초록 ▼

본 과제는 연료전지의 스택에 포함되는 바이폴라 플레이트의 마이크로채널을 대상으로, 복잡한 형상과 내부유동을 가지는 다 채널 유로의 분지/합지 모델에 대한 이론을 정립하고 이러한 현상을 해석하는 컴퓨터 시뮬레이션 코드를 개발하여 다 채널 유로의 분지/합지의 최적 설계 기준을 제시하는 것을 그 목적으로 한다. 본 연구의 목적에 맞게 다음과 같은 연구가 수행되었다.
(1) 다 채널 유로 및 다 기관 내부를 흐르는 유체의 화학적 조성이 동일할 때, 단일 성분에 대한 분지/합지의 성능 및 압력 강하 평가.
(2) 다 채널 유로 및

본 과제는 연료전지의 스택에 포함되는 바이폴라 플레이트의 마이크로채널을 대상으로, 복잡한 형상과 내부유동을 가지는 다 채널 유로의 분지/합지 모델에 대한 이론을 정립하고 이러한 현상을 해석하는 컴퓨터 시뮬레이션 코드를 개발하여 다 채널 유로의 분지/합지의 최적 설계 기준을 제시하는 것을 그 목적으로 한다. 본 연구의 목적에 맞게 다음과 같은 연구가 수행되었다.
(1) 다 채널 유로 및 다 기관 내부를 흐르는 유체의 화학적 조성이 동일할 때, 단일 성분에 대한 분지/합지의 성능 및 압력 강하 평가.
(2) 다 채널 유로 및 다 기관 내부를 흐르는 유체의 화학적 조성이 서로 다르고 이들이 반응 없이 혼합하면서 분지/합지 시의 성능 및 압력 강하 특성 평가.
(3) 다 채널 유로 및 다 기관 내부를 흐르는 유체의 화학적 조성이 서로 다르고 이들이 반응하면서 혼합하는 경우 분지/합지될 때의 성능 및 압력 강하평가. 비등에 의한 이상 유동의 존재 효과 평가함
(4) 유로가 절충되었을 경우, membrane을 통한 맞은편 유로와의 질량전달 효율을 최대화 할 수 있는 유로 설계 방안 검토.

목차 Contents

• 제 1 장. 서론...9
• 제 2 장. FVM/VOF 기법을 사용한 유동 해석 기술 개발...10
• 2.1 단상(single phase) 유동에 대한 전산해석...10
• 2.1.1 지배방정식 및 계산방법...10
• 2.1.1.1 Navier Stokes 방정식...10
• 2.1.1.2 Standard k-$\varepsilon$ 난류모델...11
• 2.1.2 형상모델링과 격자생성...14
• 2.1.3 경계조건...17
• 2.1.4 Moody 마찰계수...17
• 2.1.5 단일 유로...20
• 2.1.6 다채널 유로...20
• 2.1.6.1 5-채널 분지관...20
• 2.1.6.2 다채널 분지 모델(RS 모델)...50
• 2.2 다상 유동에 대한 이론 모델...59
• 2.2.1 균질유동 모델(Homogeneous Flow Model)...59
• 2.2.1.1 2상 유동 관련 변수 관계식(Nations and Relations) --...59
• 2.2.1.2 균질유동 모델의 보존 방정식 (Balance equations)...63
• 2.2.1.3 압력 강하 관계식(Pressure drop correlations)...64
• 2.2.2 분리 유동모델...70
• 2.2.2.1 분리 유동 모델의 보존 방정식 (Balance equations)...70
• 2.2.2.2 압력강하 관계식 (Pressure drop correlations)...71
• 2.2.3 해석 결과...79
• 2.2.3.1 균질유동 (Homogeneous flow)...79
• 제 3 장. LBM을 적용한 유동해석 도구 개발...80
• 3.1 단상(single phase) 유동에 대한 전산해석...80
• 3.1.1 간단한 형상(shape)의 유동해석을 위한 LBM...80
• 3.1.1.1 해석 방법...80
• 3.1.1.1.1 D2Q9 모델을 이용한 LBE 방법...81
• 3.1.1.1.2 Lattice Boltzmann 방법의 전개...83
• 3.1.1.1.3 경계 조건의 적용...83
• 3.1.1.2 해석 및 고찰...84
• 3.1.1.2.1 2-D 채널 유동(Poiseuille flow)...84
• 3.1,1.2.2 Lid-driven 캐비티 유동...88
• 3.1.1.2.3 사각형상의 장애물을 가지는 채널 유동...91
• 3.1.1.3 결 론...91
• 3.1.2 복잡한 형상 및 움직이는 물체의 유동해석을 위한 IB-LBM...92
• 3.1.2.1 해석 방법...92
• 3.1.2.1.1 가상경계법 (Immersed Boundary Method)...92
• 3.1.2.1.1.1 Interpolation scheme...92
• 3.1.2.1.1.2 Feedback momentum forcing...93
• 3.1.2.1.2 IB-LBM...94
• 3.1.2.2 계산 결과 및 고찰...94
• 3.1.2.2.1 사각공동 내부의 정지한 실린더...96
• 3.1.2.2.2 사각공동 내부의 진동하는 실린더...98
• 3.1.2.3 결 론...100
• 3.2 다상(multi phase) 유동에 대한 전산해석...101
• 3.2.1 해석 방법...102
• 3.2.1.1 기본적인 LB equation...102
• 3.2.1.2 Lattice Boltzmann 방법의 전개...103
• 3.2.1.3 Two-phase model (Shan & Chen model)...104
• 3.2.2 결과 및 고찰...106
• 3.2.2.1 1차 상 변이 (First order phase transition)...106
• 3.2.2.2 Two Component system...106
• 3.2.2.3 Laplace's law and Surface Tension...108
• 3.2.2.4 Droplet formation in a microchannel...109
• 3.2.3 결론...110
• 제 4 장 향후 계획...113
• 참고문헌...114