• 한국가스학회지
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• 제23권1호
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• pp.12-18
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• 2019

자동차 엔진이나 소각로 등의 연소기기에서 질소산화물을 저감하기 위한 여러 가지 방법 중에 배기가스 재순환 방법이 널리 쓰이고 있다. 본 연구에서는 고온의 배기가스를 재순환 유입하기 위해 벤튜리 튜브를 사용할 경우에 상온의 공기 노즐 출구 위치를 변화하여 고온의 배기가스를 재순환 유입하는 최적 위치를 도출하기 위해 전산 열유체해석을 통해 살펴보았다. 또한 상온의 공기 노즐 출구에 원뿔을 설치한 경우에 대한 배기가스 재순환 유입량 특성을 고찰하였다. 공기 노즐 출구 위치를 배기가스 재순환 유입 출구의 시작위치(z=0)에서 끝 위치(z=0.6m)로 변화하였을 때 유선과 온도 분포 변화를 관찰하였으며 배기가스 재순환 유입량비와 혼합가스 출구의 평균온도로 정량적으로 비교하였다. 본 연구를 통하여 상온의 공기 노즐 출구 위치는 z=0.15m(1/4L)에서 재순환 유입량과 출구에서의 평균온도가 가장 최대가 되는 것을 알 수 있었다. 또한 공기 노즐 출구에 원뿔을 설치하면 공기 노즐 출구의 속도가 증가하여 배기가스 재순환 유입량이 약 2배 증가하고 혼합가스 출구 온도도 $116^{\circ}C$ 증가하는 것을 알 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제59권4호
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• pp.521-531
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• 2021

진공가압함침공정(Vacuum Pressure Impregnation, VPI)은 발전기, 전동기 등 대형 회전기에 사용되는 고정자 권선에 에폭시 계열의 레진을 코팅시켜 물성을 강화하는 공정이다. VPI 공정 중 진공과 가압과정에서 에폭시 레진의 기화에 의해 레진 가스가 발생하고, 함침공정이 끝나고 경화를 위해 탱크 개방 시 레진 가스가 제거되지 않고 탱크 밖으로 유출된다. 유출된 레진 가스가 작업장 전체에 확산 시 화재, 폭발 및 호흡기 문제와 같은 안전 환경 문제가 있으므로 공정 내 레진 가스 배출시스템이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 VPI 공정에서 발생한 레진 가스를 배출하는 시스템을 설계하기 위해 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용하여 공기 유입구·배출구의 위치에 따른 배출효율에 대한 사례연구를 진행하였다. 본 연구의 최적의 배출시스템을 활용 시 1,800초 이내 90%이상의 레진 가스를 배출할 수 있으며, 레진 가스의 폭발하한계(Low Explosive Limit, LEL)이하로 레진 가스의 분율을 낮출 수 있었다.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권2호
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• pp.406-413
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• 2022

해저 파이프라인 예비커미셔닝(Pre-commissioning) 단계는 입수(Flooding), 배수(Venting), 하이드로테스팅(Hydrotesting), 탈수(Dewatering), 건조(Drying), 질소충진(N2 Purging)의 공정과정으로 구성된다. 이 중 건조와 질소충진 과정은 운용 중 파이프라인 내부에 하이드레이트(Hydrate)의 발생과 가스 폭발의 위험을 방지하기 위해 상대습도를 이슬점 아래로 감소 및 유지되도록 규정되어 있다. 본 연구의 목적은 해저 파이프라인 예비커미셔닝 중, 공기건조(Air Drying)와 질소충진 공정과정에 대한 해석법을 개발하고 현장계측 결과와의 상호 비교를 통해 해석법의 활용가능성을 평가하는 데 있다. 해저 파이프라인 내부 상대습도 평가를 위한 방법으로 전산열유체(CFD)를 활용한 해석기법을 도입·적용하였고 해양공사 해저 파이프라인 공기건조와 질소충진 공정과정에 대한 현장계측 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 개발된 공기건조와 질소충진 해석법 및 평가방법을 향후 해저 파이프라인 예비커미셔닝 작업의 사전 엔지니어링 도구로 활용할 경우, 작업생산성 향상에 크게 기여할 것으로 사료된다.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권4호
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• pp.620-631
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• 2022

본 논문은 CFD 해석법을 이용하여 사고 선박의 손상부 형상에 따른 기름 유출량 변화를 예측하고, 이론 추정식에서 이를 고려할 수 있는 방출계수 도출 결과를 소개한다. Froude수와 Reynolds수 상사를 만족하는 조건에서 다상유동 해석법을 사용하여 모형선 크기의 기름 유출 문제를 다루었다. 수치해석 결과는 알려진 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 수학적 형상들로 정의한 손상부 형상의 변화와 함께 손상부 가로세로비와 기름탱크 두께의 변화가 기름 유출 유동에 미치는 영향을 조사하였다. 보다 현실적인 상황을 고려하기 위해 손상부의 찧어진 철판의 영향에 대한 해석도 포함하였다. 수치해석 결과를 통해 사고 선박의 손상부 형상에 따른 기름 유출량의 변화를 확인하였으며, 다양한 손상부 형상이 가지는 점성 영향을 방출계수로 정량화하여 추출하였다. 본 논문에서 제시하는 방출계수에 대한 검증을 위하여 알려진 기름 유출량 주정식에게 적용하였으며, CFD 해석과 좋은 일치를 얻었다.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권4호
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• pp.610-619
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• 2022

수소는 산소와 반응하여 전기에너지를 만들고 부산물로 물을 생성하므로 친환경 선박의 대체 연료로 대두되고 있다. 그러나 수소는 일반 화석연료와는 달리 낮은 점화 에너지와 높은 가연성 범위로 인하여 폭발의 위험성이 높은 물질이다. 그래서 선박에서 사용되는 수소의 안전성을 확보하기 위해서 수소의 누출·확산에 관한 유동 특성을 연구하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 선박 내부와 같은 밀폐공간에서 수소가 누출되었을 때 누출량, 통풍량, 환기 방식 등이 환기 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대하여 수치적 해석을 수행하였다. 수치해석에는 CFD 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX ver 18.1을 이용하였다. 누출량은 1 q = 1 g/s로 하여 1 q, 2 q, 3 q로 변경하였고, 통풍량은 1 Q = 0.91 m/s로 하여 1 Q, 2 Q, 3 Q로 변경하였으며 환기 방식은 typeI, typeII, typeIII로 변경하면서 환기 성능을 분석하였다. 누출량이 1 q에서 3 q로 증가할수록 저장실 내의 수소 몰분율(HMF)는 약 2.4 ~ 3.0배 높게 나타났으며 통풍량 증가는 누출량에 대비하여 약 62.0 ~ 64.8 % 정도 환기 성능이 개선에 효과가 있었다. 그리고 폭발의 위험성을 낮추기 위한 통풍량은 최소 2 Q 이상 되어야 하며, 수소탱크 저장실 내부의 부압 형성을 위해서는 type III가 가장 적합한 방식이라고 판단하였다.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권2호
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• pp.385-393
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• 2022

수소는 지구 온난화의 주범인 온실가스(GHG) 배출을 감소시키고 선박용 친환경 연료로서 대두되고 있다. 수소는 가연 하한계(Lower Flammability Limit, LFL)가 4 ~ 75 %이고 폭발 위험성이 큰 물질이다. 그래서 선박용으로 사용되려면 누출에 대비한 안전성이 충분히 확보되어야 한다. 본 연구에서는 수소탱크 저장실에서 수소 누출이 발생한 경우, 급·배기구의 면적 변화가 환기 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 급·배기구의 면적은 1A = 740 mm × 740 mm이며 저장실 표면에 크기 및 위치 변경이 쉽도록 설정하였다. CFD 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX ver 18.1을 이용하여 급·배기구의 면적을 1A, 2A, 3A, 5A로 변경하였고, 면적 변화에 따른 저장실 내의 수소 몰분율을 분석하였다. 그 결과 급기구 면적이 배기구 면적 증가에 비해 누출 수소의 농도를 더 감소시켰으며 단일 급기구보다 최소 2A 이상에서 환기 성능이 향상되었다. 급기구의 면적이 증가할수록 수소 층화가 저장실 상부부터 균일하게 형성되었지만 LFL 범위는 벗어나 있었다. 그러나 배기구는 면적을 단순히 증가하는 것만으로는 환기 성능에 미치는 영향은 미비하였다.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권7호
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• pp.1231-1237
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• 2022

본 논문에서는 AI 기반 설계 탐색 기법을 활용하여 선박의 주요 치수 최적화를 수행하였다. 설계 탐색 기법은 최적화 프로그램 HEEDS의 SHERPA 알고리즘을 사용하였다. 유동 해석은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였고, 주요 치수 변환은 전처리 과정에서 JAVA Script와 Python을 사용하여 선박의 치수가 자동으로 변환되도록 설정하였다. 대상 선박은 소형 쌍동선형으로 주요 치수 최적화는 한쪽 선형의 길이, 폭, 흘수 그리고 단동선형 간의 간격에 대하여 수행되었다. 최적화 알고리즘에 사용된 목적함수는 총저항이며, 내부 의장 시스템의 크기 등을 고려한 배수 체적의 범위를 제한조건으로 선정하였다. 그 결과 최적 선형의 주요 치수는 기존 선형 대비 ±5% 내에서 변화가 있었고 총저항은 약 11% 개선된 결과를 보였다. 본 연구를 통해 선박의 형상을 직접 변경하지 않더라도 주요 치수 최적화를 통해 선박의 저항 성능이 향상됨을 확인하였고, 다양한 선박의 주요 치수 최적화를 통한 성능 향상에 활용이 될 것으로 기대한다.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권7호
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• pp.1244-1251
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• 2022

지난 10년간 선박의 횡동요 복원력 상실에 의한 해양사고가 지속해서 증가하고 있어, 횡동요 운동을 효과적으로 줄일 수 있는 장치가 필요한 실정이다. 횡동요 감쇄 탱크는 단순한 설치만으로 횡동요 저감을 가져오는 대표적인 수동형 제어장치로 그 장점이 널리 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 U-튜브형 횡동요 감쇄 탱크의 수치해석 기법을 개발하고자 한다. 특히, 해석기법의 검증을 위해 자유수면 높이를 실험을 통해 계측하였다. 수치해석기법은 메쉬 의존성, 난류모델 (k-𝜖, k-𝜔, Reynolds Stress Model), 시간 간격 크기 및 반복횟수 등의 영향을 비교하여 개발하였다. 최종적으로 개발된 해석기법은 Realizable k-𝜖이 난류 모델에 10-2s 수준의 시간 간격 크기와 15회의 반복횟수를 적용하였다. 2가지의 U-튜브형 감쇄 탱크의 조건에서 계측된 자유수면 높이를 이용하여 개발된 해석기법을 검증하였다. 본 연구의 수치해석은 RANS 기반 상용 해석 Solver인 STAR-CCM+ (ver. 17.02)을 이용하였다.

• 대한환경공학회지
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• 제31권11호
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• pp.1007-1018
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• 2009

Hydrocyclone은 높은 수면적부하율 운전이 가능하고, 구동부분이 없고, 운전 및 유지관리비가 적게 소요되어 미세입자물질제거에 효과적인 장치로 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. Hydrocyclone에 나선형 유입부를 통해 직각으로 유입되어 중력이 아닌 원심력에 의해 입자물질이 하부배출구로 분리되고 처리수는 vortex finder를 통해 배출된다. 입자분리에 hydrocyclone은 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 도시지역 강우유출수 처리사례는 드문 실정이다. 본 연구에서는 변형된 hydrocyclone과 perlite 여재를 조합한 hydrocyclone filter (HCF)을 이용하여 강우유출수내 미세입자의 제거능을 분석하였다. 입자물질들은 인공입자들을 이용하여 강우유출수내 입자농도를 모의 실험하였다. 인공입자들을 물에 분산시켜 강우유출수를 재현하였는데 사용한 입자들은 이온교환 수지, 도로측구 퇴적물질, 상업지역 맨홀퇴적물질, 그리고 실리카겔 등이다. 하부배출부와 vortex finder 구조를 달리하여 HCFopen system과 HCF-closed system으로 구분하여 처리능을 분석하였다. HCF장치는 아크릴 수지를 이용하였는데 hydrocyclone의 직경은 120 mm이고 여과조의 직경은 250 mm이고 전체적인 높이는 800 mm로 제작하였다. 운전조건별 유입수 농도와 입경을 다양하게 적용하였고 SS와 COD농도를 분석하여 처리효율을 산정하였다. HCF-open system의 경우 운전 가능한 최대 수면적부하율은 700 $m^3/m^2$/day이었고 HCF-closed system의 경우 수면적부하율 1,200 $m^3/m^2$/day까지이다. HCF-open system 운전결과 HCFclosed system에 비교하여 평균 수면적부하율은 2배 이상 높게 운전이 가능하며 처리효율도 8~20% 이상 향상되는 것으로 분석되었다. 또한 유입수 SS농도가 높을수록 처리효율이 증가하며, 입경이 클수록 수면적부하율의 변화에 대한 처리효율의 영향이 적은 것으로 분석되었다. HCF-closed system의 실험을 통한 수면적부하율 변화에 대한 실리카겔입자의 제거 효율과 CFD입자추적기법을 이용한 예측 처리효율을 비교한 결과 CFD에 예측효율이 실제실험결과와 비교하여 다소 높게 나타나지만 처리효율의 경향은 매우 유사하게 나타나 CFD추적기법을 이용한 HDS유형 처리장치 설계 시 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 대한환경공학회지
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• 제36권4호
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• pp.295-302
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• 2014

본 연구는 물 재이용을 위한 하수고도처리공정으로서 이단유로 축전식 탈염공정의 적용 가능성을 평가하였다. 일반적으로 축전식 탈염장치는 전극이 병렬식으로 단순 적층되어 있는 반면에 이단유로 축전식 탈염장치는 분리판에 의해 모듈이 2개의 단으로 구분되어 1단과 2단이 수리학적 직렬연결이 되도록 고안되었다. 동일한 유입조건에서 전산유체역학 분석결과 이단유로 모듈이 단일유로 모듈에 비해 스페이서에서 보다 균등하고 빠른 유속분포를 보였고, 사영역도 상대적으로 작게 나타났다. 하지만 입구와 출구 간 압력강하는 단일유로 모듈이 0.4 bar인 반면 이단유로 모듈은 0.7 bar로 높게 나타났다. NaCl용액을 원수로 사용한 단위셀 테스트 결과, 단일유로와 이단유로의 최대 탈염효율은 유입유량 10 mL/min/cell pair에서 각각 88%, 91%이었다. 유량증가에 따른 단위셀 압력강하의 증가는 이단유로가 단일유로보다 높게 나타났으며, 유입유량 70 mL/min/cell pair에서 이단유로의 압력강하는 1.67 bar로 단일유로의 압력강하보다 2배 높게 나타났다. 이단유로의 압력강하를 완화시키기 위하여 전극 간 간격을 100에서 $200{\mu}m$으로 늘린 결과, 탈염효율은 유사하게 유지하면서 압력강하는 최대 0.87 bar로 낮게 유지할 수 있었다. Proto-type 축전식 탈염장치에 하수처리수를 주입하여 연속 운전한 결과, TDS 제거효율은 평균 78%로 나타났으며, 특정이온의 경우, $NH_4{^+}$-N, $NO_3{^-}$-N 및 $PO_4{^{3-}}$-P 제거효율이 각각 50%, 93% 및 50%로 나타나 질소제거 관점에서 CDI기술의 하수고도처리공정 활용가능성이 높을 것으로 판단된다.