초록 ▼

연구개요
본 연구는 다중물리 현상이 포함된 난류연소 현상은 RANS, LES 기법을 이용하여 해석할 수 있는 전산해석 패키지 개발 및 오픈소스 플랫폼 구축을 목적으로 한다.
이를 위해 실증 연소기의 다중물리 현상(입자/분무 다상유동, 난류-화학반응, 배기배출물 생성, 대류/복사 열전달, 압력파 거동, 전기장/플라즈마 인가 등)을 구현하고 고신뢰도 연소모델의 개발 및 검증한다. 오픈소스 소프트웨어 OpenFOAM을 연소해석 패키지 개발에 활용하고 다양한 실용 연소기에 대한 응용계산을 수행하는 것을 주요 연구 범위로 한다.

연구개요
본 연구는 다중물리 현상이 포함된 난류연소 현상은 RANS, LES 기법을 이용하여 해석할 수 있는 전산해석 패키지 개발 및 오픈소스 플랫폼 구축을 목적으로 한다.
이를 위해 실증 연소기의 다중물리 현상(입자/분무 다상유동, 난류-화학반응, 배기배출물 생성, 대류/복사 열전달, 압력파 거동, 전기장/플라즈마 인가 등)을 구현하고 고신뢰도 연소모델의 개발 및 검증한다. 오픈소스 소프트웨어 OpenFOAM을 연소해석 패키지 개발에 활용하고 다양한 실용 연소기에 대한 응용계산을 수행하는 것을 주요 연구 범위로 한다. 개발 완료 후 본 연구에서 개발된 연소해석 패키지를 오픈소스 플랫폼을 통해 공개함으로써 연소 및 에너지 분야의 국가 경쟁력을 강화하고, 국내외 연소공학 분야의 연구 수준 동반 상승 뿐만 아니라 고가의 라이선스를 지불하는 외국 상용 소프트웨어를 대체함으로써 관련 산업분야의 경쟁력을 갖출 수 있는 계기가 될 것이다.

연구 목표대비 연구결과
연구 목표인 다중물리 현상이 포함된 난류연소 현상 전산해석 패키지 개발을 위해 OpenFOAM에 기 도입되어 있는 난류(RANS/LES), 화학 반응(열방출) 및 열전달(대류·복사), 입자 거동(Discrete Element Method(DEM)/Multi-Phase Particle In Cell(MPPIC)) 등의 요소 모델에 대한 해석 알고리즘을 검증하였다. Sandia Flame D 화염, Goldschmidt 케이스에 대하여 상용 프로그램인 Fluent 와 비교·검증하여 OpenFOAM의 기존 모델을 이용한 해석결과가 공학적으로 타당함을 판단하였으며, Dynamic mesh 처리 기법의 알고리즘 검증 및 한계를 확인하여 다중물리 현상 해석을 위한 기반 기술을 획득하였다. 또한, 조건평균 개념에 기초한 최근의 연구 성과를 바탕으로 화염 선단부 특성을 고려한 예혼합 연소 모델을 개발하여 기존 DNS(Direct Numerical Simulation) 결과 및 실험실 규모 화염에 대하여 신뢰성을 검증하였으며, 고속·고신뢰도를 갖는 확산 연소 모델을 개발하여 Sandia Flame D, E에 적용하여 모델의 타당성을 검증하였다. 열·에너지 분야에 적용 가능한 Fluid-Structure Interaction (FSI) 기법과 비평형 플라즈마 연소 해석에 적용될 수 있는 다중물리 현상 해석 기법을 개발하였다. 앞서 개발한 RANS·LES 유동 해석 기법과 신 연소 모델을 5MW급 소형 가스터빈 연소 및 연소 불안정성 전산 해석과 발전·산업용 500MW 급 미분탄 연소로 및 물질전환 반응로(FINEX, rotary kilin), 내연기관 내부 3차원 유동 및 연소 해석, 극저온 액체 연료 로켓 엔진 전산 해석 등 주요 실용 연소기에 적용하여 해석 패키지의 신뢰성을 검증하였다. 개발된 패키지와 노하우를 국내 학계·연구소에 전파하기 위하여 비전문가도 쉽게 사용할 수 있는 전산 해석용 web 기반 플랫폼을 구축하였다.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
다중물리 현상이 포함된 난류연소의 완성도 높은 모델 개발은 난류연소 분야의 많은 연구자가 직면한 다양한 문제를 해결할 수 있는 매우 중요한 학문적인 가치를 지니며, 국내 난류연소 연구 분야를 세계 최고수준으로 도약시킬 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 본 과제에서 개발된 연소해석 패키지를 web 기반 플랫폼에서 손쉽게 사용할 수 있게 됨으로써 연구결과물이 국내외 연구그룹의 발전을 함께 견인하고 소프트웨어 개발 역량이 취약한 국내 기계공학(특히 열유체) 분야에서 국내 소프트웨어 개발을 선도하여 유관 분야 발전을 도모할 것으로 예상된다. 본 과제의 결과물을 활용하여 창업할 spin-off 회사를 통해 새로운 부가가치와 고용을 창출하고, 고가의 외산 상용 소프트웨어를 대체하여 의존도를 낮추고 기술 자립을 확보하여 국가산업과 기업의 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 최종 목표 ... 4
• 1-2. 주요 연구 변경사항 ... 5
• 1-3. 연구의 필요성 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2-1. 기존 모델 알고리즘 검증 (1단계, 1차년도) ... 6
• 2-2. 신 연소 모델 개발 및 검증 (2단계, 2~3차년도) ... 10
• 2-3. 주요 실용 연소기에 대한 적용 (3단계, 4~5차년도) ... 14
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 18
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 18
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 21
• 3) 목표 달성 수준 ... 21
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 21
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 22
• (1) 다중물리 현상이 포함된 새로운 난류연소 모델의 학술적 중요성 ... 22
• (2) 개발된 연소해석 패키지 공개를 통한 사회적 기여 ... 22
• (3) 산업 및 경제적 기여 ... 22
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 23
• (1) 산업에 대한 파급 효과 ... 23
• (2) CAE, CFD 및 디지털 트윈 시장에 대한 파급 효과 ... 23
• 6. 참고문헌 ... 23
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 24
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 34
• 끝페이지 ... 38