초록 ▼

○ 연구개요
◇ 연구 목표: 점탄성 유동에서 melt fracture를 포함한 2차원 탄성불안정 유동현상의 전산수 치모사, 비선형 동역학적 해석 및 공정 안정화 도구 개발
• 최적 점탄성 구성방정식의 선정 및 2차원 탄성 불안정 유동 수치모사
• Melt fracture 2차원 전산수치모사
• 비선형 동역학적 해석
• Melt fracture에 기인한 문제점 개선 방안의 개발
제안되는 연구는 먼저 전산수치모사를 통해 점탄성 유동에서 발생하는 melt fracture를 포함한 탄성 불안정 유동현상을 시

○ 연구개요
◇ 연구 목표: 점탄성 유동에서 melt fracture를 포함한 2차원 탄성불안정 유동현상의 전산수 치모사, 비선형 동역학적 해석 및 공정 안정화 도구 개발
• 최적 점탄성 구성방정식의 선정 및 2차원 탄성 불안정 유동 수치모사
• Melt fracture 2차원 전산수치모사
• 비선형 동역학적 해석
• Melt fracture에 기인한 문제점 개선 방안의 개발
제안되는 연구는 먼저 전산수치모사를 통해 점탄성 유동에서 발생하는 melt fracture를 포함한 탄성 불안정 유동현상을 시뮬레이션하고, 그에 따른 데이터를 축적한다. 비선형 동역학 해석을 이용하여, 불안정 유동현상의 특성, 원인을 규명하고 분석한다. 이를 통해 카오스 유동의 원리를 이해하여 불안정 유동의 예측과 전산수치모사를 이용하여 카오스 유동의 컨트롤 방법 또는 불안정성의 제거 방법을 제안한다.

○ 연구 목표대비 연구결과
본 연구실을 중심으로 연구가 이루어진 점탄성 구성방정식의 수학적 분석 결과를 통해 최적의 방정식을 선정하였다. 그 모델식을 적용하여 (운동방정식, 연속방정식과 함께) 기본적 탄성 불안정 현상의 전산수치모사와 melt fracture의 시뮬레이션을 수행하였다. 수행된 수치모사에서는 탄성 불안정성에 기인하여 대칭성의 파괴(symmetry-breaking)와 시간적 요동 (temporal fluctuation) 계산결과를 보였다. 또한 이러한 결과들은 sharkskin, ripple, slow undulation, gross melt fracture와 같은 대표적 melt fracture 현상을 적절히 모델링한다. 특히 실제로 각각 달리 표현되는 다양한 melt fracture의 원인을 결과해석을 통해 규명하였다.
Melt fracture로 표현되는 탄성 불안정 현상은 supercritical 및 subcritical Hopf bifurcation, solution multiplicity, quasi-periodic and period-doubling chaos transition 등 매우 다양한 유동 전이현상을 보이고, 그 후 gross melt fracture의 카오스 (chaos) 유동 상태에 도달하는 것으로 증명되었다. 이때의 카오스 유동이 3차원 유동으로 표현될 때 바로 탄성 난류(elastic turbulence)와 직접적 연관성이 있는 것으로 판단된다. 따라서 이러한 bifurcation과 카오스 유동의 이해와 설명을 위해서 비선형 동역학(nonlinear dynamics)에 의한 해석을 함께 수행하였다. 해석 도구로서 pseudo-time series (embedding dimension) 방법이 적용되었고, 계산 부하가 초과되어 한계가 있었지만 (현재 연구 진행 중), 제안된 비선형 동역학 현상의 규명에 결정적 단서를 구하였다.
제안되었듯이 본 연구는 유동관의 수정을 통하여 melt fracture의 감소 또는 제거를 예측하고, 수치해석을 통한 시뮬레이션을 활용하여 그 효과를 증명하였다.
고분자 점탄성 액체의 불안정 유동현상을 결정하는 물성의 예측을 위하여, 가장 기본이 되는 유변학적 연구로서 Rouse와 reptation dynamics에 근거한 분자동역학적 해석을 부수적으로 수행하였다. 그 이론을 telechelic system의 분석에 적용하여 수학적으로 해석적인 해(analytical solution)를 구하고, 실험과의 비교를 통해 이론의 적합성을 증명하였다.

○ 연구개발결과의 중요성
본 연구의 수행을 통하여 예상되는 활용분야는 아래와 같다.
1. 시간의존성 점탄성 유동해석과 그에 따른 탄성 난류 (또는 탄성 불안정 유동)의 예측과 해석을 통한 새로운 지식 축적
2. 얻어진 수치해석 알고리즘의 학술적 응용, 산업현장의 점탄성 유동공정 해석 및 문제점 예측
3. 현대 산업공정의 안정성 해석을 위한 기반 플랫폼 개발
4. Microfluidic 또는 nanofluidic device 등에 탄성 난류의 응용 및 그 해석
또한 예상되는 파급효과는 다음과 같다.
1. Melt fracture를 비롯한 탄성 난류 유동해석은 세계적으로 그 연구가 전무하므로 학계에 본 연구실을 중심으로 이 분야의 연구를 활성화시키는 계기가 될 것으로 예상
2. 3차원 탄성 난류 유동에 대한 전산수치모사의 개시 (국외 연구자와 공동연구 모색)
본 연구가 성공적으로 수행되었을 경우 얻어지는 지식은 학술적, 산업적 가치가 클 것으로 판단되지만, 현 단계에서 그에 따른 사업화나 기술의 상업화는 (본 연구진의 상업화 소프트웨어 제작 기술의 부재로 인하여) 더 큰 규모의 연구투자와 공동연구가 필요할 것으로 생각된다. 기술적으로 실제 유체에 적용하기 위해서는 multi-modal model 식의 적용과 이를 위한 물질 파라미터를 실험을 통하여 구해야 하며, 따라서 실험적 연구가 필수적으로 요구되기 때문이다. 또는 본 연구진이 생산한 지식을 활용하여, (개발 여건을 구비한) 다른 연구진에서 개발을 시도하는 방법을 제안할 수 있다.


(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• (1) Melt fracture 모델링 ... 7
• (2) 점탄성 액체의 분자 동역학적 연구 및 분자이론에 의한 telechelic system의 해석 ... 13
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 14
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 16
• 대표적 연구실적 ... 17
• 끝페이지 ... 29