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곡면 충돌제트의 3차원 열-유체공학적 특성 연구
김미래 (Mirae Kim)(부산대학교 Rolls-Royce대학기술센터 연구교수) / futurekim at pusan.ac.kr

1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

- 안녕하십니까, 저는 부산대학교 Rolls-Royce대학기술센터 소속 연구교수 김미래입니다. 저는 기계공학을 전공하였으며, 주로 난류 유동의 열유체공학적 특성에 대한 다양한 실험 기반의 연구를 수행하였습니다. 2019년 “Three-Dimensional Flow Structure and Heat Transfer Characteristics of Jet Impinging on Curved Surface(곡면에 충돌하는 제트의 3차원 유동 구조 및 열전달 특성에 대한 연구)”에 대한 졸업논문을 발표하며 공학박사 학위를 수여받았습니다. 졸업 후 한국연구재단의 박사후 국내연수 과제를 수행하였고, 1년간 독일 항공우주센터(German Aerospace Center, DLR)에서 방문연구를 수행하였습니다. 현재는 한국연구재단 신진연구지원사업 세종과학펠로우십 과제의 연구책임자로 선정되어 연구교수로 꾸준한 연구를 수행 중입니다.

2. 고온의 평판이나 물체에 액체를 직접 분사하여 냉각시키는 높은 열전달 효과를 이용하는 충돌제트(impinging jet)가 여러 산업분야에서 다양하게 이용되고 있는데요. 이러한 충돌 제트의 3차원 유동 구조 및 열전달 측정 기술에 대해서 논문을 내신 걸로 압니다. 이에 대한 자세한 설명을 부탁드립니다.

- 충돌제트는 열과 물질의 전달에 국부적인 효과가 있으며 다양한 형태의 물체에 적용 가능하고 쉽게 구현할 수 있습니다. 이러한 특성을 바탕으로 터빈 날개의 냉각, 금속의 열처리, 유리의 건식 공정 등 다양한 산업 분야에서 활용됩니다. 대부분의 사전연구는 주로 제트가 평면에 충돌하는 경우에서 수행되었으나, 실제로 제트는 기계 및 각종 부품의 곡면에 충돌하는 경우가 더 많습니다. 따라서 저는 볼록한 곡면에 충돌하는 제트의 유동 및 열전달 특성에 대해 연구하였습니다. 2차원 입자 영상 유속계 (Particle Image Velocimetry, PIV)를 이용하여 제트 충돌 중심면에서의 속도장을 획득하였습니다. 코안다 효과로 인해 빠른 유속에도 불구하고 대부분의 유동이 곡면에 부착되어 흘렀으며, 충돌각도 및 레이놀즈 수가 커질수록 유동 박리가 지연되었습니다.



- 원형 제트가 실린더에 충돌하는 것은 단순한 기하학적 구조입니다. 그러나 충돌 후에는 유동이 원주 방향으로 뿐만아니라 실린더의 축 방향으로도 흐르는 복잡한 3차원 유동구조를 가지고 있습니다. 2차원 PIV의 경우 한 면에서의 속도장을 획득하기 위해서는 3번의 측정이 필요하였습니다. 이러한 복잡한 유동구조를 한 번의 실험으로 획득할 수 있을지 도전이 되었습니다. DLR의 Andreas Schroeder 교수님의 연구팀과 함께 4차원 라그랑지안 입자 추적 유속계 (Particle Tracking Velocimetry, PTV) 측정을 수행하였습니다. 가변 시간 단계를 적용한 라그랑지안 입자 추적과 데이터 assimilation을 사용하여 한 번의 실험으로 고해상도 3차원 유동 구조를 획득하였습니다.



- 충돌제트에 의해 냉각되는 실린더 표면의 과도 열전달 특성을 열감지 인광체 온도계(Thermographic phosphor Thermometry, TPT)를 이용하여 측정하였습니다. 인광물질에 강력한 자외선을 비추면 인광이 나오고, 이 인광은 산소 농도와 온도 변화에 따라 소광 특성이 달라집니다. 열감지 인광체는 이러한 온도에 따른 인광 수명 시간 변화의 특성을 이용하는 물질로, 다른 온도장 측정법에 비해 적용성 및 정확도가 우수하다는 장점이 있습니다. 열감지 인광체를 실린더 표면에 코팅하여 시간-분해(Time-resolved) 표면 온도장을 일정한 열유속 조건에서 정량적으로 가시화하였습니다. 제트가 실린더에 충돌한 후 대부분의 유체는 코안다 효과로 인해 곡면을 따라 이동하며, 3차원 곡면 제트(Curved wall jet)가 횡방향과 유선방향으로 발달합니다. 따라서 높은 열전달의 영역이 유선방향으로 길어지게 되며 벽면 제트에 대한 곡률의 안정화 효과로 인해 열전달의 2차 피크는 평면에서의 열전달과는 달리 명확하게 관찰되지 않았습니다.




3. “고온 연료전지의 성능 향상을 위한 열관리 혁신 기술”에 대해서도 소개를 부탁드립니다. 여기에도 충돌제트 기술이 포함되는 건지요?

- 네, 충돌제트의 열전달 측정에 사용된 열감지 인광체 온도계 기술을 접목할 수 있습니다. 해당 연구는 현재 진행 중인 세종과학펠로우십 과제(고온 연료전지의 성능 향상을 위한 열-응력장 동시 측정 기술 및 인공지능 기반 고장예지 플랫폼 개발)입니다. 본 연구는 기능성 인광 입자를 사용하여 온도와 응력을 동시에 측정하는 기술을 개발하고, 빅데이터의 딥 러닝을 통한 인공지능 기반 고장예지 플랫폼을 구축하여 고온용 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 성능 향상 및 평가 기술 개발을 최종 목표로 합니다. SOFC는 고온에서 작동하므로 내부 유동 및 연료 소모에 의한 열응력 발생 및 재료 간의 열팽창 차이에 의한 기계적 변형 등의 열화 현상이 일어납니다. 이러한 현상을 억제하기 위해서는 SOFC의 단일 셀 및 스택 표면의 온도장 및 응력장 측정 데이터를 통한 열화 메커니즘에 대한 이해와 분석이 필요합니다. 열감지 인광체 온도계 기술의 물리적 특성을 바탕으로 온도와 응력이 측정 가능하며, 기능성 입자를 사용하면 동시 측정도 가능합니다. 따라서 온도/응력 감응성 인광 물질의 발광 특성을 이용한 비접촉식 2차원 열-응력장 동시 측정 기술을 개발하여 SOFC 성능 평가 및 상용화에 기여하고자 합니다.



4. 위의 연구 외에 추가로 소개해 주실 연구가 있으시다면?

- 3차원 곡면 제트의 가장 대표적인 특징은 코안다 효과가 발생하는 것입니다. 압력은 이 현상이 발생하는 과정을 이해하기 위한 기본 요소로, 이러한 현상이 왜 발생하였는지 분석하기 위하여 표면 압력장을 측정하였습니다. 해당 연구는 상해교통대학교와 협업하였으며 표면 압력 측정은 압력 감응 페인트를 사용하여 수행되었습니다. 유체와 물체 사이의 마찰력 때문에 물체 표면에 인접한 유동의 속도는 점점 줄어들고 반대로 압력은 증가하게 됩니다. 다시 말하면 유동 방향으로 압력이 점점 증가하게 되는데 이것을 역압력구배라고 합니다. 역압력구배가 아주 커지면 경계층 내의 유체 입자들은 사실상 움직이지 못하게 되고, 결국 유체 입자들이 물체 표면에서 떨어져 나가는 유동 박리 현상이 나타납니다. 측정된 표면 압력장 분포를 분석한 결과, 충돌각도와 레이놀즈 수가 커질수록 역압력구배가 감소하므로 유동 박리가 지연됨을 알 수 있었습니다.



5. 40세 미만의 여성과학 기술인 중 연구업적이 우수한 10명을 뽑아 수상하는 2021년 한국여성과학기술단체총연합회 미래 인재상을 수상을 하신 걸로 알고 있습니다. 기계분야에서는 3년 만인거 같은데 수상 배경과 소감을 부탁드립니다.

- 한국여성과학기술단체총연합회에서 시상하는 미래인재상은 미래가 촉망되는 여성과학기술인을 발굴하고 그 공적을 널리 알려 한국과학기술계를 이끌어 나갈 미래 여성 과학자들을 격려하고자 마련한 포상입니다. 미래인재상의 수상자를 선정하기 위해 지원 분야는 공학, 의생명, 자연과학 등 19개의 다양한 분야에서 학술분야와 산업분야로 나누고, 세부 분야별 전문가 총 41인의 심사위원회를 구성하여 3개월에 걸쳐 지원자의 연구성과와 발전 가능성 등을 중심으로 심사가 진행되었습니다. 특히 2021년에는 후보자를 심층적으로 평가하기 위하여 분야별 패널 심사를 4차례에 걸쳐 진행하는 심사방식을 도입하였다고 합니다. 이와 같이 엄격한 심사를 통과하여 공학 분야의 기계 전공을 대표하는 수상자로 선정되어 정말 큰 영광이었습니다.



6. 영향을 받은 연구자가 많으실 거 같습니다. 어떤 연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 가장 영향을 많이 받은 연구자는 역시 저의 박사학위 과정을 지도해 주신 부산대학교 기계공학부 염은섭 교수님이십니다. 교수님께서는 2016년에 부임하신 신임 교수님으로 대한기계학회 유체공학부문 유망과학자상, 한국가시화정보학회 젊은 공학자상 등을 수상하시며 촉망받는 젊은 교수로 연구능력의 탁월성을 인정받으셨습니다. 다양한 연구분야에 계속해서 도전하시고 성실히 연구하시는 모습을 보며 많은 것을 배웠고, 저 뿐만 아니라 저희 실험실원들을 잘 이끌어 주신 결과 2019년에는 부산대학교 기계공학부 우수 연구실로 선정되었습니다. 저에게 연구에 대한 진취적인 자세를 가르쳐 주시고, 박사학위를 무사히 마칠 수 있도록 아낌없는 조언과 지원을 해주신 교수님께 다시 한번 감사드리며, 가르쳐주신 많은 것을 기반으로 앞으로도 더욱 연구에 힘쓰는 공학자가 되도록 힘쓰겠습니다.



또한 부산대학교 기계공학부를 대표하시며, 유체역학 분야에서 대한민국뿐만 아니라 세계적으로 유명하신 김경천 교수님께도 많은 영향을 받았습니다. 저희 실험실이 자리를 잘 잡을 수 있도록 가장 많은 도움을 주셨으며, 교수님께서 수업해 주신 유체역학특론, 실험열유체역학, 난류이론, 응용광학 및 계측 강의는 저의 연구가 잘 수행될 수 있는 튼튼한 이론적 지식이 되었습니다. 제가 실험실 출퇴근할 때마다 거의 항상 교수님 연구실에 불이 켜져 있는 것을 보며 누구보다 더 솔선수범하시고 연구에 열정적이신 모습을 보며 역시 최고의 자리에 계신 분은 다르다고 느꼈습니다. 저 또한 연구자로써 교수님의 모습을 본 받아 기계공학에 기여를 하며 꾸준히 나아가도록 하겠습니다.


7. 연구 활동하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 기계공학부의 특성상 여학생들의 비율이 낮습니다. 제가 부경대학교 기계시스템공학과에 재학했을 때는 약 50명의 정원 중 저를 포함 2명의 여학생이 있었습니다. 공대에서는 여학생이 귀했기 때문인지 다른 학생들에 비해 더 관심을 받기도 하였습니다. 그래서 그만큼 더 열심히 공부했고, 그 결과 영광스러운 수석 졸업을 하였습니다. 기계공학을 공부하며 기계공학에 대한 더 깊이 있는 공부, 연구, 실험 등에 흥미가 생겼고, 대학원까지 진학하게 되었습니다. 대학원 생활은 생각했던 것보다 힘든 일이 많았지만, 교수님들과 실험실 동기들, 선후배분들의 도움이 있었기에 잘 나아갈 수 있었습니다. 돌이켜보면 정말 자랑스럽고 보람찬 일들이 많았습니다. 제 이름이 제1저자로 첫 논문이 출판되었을 때, 처음으로 국제 학회에 가서 영어 발표를 하였을 때, 가시화학회에서 최우수 논문상을 받았을 때, 박사학위 종심까지 마치고 심사위원 교수님들께 인준지에 도장을 받았을 때, 한국연구재단 과제의 연구책임자로 선정되었을 때, 여성과총에서 미래인재상을 받았을 때 등, 지금까지 제가 걸어온 길이 결코 쉬운 길은 아니었으나, 많은 열매가 맺힌 것 같아 감사했습니다.


8. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

- 기계공학은 계속해서 발전해야 할 학문입니다. 또한 아주 다양한 세부 분야가 있으며 아직까지도 더 깊은 연구를 필요로 하는 주제들도 많습니다. 기계는 우리에게 없어서는 안 될 존재가 되었고, 이제는 4차 산업혁명의 시대이며 나아가 친환경과 스마트를 추구하는 시대입니다. 앞으로 다음 세대가 살아갈 좋은 세상을 위해 저와 여러분들의 꾸준하며 진보하는 연구가 필요합니다. 여러분들의 기계공학에 대한 뜨거운 열정과 앞으로 수행하실 진취적인 연구들이 기대가 됩니다. 더 상세한 조언이 필요하신 분들, 특별히 대학원 진학을 고민하는 여학생이나 현재 대학원 진학 중인 여대학원생 분들도 저에게 연락 주시면 성심성의껏 상담해 드리겠습니다.


9. 다른 하시고 싶은 이야기들.

- 대학원 입학부터 지금의 박사후 연구원 시절까지 같이 열심히 공부하고, 실험하고, 때로는 즐거운 시간을 보내며 많은 추억을 함께한 홍현지 박사님께 감사드립니다. 또한 사수로써 실험에 대한 여러 팁을 전수해 주시고 실험실 생활에 조언을 아낌없이 해 주신 김동 교수님께도 감사드립니다. 마지막으로 제 연구에 대한 인터뷰를 진행할 수 있도록 귀한 기회를 주신 기계로봇연구정보센터에 감사드립니다.

* 김미래 교수의 최근(대표)논문들.

- M. Kim, D. Kim, E. Yeom (2020) “Measurement of three-dimensional flow structure and transient heat transfer on curved surface impinged by round jet,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 161, 120279.

- M. Kim, D. Kim, E. Yeom, K. C. Kim (2020) “Experimental study on heat transfer and flow structures of feedback-free sweeping jet impinging on a flat surface,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 159, 120085.

- M. Kim, Y. Li, D. Peng, E. Yeom, K. C. Kim (2019) “Flow and surface pressure field measurements on a circular cylinder with impingement of turbulent round jet,” Experimental Thermal and Fluid Science, 105, 67-76.

- M. Kim, H. R. Karbasian, E. Yeom (2018) “Transient three-dimensional flow structures of oblique jet impingement on a circular cylinder,” Journal of Visualization, 21(3), 397-406.

- M. Kim, H. D. Kim, E. Yeom, K. C. Kim (2018) “Flow Characteristics of Three-Dimensional Curved Wall Jets on a Cylinder,” Journal of Fluids Engineering, 140(4), 041201.

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