) / hminpark at snu.ac.kr 2022-03-17

기체-액체 2상 유동에서 발생하는 기포의 발생, 성장 및 소멸 그리고 이 과정이 주변 환경에 미치는 다상(multiphase)유동 현상을 고정밀로 측정하고 해석하기 위해서는 multiphysics 기반 연구가 필요합니다.

이번 서면 인터뷰에서 만나 보실 박형민 교수(서울대학교 기계공학부)는 기포 역학과 관련한 물리적 메커니즘 및 그 영향을 규명하고, 이를 활용하여 다양한 유동제어에 응용하는 연구를 하고 계십니다. 최근에는 기포를 이용한 해상 유출유 이송기술 개발 및 캐비테이션 기포역학에 대한 실험적 연구를 진행하고 계십니다. 이를 포함하여 다상유동 시스템에서 발생하는 다양한 현상에 대해 중점적으로 이야기해보도록 하겠습니다.

1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

서울대학교 기계공학부에서 다상유동 및 유동가시화 연구실을 지도하고 있는 박형민입니다. 연구실 이름에서 알 수 있듯이 우리 연구실에서는 두 가지 이상의 서로 다른 상(phase)이 공존하면서 영향을 주고받는 다양한 다상유동 현상을 실험, 이론적 분석 및 수치해석 연구를 통해 규명하고, 복잡한 열유동 현상을 정량적/정성적으로 가시화하는 첨단기법을 개발하고 적용하는 연구를 수행하고 있습니다.

일반적으로 다상유동이라고 하면 기체-액체, 기체-고체 또는 고체-액체의 2상유동이나 3가지 상이 모두 존재하는 3상유동을 생각할 수 있는데, 최근에는 기름-물과 같이 서로 잘 섞이지 않는 유체사이의 계면(interface)에서 일어나는 현상이나 이온, 플라즈마, 광자(photon)와 같이 상(phase)에 대한 범주가 넓어지면서 다상유동 해석을 통해 다룰 수 있는 분야가 매우 넓어지고 있습니다.

우리 연구실에서도 (1) 액체 유동과 상호작용하면서 거동하는 기포(bubbles)에 대한 연구, (2) 미세먼지나 바이러스와 같이 공기 중을 부유하는 고체입자들의 거동을 분석하는 연구, (3) 다양한 환경에서 일어나는 액적(droplet)의 거동에 대한 연구, 그리고 (4) 기름-물의 혼합물 유동 특성 연구, 이렇게 크게 네 분야의 다상유동 현상에 대하여 기초 및 응용 연구를 진행하고 있습니다.

여기에 유체의 흐름과 물체(또는 표면) 사이에서 발생하는 현상을 규명하기위한 fluid-structure interaction 연구와 기능성 표면(functional surface)을 이용한 유동제어 연구를 수행하고 있습니다. 많은 연구주제들이 메커니즘을 규명하고 설명할 수 있는 물리적인 모델을 도출하는 기초연구적인 성격을 가지고 있지만, 최근에는 반도체공정, 전기전자제품, 원자력발전 등 에너지산업, 조선산업 등 다양한 분야에서 다상유동 현상과 관련된 난제들에 대한 기술수요가 증가하여 함께 고민하고 협력연구를 수행하고 있습니다.

2. 기포(bubble)를 이용한 다양한 연구를 수행하고 계신데요, 기포에 의해서 발생하는 현상이 가지는 특징에 대해서 설명 부탁드립니다.

다상유동 현상 중에서 기체-액체 2상유동(gas-liquid two-phase flow)은 멈춰있거나 흐르는 상태의 액체 안에서 비등, 캐비테이션 등 물리적인 이유로 또는 인위적으로 외부에서 인가된 기체가 마이크로-밀리미터 크기의 기포 형태로 움직이면서(나노스케일의 기포는 다른 역학적 고려가 필요합니다. 발생하는 주위 유동장과의 역학적인 상호작용으로 이해할 수 있습니다. 많은 경우에 있어서 기포는 부력에 의해 상승하는 운동을 하고 형상은 구형에 가깝기 때문에 간단한 현상으로 예상하지만, 정지된 액체 속에서 상승하는 한 개의 기포만으로도 그 크기가 증가함에 따라 상승궤적이 수직에서 벗어나고 기포의 형상도 크게 변형하는 불안정성이 나타납니다.

이러한 변화는 기포와 액체상의 상호작용의 결과이며, 또한 기포에 의해 액체 유동의 특성이 변화하는 핵임이기도 합니다. 기포의 수(또는 기포가 차지하는 부피분율)가 증가하면, 이러한 기포-액체 상호작용은 더욱 복잡해지는데 다양한 기포 기반의 응용기술을 구현할 수 있는 매우 흥미로운 현상이라고 할 수 있습니다.

중요한 몇 가지 현상에 대해서 부연 설명을 드리면, 먼저 상승하는 기포의 궤적 불안정성(path instability)에 대해 말씀드리겠습니다. 부력이 중력의 반대방향으로 작용하기 때문에 정지한 액체 속의 기포는 수직한 궤적을 따라서 항상 상승할 것으로 예상되지만 기포의 크기가 어느정도 커지게 되면 상승궤적이 좌우로 흔들리는 패턴으로 바뀌는데, 이를 궤적 불안정성(path instability)라고 합니다.

궤적 불안정성이 시작되는 기포의 크기는 기체-액체의 종류에 영향을 받지만, 공기-물의 경우를 기준으로 1.1 – 1.3 mm 보다 작은 경우 구의 기포가 직선궤적을 따라서 상승하는 현상이 나타납니다. 그 보다 기포가 커지면, 럭비공과 같은 타원체로 형상이 바뀌면서 2차원의 지그재그 또는 3차원의 나선궤적을 따라서 상승하는 변이가 일어납니다. 기포의 크기가 5 - 6 mm 이상으로 더 커지면 기포의 형상이 심하게 변하면서(wobbling) 궤적이 상하로 진동하는 rocking 움직임을 가지게 됩니다.

궤적 불안정성이 나타나는 메커니즘은 상승하는 기포의 후류(wake)에 만들어지는 유동구조(flow structure)의 변화(wake instability)입니다. 작은 기포의 경우에는 기포 주위에 생성된 와도(vorticity)장, 즉 유속의 변화가 있는 전단층(shear layer)이 안정적으로 정상상태(steady state)를 유지하기 때문에 측면방향으로 작용하는 힘이 존재하지 않지만, 기포의 크기가 커지면 발생하는 와도의 크기가 증가하여 전단층의 불안정성이 발생하게 되는데, 후류의 유동구조는 서로 반대부호(회전방향)를 가지고 있는 와류쌍(vortex pair)으로 바뀌게 됩니다.

서로 반대 방향으로 회전하는 와류 간의 상호작용으로 인해 측면방향으로 유체의 흐름이 유도되며, 기포 후류의 와류구조가 주기성을 가지고 부호가 바뀜에 따라서 기포는 유도되는 유동의 반대방향으로 움직이게 되고, 와류쌍이 서로 나선형으로 감싸는 형태로 발달이 되면 기포 역시 나선궤적을 따라 상승하게 됩니다.

상승하는 기포의 후류에서 생성되는 유동구조는 기포의 움직임을 결정함과 동시에 액체 유동의 중요한 성질, 즉 난류특성을 변화시키는 핵심 요인이기도 합니다. 기포가 상승하면서 물리적으로 기포의 계면이 직접적으로 주변의 액체를 밀어내는 것도 중요하지만, 기포가 지나가고 생성되고 발달, 소멸하는 후류구조는 기존의 액체상의 유동구조와 상호작용하여 강한 유동 교란(agitation)을 일으킨다고 볼 수 있습니다.

많은 수의 기포를 인가하였을 때 유발되는 유동의 특징은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있는데, 하나는 상승하는 기포 후류의 와류구조를 따라서 수직방향으로 동반(entrained)되어 유도되는 것이며, 다른 하나는 시/공간에 따라서 섭동하는 성분입니다. 이 중 후자는 특히 단상 난류유동(turbulent flow)과 유사한 통계적/물리적 특징을 가지고 있기 때문에 의사난류(pseudo-turbulence)라고 부르기도 하며, 학문적으로도 매우 중요한 현상으로 많은 연구가 되고 있습니다.
특히 매우 적은 양의 기포를 이용하여도 매우 큰 난류량을 유발할 수 있다는 점은, 기포가 만들어내는 교란의 스케일 및 세기를 결정하는 메커니즘을 이해하고 응용할 수 있다면 다양한 분야에 활용이 가능하다는 잠재력을 가지고 있다고 할 수 있습니다.

3. 기포에 의해 발생하는 다양한 현상을 말씀해주셨는데요, 그 중 기포를 이용한 유체혼합 증진에 대한 연구에 대하여 설명 부탁드립니다.

기포를 포함하는 유동(기포류 유동, bubbly flow)을 응용할 수 있는 분야로 유동혼합(fluid mixing)을 예로 들 수 있습니다. 통상적으로 두 개 이상의 유체를 혼합하는 방식으로는 회전하는 날개(프로펠러) 등을 이용하여 강한 기계적인 운동량을 주는 방식이 가장 보편적입니다. 하지만, 신약개발을 포함하는 바이오 분야나 식품제조공정 등과 같은 분야에서는 각각의 물질들이 본래 가지고 있는 물리적 및 화학적 성질을 해치지 않으면서 효과적으로 혼합하는 것이 필요하기 때문에, 기계적인 메커니즘으로 교란을 주는 기존의 방식으로는 한계가 있습니다.

기포를 이용한 혼합은 이를 극복하고 효율적으로 유동혼합을 달성할 수 있는 기술로 많은 관심을 받고 있습니다. 기포에 의한 유동혼합은 스케일에 따라 다른 메커니즘이 작용하는데 기포 후류 유동구조에 의해서 이끌려서 올라가는 유동에 의한 큰 스케일의 혼합과 기포 후류가 유발하는 섭동(fluctuation) 유동에 의한 작은 스케일의 혼합으로 나누어 볼 수 있습니다.

혼합이 이루어지는 용기(탱크)의 크기가 기포가 주입되는 위치보다 큰 경우에는 수직방향으로 유동을 유도하여 용기 내부를 순환하는 큰 스케일의 유동구조를 만드는 것이 유리하기 때문에, 상승하는 기포가 가지고 있는 에너지가 액체상의 수직방향으로의 운동량(또는 질량 유동)으로 효율적으로 전달될 수 있도록 하는 것이 매우 중요합니다. 하지만, 주입한 기포들이 혼합이 이루어지는 용기를 가득 채우는 경우에는 수직방향으로 이끌어져서 만들어지는 유동구조 뿐 아니라 국부적으로 발생하는 섭동 유동과 측면방향으로의 유동 역시 유체혼합을 증가시키는 역할을 합니다.

따라서 단순히 많은 양의 기포를 한꺼번에 주입하는 것이 항상 유동혼합 성능을 극대화하는 방법이 아니며, 조건에 따라 최적화할 필요가 있습니다.

기포에 의한 혼합의 대상을 열로 확장한다면, 열전달(heat transfer) 효율을 높이는데 기포에 의해 유도되는 유동장을 이용할 수 있습니다. 즉, 가열된(냉각된) 표면을 냉각(가열)하기 위하여 단상(single-phase)의 냉각수(가열수)를 이용하는데, 이 때 다수의 기포를 포함하는 기포류 유동을 주입한다면 벽에서 멀리 떨어져 있는 낮은(높은) 온도의 유체를 빠르고 효과적으로 벽 쪽으로 유도하여 열전달을 제어할 수 있습니다.

지그재그 또는 나선궤적을 따라 상승하는 기포의 경우 후류의 와류구조에 의해 수평방향으로 유체의 흐름이 유도되며, 기포와 벽 사이의 거리가 어느 정도 가까운 경우에 단 하나의 기포에 의해 최대 3배 이상의 열전달 성능이 향상될 수 있음을 밝혔습니다. 기포를 이용한 열전달 성능 향상기술은 전기자동차의 배터리 및 고성능 슈퍼컴퓨팅 서버의 냉각과 같이 높은 열 발산을 수반하는 첨단 기술에 적용이 가능한 차세대 냉각기술로 주목을 받고 있습니다.

4. 과거 해상에서 선박 기름이 유출되면, 액체상태의 기름을 오일펜스로 모아서 방제장비로 회수하거나, 유흡착재로 제거했습니다. 최근 대기오염물질 발생 저감을 위해 저유황 연료유를 사용해야하는데요. 문제는 저유황유의 유동점(응고되는 온도)가 평균20℃ 정도로 다른 기름에 비해 높아 해상에 유출되면 빠르게 고형화된다는 점입니다. 고형화된 저유황유와 관련한 다양한 연구가 진행되고 있는 것으로 알고 있는데요. 연구하고 계시는 기포기술 기반 LSFO 이송기술 개발에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

2020년 국제해사기구(IMO)는 황 함유량 등을 포함한 환경 규제를 전세계적으로 강화하였고, 2020년 1월 1일을 기준으로 배출통제 해역(Emission Control Area, ECA)을 제외한 전 해역에 저유황유(LSFO, low sulfur fuel oil)를 사용하게 되었습니다. 기존의 bunker 계열의 선박유와 비교하여 LSFO의 경우 유동점이 매우 높은 특성을 보이고 있고 유출후 고형화 속도가 빨라서 해상에서의 유출사고에 대응할 수 있는 기술 및 장비에 대한 준비가 시급한 상황입니다.

이러한 목적에서 우리 연구실은 한국과학기술연구원(KIST), 홍익대학교 및 해상방제기기 전문업체(㈜코아이, 세인프로텍)와 공동 연구를 수행하고 있습니다. 특히 우리 연구실이 관심을 가지고 있는 부분은 방제작업을 통해 회수한 저유황유를 이송하는 기술인데요, 유동점 이하 온도에서 관 이송 시 기름이 벽면에 붙어 고착화되면 호스 단면의 형상 변화를 일으키고, 그에 따른 압력 손실, 막힌 관의 유지보수를 위한 추가 비용이 필요하고 이송 호스 터짐 등에 의한 오염 사고 위험이 따를 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 기포를 포함하는 기포류 유동을 이용하는 기술을 개발하고 있습니다. 벽 근처를 흐르는 유체의 흐름은 필연적으로 속도의 구배(gradient)를 가지게 되며, 이러한 비균일한 속도 분포(shear)는 상승하는 기포가 측방향으로 이동(migration)하도록 힘을 작용하는 것에서 핵심 아이디어를 얻었는데요,

shear-induced lift force로 정의되는 이러한 힘은 기포의 유체흐름에 대한 상대속도와 액체상 속도 구배의 조합으로 결정이 됩니다. 이 힘은 앞서 설명한 궤적 불안정성을 유발하는 측방향 힘과는 다른 것으로, 개별 기포는 자신의 상승궤적(수직, 지그재그 또는 나선형)을 따라 상승하면서 동시에 액체상의 속도 구배에 영향을 받아 벽 방향으로 이동하게 됩니다. 예를 들어, 수직하게 세워진 관 내부를 따라 상승하는 액체 유동의 속도는 벽면에서 0이되고 중앙에서 최대가 되는 분포를 가집니다. 이 때, 기포를 주입하면, 기포의 크기가 작은 경우에는 벽으로 향하는 방향으로 힘이 작용하여 벽 근처에 기포들이 모이는 wall peaking 현상이 나타납니다. 즉, 관의 벽 근처에 많은 기포들로 공기층을 형성하여 물과 함께 이송되는 저황유는 관의 중심 영역에서 이동하게 만드는 것이며, 이를 통해 기름이 원천적으로 관의 벽면과 만나지 못하도록 하는 것이 첫 번째 전략입니다.
두 번째 방법은 앞서 말씀드린 기포에 의해 유도되는 유체 교란을 이용하는 것인데, 관 내벽에 고착화되어 있는 LSFO를 기포 제트 유동의 강한 난류에너지를 통해 박리시키는 기술입니다. 단순히 물을 흘려보내서는 강하게 붙어있는 LSFO를 떼어 내는 것이 매우 어렵지만, 기포에 의해 더해지는 큰 난류섭동 에너지를 이용하여 이를 극복하는 것입니다.

이 연구는 현재 실험실 스케일에서의 실증연구를 통해 개념을 검증하는 단계를 마쳤으며, 방제기기 전문 업체와 협업을 통해서 큰 스케일의 장비를 직접 제작하여 실험 및 최적화 연구를 시행하고 있는 단계입니다. 그 이후에는 상용화를 통해 국내 방제 작업 뿐 아니라 해외시장으로 진출까지 계획하고 있습니다.

5. 이러한 유회수기 기술 및 시장에 대해서 국내, 국외 상황을 비교해주신다면 어떤가요?

최근인데, 2020년 7월 25일에 일본 화물선(와카시오)이 모리셔스 해안에 좌초되는 사고가 발생하여 저유황유 1190톤 이상이 유출되었고, 복구비용으로 400억원이 소요되고 일본 정부가 3151억원 규모의 차관을 검토하고 있다는 뉴스가 보도되기도 하였습니다. 아직까지는 전 세계적으로 LSFO의 특화된 대응능력을 가지는 방제기술이나 장비가 확보된 것이 아니라, 기존의 선박연료유에 대응하기 위하여 개발된 기술/장비를 사용하고 있는 실정입니다.

저유황유 유출과 관련한 해양오염사고 건수는 이후로 계속 증가하고 있으며, 저유황유 고형화에 따른 문제점을 발견한 노르웨이 등 북유럽을 중심으로 저유황유 대응 장비를 개발하고 있습니다. 우리나라 역시 해양경찰청을 중심으로 R&D 사업을 시작하여 다양한 경로로 연구개발을 서두르고 있습니다. LSFO 이전에 사용되었던 선박연료유 대응 장비 및 기술은 미국, 유럽, 호주 등의 국가가 기술 및 장비를 선도하고 있었으며, 우리나라 역시 몇몇 방제 기기 전문업체를 중심으로 독자적인 기술을 보유하고 있습니다. 해외 업체들의 대형장비들의 가격이 매우 비싸기 때문에, 현재 어느 누구도 두각을 나타내고 있지 못하는 LSFO 대응을 위한 기술개발 분야에서, 먼저 세계시장을 선도할 수 있는 위치에 설 수 있는 좋은 기회라고 할 수 있습니다.

6. 코로나로 인해 이동형 음압병동에 관심이 모이고 있습니다. 연구하고 계신 이동식 음압실 유동 최적화 설계 및 실험적 검증이 다상유동과 어떠한 관계가 있는지, 왜 중요한지에 대하여 자세한 설명 부탁드립니다.

앞서 우리 연구실에서 연구하고 있는 다양한 다상유동 현상을 소개해드렸는데요, 지난 2년 동안 전 세계가 고통을 겪고 있는 코로나 바이러스가 전파되는 경로 역시 공기 중을 부유하는 입자의 거동 또는 농도분포의 문제로 생각해볼 수 있습니다. 특히 환기가 제대로 되지 않거나 공기의 흐름에 영향을 받아서 바이러스와 같은 유해입자들을 빠르게 제거하지 못하게 되면 피해가 급격하게 커지는 것을 다양한 사례를 통해 확인하였습니다. 이는 직접적으로 환자와 의료인력이 대면하게 되는 음압병동 또는 선별진료시설에서도 매우 중요한 문제인데, 의심환자의 수가 폭발적으로 증가하면서, 이동식으로 이러한 음압병동시설을 개발하는 것이 필요하게 되었습니다.

우리 연구실은 연세대학교 강남세브란스 병원, 음압병동 제작 전문업체(한국ENC), 그리고 카카오모빌리티와 협력연구를 통해 이동식 차량형 음암병동을 개발하는 연구를 진행하고 있습니다. 보통 음압시설이라고 하면 당연히 바이러스와 같은 유해물질로부터 차단이 되고 안전한 것으로 여겨지지만, 현재 국내에는 유체역학적 고려를 통해 최적화가 이루어진 음압시설이 없는 현실입니다.

따라서 전산유체역학(computational fluid dynamics)과 실험적(공학적) 검증을 토대로 급,배기구의 위치 및 유량과 소독 방식에 대한 최적화와 그 성능에 대한 고정밀 평가가 필요하며, 우리 연구실이 담당하고 있는 연구내용이 다상유동 관점에서의 메커니즘을 규명하고 최적조건을 도출하는 것입니다. 이렇게 최적화된 음압시설의 성능 향상(병원균 제거율 향상 및 소요시간 감소)을 통해 적은 수의 음압시설로도 3-4배 더 많은 환자를 수용할 수 있도록 활용도를 높이고 접근성을 향상시킬 수 있습니다. 그림에서 나타난 바와 같이, 다양한 조건의 공기조화 시스템에 대하여 환자로부터 배출되는 입자들의 거동(즉, 제거효율)을 수치해석하여 분석하였으며, 가장 빠르게 유해입자를 제거할 수 있는 유동구조의 조건을 규명하였습니다. 앞서 기포를 이용한 유동혼합에 대해서 말씀드렸는데요, 입자를 제거하기 위해서는 유동혼합이 잘 일어나지 않도록 유동구조를 만드는 것이 핵심 메커니즘입니다.

즉, 격실 내부에 고르게 유해입자가 퍼지는 것을 피하고 환기구(또는 필터)가 있는 곳으로 입자을 유도하여 바로 빠져나가게 할 수 있는 유동을 만드는 것이 중요합니다. 현재는 최적화된 메커니즘을 적용한 시작품을 제작하여 전문기관의 시험을 받고 있는 단계에 있습니다.

7. 이동형 음압병동은 프리필터와 헤파필터가 적용된 고성능 음압기가 탑재되어 있어야하며 각 종 의료용 산소공급장치와 응급의료장비, 이동식 흡인기, 제세동기 등 각종 의료장비와 환자관리를 위한 환자 호출 장치, 환자 관찰 web 카메라 등 엄청난 최적화 설계가 필요할 것 같습니다. 어떠신가요?

맞습니다. 음압격실의 목적에 따라 다양한 집기류, 가구 및 의료기기 등이 놓이게 되고, 환자의 존재 유무나 상태, 그리고 격실의 문을 열고 닫는 모든 것이 음압실 내부의 유동 또는 입자의 거동에 영향을 주게 됩니다. 따라서, 다양한 내부 형상이나 조건에 모두 적용이 가능한 설계원리나 메커니즘을 도출하여 적용을 하지 못했던 것이 사실입니다.

하지만, 앞서 설명드린 기본원리, 즉 유해입자를 분산시키는 것이 아니라 입자를 포함하는 잘 조직화된 유동구조를 만들어서 빠르게 격실 밖으로 배출할 수 있도록 내부구조를 설계하는 원칙을 따른다면, 환경이 바뀌어도 충분히 대응이 가능할 것으로 기대하고 있습니다. 현재 이러한 목표를 가지고 다른 환경/목적의 음압격실/병동을 타깃으로하여 후속 연구도 진행하고 있습니다.

8. 딥러닝은 다양한 분야에서 사용이 되고 있는데요, 이러한 다상유동 연구를 하는데 적용을 하고 계신다고 들었습니다. 그 내용에 대해서 설명 부탁드립니다.

다른 분야도 마찬가지이지만 유체공학을 연구하는 도구로서 딥러닝 또는 머신러닝 기반의 알고리즘이나 기법이 많이 사용이 되고 있고, 우리 연구실에서는 기체-액체 2상유동에 대한 실험연구의 기법을 고도화하는 데 적용을 해보고 있습니다. 많은 종류의 알고리즘이 존재하지만, 전통적으로 딥러닝 알고리즘이 큰 성공을 거둔 분야는 이미지에서 특정 개체를 분류하거나 추적하는 것에 착안을 하였습니다.

우리 연구실에서 기포류 유동 실험연구에 사용하는 방법이 기본적으로 광학적으로 측정한 이미지를 정량적으로 분석하는 2상 입자영상속도측정 기법인데 복잡한 3차원 현상을 2차원의 평면 이미지로 측정을 하기 때문에, 기포의 수가 증가하게 되면 기포의 이미지들이 겹치게 되고 또한 구형에서 벗어나서 복잡하게 변형하는 형상을 정확하게 측정하는 것이 매우 어렵습니다. 또한 실험에 이용한 광학조건(빛의 세기, 방향, 카메라 세팅 등)에 따라서 얻어지는 이미지의 상태도 매우 다양하기 때문에, 단순한 이미지처리 알고리즘으로 기포를 높은 정확도로 구분하는 것이 매우 어려우며, 결국 연구자가 수동으로 개별 이미지를 확인해야 합니다.

우리는 여러 딥러닝 알고리즘 중에서 Mask R-CNN 알고리즘을 train하여 적용을 하였는데요, 모든 딥러닝 최적화가 마찬가지이지만 train을 위해 사용하는 데이터의 퀄리티가 알고리즘의 성능을 결정하게 됩니다. 앞서 말씀드린데로 우리 연구실은 매우 다양한 종류의 기체-액체 2상유동에 대해서 연구를 수행하고 있기 때문에, 그 만큼 다양한 이미지들을 보유하고 있었으며, 또한 기포류 유동의 물리적 특성에 대한 이해나 경험도 많이 가지고 있었습니다. 이를 바탕으로 어떠한 데이터들을 조합하여 train을 했을 때 최적의 알고리즘을 얻을 수 있을지에 대하여 방향을 잘 잡을 수 있었습니다.
최종적으로 도출한 알고리즘으로 train을 하는데 사용한 이미지는 물론 train에 사용하지 않은 이미지에서도, 기포 이미지들이 복잡하게 겹쳐있는 경우에서도 성공적으로 기포를 추출하여 추적할 수 있음을 확인하였고, 이에 대한 온라인 소스를 공개해두었습니다. 특히, 이 기법은 기존의 이미지처리 기법을 이용하였을 때에 비해 훨씬 빠른 계산 속도가 소요되기 때문에, 큰 용량의 데이터를 빠르게 처리할 수 있다는 장점도 있습니다.

9. 다상유동 현상에 대한 기초연구부터 해상 저유황유 확산 방지 연구 및 음압실 유동 최적화 등 응용연구까지 넓은 스펙트럼의 연구를 진행함에 있어서 많은 어려움이 있을 것 같은데요. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

연구실에서 실험을 하거나 수치해석 또는 이론적으로 모델링을 하는 다상유동 현상들은 대부분 매우 잘 제어된 (이상적인) 환경에서 정의된 문제들이라고 할 수 있습니다. 따라서 도출된 메커니즘을 가지고 실제 산업체 공정이나 상용제품 또는 바다와 같은 실환경에 적용이 가능한 기술로 바로 연결되는데에는 항상 생각하지 못한 어려움이나 한계들을 만나게 됩니다. 예를 들어, 현재 진행 중인 LSFO 대응 방제기술 개발 연구 전에, 동일한 공동연구진과 함께 실해역에서 사용할 수 있는 자동화유회수장비를 개발하는 연구를 하였을 때, 연구실에서 실험과 수치해석을 통해 최적화된 성능을 나타낸 장비가 실제로 바다에 나가서 시운전을 하고 테스트를 하는 과정에서 거친 바다환경의 불확실성으로 목표로 하는 성능을 달성하지 못하는 경우가 많았습니다.

여러번의 반복된 현장 테스트와 피드백을 통해 문제를 해결하고 성공적으로 장비를 개발(2020년 10대 기계기술 선정)하는 과정에서 배운 점은, 우리가 공학자로서 갖춰야할 여러 가지 소양이나 목표의식이 있지만 연구결과나 개발한 기술의 실용적인 가치를 높이기 위해서는 실제 현장과 매우 밀접한 관계를 가져야 한다는 것이고, 그런 과정을 어려워할 필요는 없다는 점입니다. 이는 비단 다상유동 분야의 연구에만 국한되는 것은 아닐 것으로 생각됩니다.

10. 위의 다상유동 관련 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

우리 연구실에서 기포와 관련한 연구를 올해로 10년 동안 꾸준히 하고 있는데, 단편적이었던 조각들이 모여서 이제 어느 정도 큰 그림을 그릴 수 있는 것 같습니다. 어떠한 현상들이 서로 연결되어 있고, 그 메커니즘들이 필요한 분야나 기술들이 어떤 것들이 있는지 알아가는 과정에서 많은 새로운 연구분야들을 도출할 수 있습니다. 예를 들면, 기포를 구성하는 기체 성분을 목표가 되는 액체상에 공급하기 위한 물질이송 및 확산의 수단으로 기포를 이용할 수 있습니다.

우리 주변에서 가장 쉽게 찾아볼 수 있는 예는 물고기를 키우는 어항에 산소를 공급하고 동시에 내부의 물을 순환시키기 위하여 공기기포를 주입하는 설비입니다. 최근에는 이러한 메커니즘을 큰 스케일의 농업 및 환경 문제를 해결하기 위한 기술이 상용화되어 실제로 적용이 되고 있는데, 산소의 공급 및 순환을 원활하게 하기 위한 bubble-assisted circulation 기술은 연못/하천의 수질관리 또는 관개설비의 핵심기술이 될 것입니다.

또한 기포의 움직임과 그로 인에 의해 유도되는 유동장의 변화를 이용한 기술들은 폐수처리, 광물 정재 공정 등과 같이 유동혼합과는 반대의 개념으로 붙어 있는 물질들을 분리하는 수단으로도 사용되며, 매우 긴 노즐 어레이를 통해 만들 수 있는 기포커튼의 경우 해상의 부유 오염물의 유입을 막고 원하는 방향으로 보낼 수 있는 환경기술로 연구를 하고 싶습니다.

기존의 유동제어 방법과 비교하여 기포를 이용한 메커니즘은 에너지 효율적이며 친환경적인 장점이 있기 때문에 매우 큰 잠재력을 가지고 있다고 할 수 있습니다. 물론 기포를 포함하는 문제 이외에도 여전히 반도체공정이나 가전제품의 성능을 결정하는 많은 다상유동 문제들이 있는데, 이를 해결하고 싶습니다.

11. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

유체공학 특히 다상유동 현상은 우리 일상생활과도 밀접하며 거의 모든 분야의 기술, 장비의 성능이나 안정성에 중요한 영향을 미친다고 볼 수 있습니다. 물론 서로 다른 상간의 상호작용이 광범위한 스케일에서 발생하는 문제이며, 전기, 화학, 재료 등 다양한 분야의 지식이 필요한 분야이기 때문에 도전적인 분야이기도 합니다. 전 세계적으로도 특정 문제에 특화된 연구그룹은 있지만 통합적인 연구를 수행하는 연구진은 많지 않습니다.

이러한 상황에서 기초와 응용을 아우르는 지식과 경험을 두루 갖춘 다상유동 전문가의 진로는 매우 밝다고 생각하고 있고, 최근에 우리 연구실에서 학위를 받은 석, 박사들의 경우를 보아도 확인할 수 있었습니다. 마지막으로, 통상적으로 팬시한 첨단기술이라고 각광을 받고 있는 분야들이 난제들을 극복하기 위해서 결국에는 역학적인 지식이나 이론을 찾게 된다는 점은, 유체공학(다상유동)을 중심으로 할 때 다양한 학문분야와의 협력연구를 성공적으로 수행할 수 있다는 것을 말씀드리고 싶습니다.

Multiphase flow
Bubbly Flow
Fluid-structure Interaction
Particle-laden Flow
Functional Surfaces

다상유동 및 유동가시화 실험실

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