보고서 정보
주관연구기관 |
부산대학교 Busan National University |
연구책임자 |
하만영
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-12 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700011322 |
과제고유번호 |
1711030125 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
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키워드 |
멀티스케일 해석.하이브리드 기법.분자동역학.유한체적법.격자볼츠만법.열유체 역학.표면개선.수치해석.마이크로/나노 유동.Multi-scale Simulation.Hybrid Scheme.Molecular Dynamics.Finite Volume Method.Lattice Boltzmann Method.Thermofluid Dynamics.Surface Modification.Numerical Simulation.Micro/Nano fluidics.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700011322 |
초록
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연구의 목적 및 내용
두 영역에서의 해석 기법을 결합한 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 이용하면 실제시간 및 공간 스케일에서 분자영역 현상의 해석이 가능하다. 하지만, 국내에는 멀티스케일 하이브리드 열유체 해석 기술이 전무한 상태이며, 국외에서도 이를 활용하여 실제 엔지니어링 디바이스 해석에 적용하지 못하고 있다. 본 연구에서는 연속체영역 해석 기법과 분자영역 해석 기법을 결합한 멀티스케일 하이브리드 해석 기법을 국내최초로 개발하여 다양한 엔지니어링 디바이스 효율 및 수명 향상을 위한 해석을 수행함으로서 국가적 기술진보를 도
연구의 목적 및 내용
두 영역에서의 해석 기법을 결합한 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 이용하면 실제시간 및 공간 스케일에서 분자영역 현상의 해석이 가능하다. 하지만, 국내에는 멀티스케일 하이브리드 열유체 해석 기술이 전무한 상태이며, 국외에서도 이를 활용하여 실제 엔지니어링 디바이스 해석에 적용하지 못하고 있다. 본 연구에서는 연속체영역 해석 기법과 분자영역 해석 기법을 결합한 멀티스케일 하이브리드 해석 기법을 국내최초로 개발하여 다양한 엔지니어링 디바이스 효율 및 수명 향상을 위한 해석을 수행함으로서 국가적 기술진보를 도모하고자 한다.
본 연구에서는 멀티스케일 하이브리드 열유동 해석 기술 개발 및 검증, 멀티스케일 하이브리드 다상유동 해석 기술 개발 및 검증, 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 통한 엔지니어링 문제 해석을 수행하였다.
연구결과
멀티스케일 하이브리드 해석 기술 개발을 위하여 분자영역 해석 기법과 연속체영역 영역해석 기법에 대하여 연구를 수행하였다. 수행된 연구를 바탕으로 평판 사이의 유동인 Couette flow 및 Poiseuille flow에 대한 분자영역 해석 기법인 분자동역학과 연속체영역 해석 기법인 유한체적법 및 격자볼츠만법을 활용하여 수치해석 결과를 비교 및 검증하였다. 이를 이용하여 채널 내부 유동을 분자영역과 연속체영역으로 나누어 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 개발 하였고, 수치해석 결과를 해석해와 비교 및 검증하였다.
개발된 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 활용하여 Couette flow 및 Poiseuille flow가 흐를 때, 채널 내부 벽면에 나노 구조물이 존재하는 벽면의 젖음성 특성에 따른 유동 현상을 규명하였다. 또한 이용하여 다른 크기의 액적이 액막에 충돌할 때 발생하는 현상에 대하여 규명하였다. 액적의 크기가 클수록 액막의 퍼져나가는 길이가 길어지며 왕관 형상의 돌기 크기가 증가한다. 액적의 크기가 클수록 액막 내부의 회전하는 영역이 커지며, 회전하는 속도가 커진다. 실험으로 도출하기 힘든 유체의 물성치를 분자동역학 해석기법을 활용하여 도출한 뒤, 이를 유한체적법에 적용하여 초임계 이산화탄소의 확산현상에 대하여 규명하였다.
수행된 연구 결과에 의하면 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 활용하면 미시 영역에서 연속체영역 해석 기법으로는 발견 불가능한 현상을 관찰할 수 있으며, 기존 분자영역 해석기법에 비하여 계산 비용이 적게 들고, 정확한 물리적 현상을 규명할 수 있음을 확인하였다.
연구결과의 활용계획
본 연구에서 개발된 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 활용하여 분자 영역과 연속체 영역의 개별적인 해석으로는 관찰할 수 없었던 현상이나 수치해석으로 구현이 힘든 현상을 해석할 수 있다. 이러한 현상의 해석이 가능해짐에 따라 다양한 엔지니어링 분야 연구들을 활성화 할 수 있으며 이전에는 알 수 없었던 현상을 발견하여 새로운 분야의 개척이 가능하다. 멀티스케일 하이브리드 해석 기술을 통하여 열교환기의 표면처리를 성능 향상이나, 분자동역학 계산을 통한 유체 물성치를 도출하여 이를 유한체적법 계산에 적용하여 다양한 조건의 열전달-유체역학 문제를 해결할 수 있다.
(출처 : 한글요약문 4p)
Abstract
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Purpose&contents
The multi-scale hybrid analysis technology combining the molecular region and the continuum region is capable of solving the physical phenomena covering both the molecular and macro continuum scales in the real time and length scales efficiently and economically. In this study, w
Purpose&contents
The multi-scale hybrid analysis technology combining the molecular region and the continuum region is capable of solving the physical phenomena covering both the molecular and macro continuum scales in the real time and length scales efficiently and economically. In this study, we aim to develop the multi-scale hybrid analysis technology for the first time in the country, apply it to increase the efficiency and life of the various engineering devices and contribute to the national technology development.
In this study, development and verification of multiscale hybrid methods for thermal and fluid flow of both single and two phase problem, and numerical analysis for engineering problem through multiscale hybrid method were performed.
Result
In order to develop the multiscale hybrid method, we have studied numerical analysis methods of molecular region and continuum region. Based on these studies, numerical simulation results obtained by finite volume method (FVM), lattice Boltzmann method (LBM), and molecular dynamics (MD) were validated using Couette flow and Poiseuille flow conditions. Multi-scale hybrid scheme was developed for channel flow with separate continuum and molecular region, and the simulation results were compared to the analytic solutions for validation.
Using the developed multi-scale hybrid scheme, under Couette flow and Poiseuille flow condition, wettability of surface with nano structures within channel was investigated. Also, the phenomena which occurs when different sized liquid droplets collide with liquid film was analyzed. As the droplet size increases, the length of liquid film spreading and the size of crown-shaped bumps increased. Also, as the size of liquid droplet increases, the size of rotating area, along with angular velocity increased. Using MD simulation, fluids properties that are difficult to obtain through experiments were calculated, and then applied to FVM to analyze the super-critical diffusion phenomena of carbon dioxide was investigated.
According to this research, multi-scale hybrid scheme allows observation of phenomena in microscopic region, which cannot be simulated using traditional analysis method based on continuum approach, while requiring less computational power than traditional molecular dynamics.
Expected Contribution
Using the multiscale hybrid method, it is possible to analyze the phenomena that could not be observed by individual analysis of the molecular domain and continuum domain. As these phenomena can be simulated by numerical simulation, it is possible to activate the various engineering field studies and to discover new phenomena that were previously unknown. Multiscale hybrid method can improve the surface treatment of heat exchanger, and fluid properties can be derived from MD, which can be applied to FVM to solve various heat transfer-fluid dynamics problems.
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 23 5. 연구결과의 활용계획 ... 24 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 24 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 25 8. 참고문헌 ... 25 9. 연구성과 ... 27 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 41 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 41 12. 기타사항 ... 42별첨1 ... 43별첨2 ... 58끝페이지 ... 67
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