• 대한기계학회논문집B
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• 제40권9호
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• pp.597-604
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• 2016

본 연구에서는 GPU를 이용한 비압축성 유동장의 병렬연산을 위하여, P2P1 유한요소를 이용한 분리 알고리즘 내의 행렬 해법인 이중공액구배법(Bi-Conjugate Gradient)의 CUDA 기반 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘을 이용해 비대칭 협착관 유동을 해석하고, 단일 CPU와의 계산시간을 비교하여 GPU 병렬 연산의 성능 향상을 측정하였다. 또한, 비대칭 협착관 유동 문제와 다른 행렬 패턴을 가지는 유체구조 상호작용 문제에 대하여 이중공액구배법 내의 희소 행렬과 벡터의 곱에 대한 GPU의 병렬성능을 확인하였다. 개발된 코드는 희소 행렬의 1개의 행과 벡터의 내적을 병렬 연산하는 커널(Kernel)로 구성되며, 최적화는 병렬 감소 연산(Parallel Reduction), 메모리 코얼레싱(Coalescing) 효과를 이용하여 구현하였다. 또한, 커널 생성 시 워프(Warp)의 크기에 따른 성능 차이를 확인하였다. 표준예제들에 대한 GPU 병렬연산속도는 CPU 대비 약 7배 이상 향상됨을 확인하였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제39권6호
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• pp.477-483
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• 2015

공동유동에 관한 연구는 공동시스템에서 발생하는 소음/진동 문제로 인하여 많은 연구가 이루어졌으며, 현제 항공우주 산업의 급속한 발전과 더불어 다양한 공학적 장치에 적용되고 있다. 하지만, 실제 공학적 응용에서 많이 적용되는 곡면 벽상에 설치한 공동유동에 관한 연구에 대해서는 거의 수행되지 않았다. 본 연구에서는 곡면벽상에 설치한 공동유동의 특성을 조사하기 위해 수치계산을 수행하였으며, 곡면의 곡률 반경의 비(L/R) 및 입구 유동의 마하수를 변화시켜, 천음속/초음속 공동유동에서 발생하는 압력진동을 조사하였다. 그 결과 곡면에 부착된 공동유동의 경우 와류의 상호작용으로 인한 압력 교란을 완화시켰으나, 압력 진동의 진폭을 증가시켰으며, 또한 마하수가 증가함에 따라 압력 진동의 진폭이 증가하였다. 주파수 분석 결과, 곡관의 무차원 진동수는 직관에 비해 낮은 값이 측정되었으며, 또한 Rossiter의 실험값에 비해 낮은 값을 가졌다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제35권5호
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• pp.481-486
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• 2011

회전하는 실린더 주변의 액막 거동을 예측하는 것은 제철 산업에서 판재의 부식을 방지하기 위한 박막 코팅 과정에 매우 중요하게 적용될 수 있다. 판재 코팅에 사용할 박막을 만들기 위하여 실린더를 회전하는 경우, 실린더 주변 액막의 거동은 실린더 지름 및 회전 속도, 중력, 유체의 물성에 따라 영향을 받는다. 이러한 변수의 영향으로 실린더를 따라 상승하는 액막의 거동 특성 및 실린더 주변 액막 두께가 결정된다. 본 연구에서는 회전하는 실린더 주변 액막 거동에 대한 경계면을 갖는 이상유동에 대해 VOF 방법을 사용하여 수치해석하였다. 다양한 회전 속도, 실린더 지름, 유체 점성, 표면장력에 따른 액막 거동의 이상유동에 대한 수치해석을 통해 액막 두께를 예측할 수 있었다. 이를 통해, 회전 속도, 실린더 지름 및 유체 점성이 증가함에 따라 더 많은 액막을 상승시켜 두꺼운 액막을 형성하였으며, 이러한 액막 두께에 대한 수치해석 결과는 기존 실험 및 이론적 상관식과 일치하는 결과를 보였다.

• 대한기계학회논문집A
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• 제38권10호
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• pp.1185-1191
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• 2014

가스터빈 블레이드는 증기터빈 블레이드와 달리 냉각홀 및 냉각유로를 포함한 복잡한 형상으로 되어 있으며 복합화력의 운전특성에 따라 반복적이거나 지속적인 열-기계 하중 조건 하에서 운전된다. 따라서 블레이드는 운전시간에 따라 균일하지 못한 온도 분포나 응력 분포를 보이며, 이는 크리프나 열-기계피로 손상을 유발하며, 결국 가스터빈 블레이드의 수명을 단축시킨다. 결국 다양한 운전 조건에 따라 발생하는 응력을 정확하게 계산하는 것은 설비의 신뢰성을 보장하고 나아가 블레이드와 같은 고온 부품의 정확한 수명을 평가하는데 무엇보다 중요하다. 최근 들어 컴퓨터 기능이 좋아지고 상용 소프트웨어의 성능이 향상되어 실증 시험에 대한 대안으로 유동, 열 및 구조해석을 연결하는 전산해석이 많이 사용되고 있다. 본 논문에서는 가스터빈 실 운전조건을 고려하여 유동-열-구조 해석 기법을 연계하는 유체-구조 연성해석을 통해 블레이드 온도 및 응력분포를 계산하였다. 또한 해석 결과를 토대로 대표적인 손상기구인 크리프 및 열-기계 피로 손상 모델을 이용하여 블레이드의 수명을 평가하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제15권2호
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• pp.173-180
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• 2017

본 연구에서는 한국원자력연구원의 핵연료가공시설 굴뚝 내에서 9곳의 시료채취 위치를 선정하여 ANSI/HPS N13.1-1999 지침에서 제시하는 기준에 따라 그 적절성을 평가하였다. 유체를 포함한 다중물리 해석 소프트웨어인 COMSOL을 활용하여 유동교란 지점으로부터 굴뚝 직경의 배수 높이 위치(L/D) 단면에서의 속도분포, 유동각 및 $10{\mu}m$ 크기의 입자분포 등의 항목에 대하여 기준만족 여부를 평가하였다. 평가 결과, 5 L/D 이상에서 속도분포에 대한 기준을 만족했으며, 평균 유동각에 대한 기준은 모든 위치에서 만족했다. 입자분포에 대한 기준은 5 L/D 와 9 L/D 에서 만족하였으나, 그 분포가 일부에서 기준을 만족하지 못하였다. 균일한 입자분포를 얻기 위한 방법으로 굴뚝 내 정적 혼합장치(static mixer)와 둘레링(perimeter ring)을 추가하는 것을 제안하고, 이에 대한 평가를 수행하였다. 정적 혼합장치를 추가한 경우에는 5-10 L/D, 둘레링을 추가한 경우에는 5 L/D 및 7-10 L/D 에서 입자분포에 대한 기준을 만족하였다. 보완을 위하여 추가한 2 가지 조건에서, 입자분포에 대한 기준을 만족하는 지점은 속도분포 및 평균 유동각에 대한 기준 역시 만족하고 있음을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 방법은 신규시설뿐만 아니라, 현장입증시험 수행이 어려운 운영중인 시설에 대하여 시료채취 위치의 적절성을 평가하기 위한 방법으로 활용될 수 있다.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 한국방재학회 2011년도 정기 학술발표대회
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• pp.101-101
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• 2011

현재 국내에서 시행되고 있는 '4대강 살리기 사업'은 하천에서 발생하는 홍수 및 가뭄재해방지를 위한 다양한 공학적 노력을 시도하고 있다. 특히 안정적인 수위 및 유량확보와 홍수방지를 위한 보(weir)가 4대강 유역에 16개 설치되고 있다. 이러한 보 구간에는 고정보와 가동보가 복합적으로 설치되고 있으며 가동보는 그 형상과 운영방식에 따라 다양한 설계방안이 적용되었다. '4대강 살리기 사업' 중 낙동강 23공구의 강정보 공사 구간에는 원호형태의 측면 형상을 갖는 라이징 섹터게이트(Rising sector gate)가 적용되었다. 라이징 섹터게이트는 구조물의 높이가 낮고 수문의 개폐장치가 수문피어 구조물 내에 설치되어 경관이 우수하며, 구조가 간단하여 비체와 수류의 안정성이 뛰어나기 때문에 4개의 공사구간에 적용되었다. 따라서 본 연구에서는 강정보의 가동보 구간 2문 중 1문을 1/100 축척으로 제작하여 가변경사 개수로에 설치하고, 홍수 빈도별 상류 유량 조건과 하류단 수위조건으로 케이스를 정하여 실험을 수행하였다. 본 실험에서 사용한 개수로 장치는 너비 0.6 m, 높이 0.8 m, 그리고 길이 15.0 m(측정가능 구간, 헤드탱크와 테일게이트 부제외)의 개수로 실험장치이다. 측부는 모두 강화유리로 되어 육안관찰 및 계측 시 용이하게 제작되었으며, 순환식 유량 공급장치를 구축하여 수로의 하부에 설치된 유량탱크로부터 계속적으로 순환하도록 설계되었다. 또한 수로 하단으로부터 상단방향으로 약 33 m 지점에 전동 유압식 Jack screw 2기가 설치되어 경사도를 조절할 수 있도록 제작되었다. 유량조절용 판넬의 제어기판에는 디지털 경사계가 설치되어 있기 때문에 보다 정확한 경사도의 조절이 가능하다. 보 모형의 총연장은 53 cm이며 폭은 45 cm이다. 섹터게이트의 게이트부분은 직경 15 cm로 설계하였다. 문주부분을 포함한 모든 모형은 아크릴로 제작하며 레이저의 주사를 방해하지 않으며 투과율을 최대로 할 수 있도록 고강도의 아크릴을 가장 얇게 하여 중공형태를 채택하였다. 실험조건은 우선 보의 운영방안에 따라 게이트의 4가지 개방도를 설정하였고, 특히 평수위조건에서는 보의 상류부에 퇴적된 퇴적물의 세척을 위한 flushing 운영개방도 포함되어 있다. 홍수시에 대한 유량조건은 2년 빈도에 해당하는 유량을 수문의 비율과 상사법칙에 따라 설정하였으며 하류단 수위조건도 동일한 조건에 대한 값을 채택하여 적용하였다. 유동장의 해석을 위해서는 비접촉식 계측방법인 PIV(Particle Image Velocimetry) 시스템을 채택하여 2차원(x-z 방향) laser sheet를 생성하고 주입된 particle에서 반사된 변위(displacement) 정보를 상호상관(cross-correlation)기법으로 유동장을 계산하였다. 또한 수리모형과 동일한 지형격자를 구축하여 3차원 CFD 프로그램인 FLOW-3D로 계산하여 결과를 비교하였다. 특히 flushing 운영방안에 대한 게이트부의 개방도를 세가지(30, 45, $60^{\circ}$)로 구분하여 모의하였고, 적절한 개방도를 제안하고자 하였다. 실험결과는 우선 4가지 운영방안에 대한 가동보 주변에서의 유속장을 파악하였고, 최대유속의 발생위치의 변화를 확인할 수 있었다. 그리고 이에 따른 보의 바닥에서 최대유속이 발생할 경우, 하상보호공 위치와 거리 등에 대해서 분석하였다. 이를 통해 가동보 운영에 따른 다양한 유속구조를 파악할 수 있게 되며 구조적 안정성 확보를 위한 검증자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 향후, 가동보 운영방안 중 수세효과(flushing effect)에 대한 효과분석을 위해 게이트부 상류구간에 적절한 입경과 비중의 퇴적물질을 설치하는 연구와 상류부에서의 유입유사농도 및 시간변화에 따른 퇴적에 관한 연구를 수행할 계획이다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제18권6호
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• pp.1-7
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• 2017

분무식 노즐(spray nozzle)은 액체의 표면을 증가시키기 위해 에너지를 공급하여 액체를 다수의 액적으로 미립화시키는 장치로 연소과정에서의 연료의 미립화 또는 표면이나 입자의 코팅 등 여러 산업분야에 다양한 목적으로 응용된다. 초음파 미립화 노즐은 진동 발생장치로부터 고진동수의 전기에너지를 받아 같은 진동수의 기계적 에너지로 변환시키는 변환기를 갖고 있다. 변환된 에너지를 액체에 부가하여 고주파 진동에 의해 미세한 액적을 생성하여 분사한다. 코팅작업에서 가압되지 않은 저속의 분무는 액적이 튕겨나가지 않고 표면에 달라붙어 과도하게 분사되는 양을 줄일 수 있다. 초음파 미립화 노즐은 초음파 진동부 외벽에 공기를 공급해 줄 수 있는 공간을 통해 생성된 보조 공기흐름을 이용하여 저속의 액적을 운반하여 분무특성이나 분무형상을 조절할 수 있다. 따라서 주위 공기의 흐름을 이용하여 원하는 분무특성을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 액적의 분사 운동을 모사하기 위해 라그랑지안 분산상 모델(DPM)을 적용한 상용코드 FLUENT를 사용하여 액적 주위의 공기흐름을 동반하는 초음파 미립화 노즐을 해석하였다. 노즐 수축부 형상, 액적의 크기 그리고 공기 측 압력차의 크기를 변화시키며 수치해석을 수행하여 코팅용 분무를 위한 최적 조건을 연구하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권3호
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• pp.353-362
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• 2015

도시철도 지하역사에 설치되어 운영중인 승강장 안전문(PSD)은 승객의 추락방지 등 안전사고 예방에 큰 기여를 하고 있지만, 기존 승강장 선로 배기설비의 차단으로 인해, 일부 역사에서 승강장내 환기효율 저하문제를 발생시키고 있다. 본 연구에서는 PSD가 설치된 승강장의 기존 급배기 시스템의 환기효율 개선을 위해, 승강장과 대합실로 통하는 계단부 하부공간의 무효한 공간(창고)에 국부적인 하부 배기시스템을 추가하고, 승강장 배기용 덕트를 선로부의 기존 배기시스템에 연결하여 연동함으로써 기존 시스템에 무리 없이 승강장 실내환경을 개선하고자 하였다. 즉, PSD 설치이후 승강장 내부의 전체적인 기류혼합효과와 오염된 실내공기를 효율적으로 배출하기 위한 하부배기 방식을 연구하였다. 이러한 하부배기 방식의 효과를 예측하기 위하여, 서울지하철 2호선 역사를 선정하여 급배기량을 실측하고, 이를 바탕으로 전산수치해석 연구를 수행하여 개선효과를 예측해보았다. 하부 배기시스템의 적용은 승강장 기류의 지체상태 및 환기효율 특성을 나타내는 공기연령 측면에서 약 16.5%의 개선효과가 있는 것으로 분석되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권3호
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• pp.319-332
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• 2015

열차가 고속으로 터널내를 진입할 때 열차의 피스톤 작용에 의해 형성되는 압력파는 터널내를 진행하고, 출구에 도달한 압축파는 터널 출구면의 개구단 조건에 따라 팽창파로 터널입구로 다시 전파된다. 이에 따른 터널내 주행열차와의 간섭현상으로 인해 차량내 승객은 심한 압력변동을 느끼게 되며, 이러한 압력파는 열차의 설계와 운행에 영향을 미치고, 에너지 손실과 소음, 진동, 승객의 이명현상의 원인이 된다. 본 연구에서는 열차가 고속으로 터널내부를 진입시 나타나는 터널내 압력파의 전파특성과 열차의 기밀도에 따른 객실내로 침투하는 압력 변화량을 현장 실험내용과 비교분석을 수행하였다. 또한, 압축성 1-D 모델(MOC)의 적용 가능성을 살펴보기 위해 ThermoTun 프로그램과의 비교연구를 수행하였고, Baron의 압축성 1-D 수치모델에 기초한 지배방정식 해석의 적정성을 검토하기 위해 비교연구도 병행하였다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제18권8호
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• pp.41-47
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• 2017

새로운 기술의 도입과 정교함이 더해진 최근의 지상무기가 지능형 포탄의 발달로 이어졌으며 주요 선진국의 관심을 이끌었다. 본 연구에서는 회전운동을 하는 비행체에 대한 공력 데이터를 확보하기 위해 BLU-103 모델을 통한 전산유체역학해석을 수행하였다. 먼저 회전하는 비행체의 정상해석 기법을 모사하기 위해 동체는 고정시키고 주변의 공기를 회전시켜 동체가 회전 하는 것과 같은 원리를 이용하였다. 회전운동 하는 비행체의 공력 타당성을 검토하기 위해 단순형상에 대해 받음각 0도에서 90도, 옆 미끄럼각 0도에서 90도까지 각각 30도 간격으로 고려하여 해석을 수행하였다. Drag book에 제시되어 있는 항력 값을 통해 단순모델에 대한 항력계수가 1.0 ~ 1.2의 정량적 결과를 만족한다는 사실을 확인하였다. 단순형상에서의 해석조건을 통해 검증 된 유효한 입력 값을 동일하게 실제형상에 적용하여 회전 유무에 따른 공력데이터베이스를 구축하였고 경향성을 분석하였다. 분석 결과 단순모델 뿐 아니라 실제 모델의 회전 시 축력계수, 수직력 계수, 측력 계수가 증가한다는 사실을 확인 하였고 특히 수직력 계수의 영향이 크게 작용되어 비행에 유리할 것이라 판단하였다.