초록 ▼

□ 연구개요
본 연구과제는 심층 신경망 학습을 통해, 가스터빈 터빈엔진 저압터빈 내부 2-D 난류 경계층 유동의 두 가지 속도 성분(흐름방향 및 수직방향 성분)을 각각 독립적으로 측정한 결과를 바탕으로, 전체 경계층 유동의 압력장 및 레이놀즈 응력장을 재구축하는 기술을 확보한다. 복잡한 난류 유동장 속에서 모든 시간과 공간에서의 연속방정식과 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식의 해를 찾는 것은 매우 어렵다. 난류의 특성 상 미세한 조건 변화에도 유동 변화가 심하기 때문에, 대게의 경우 시간 평균, 혹은 앙상블 평

□ 연구개요
본 연구과제는 심층 신경망 학습을 통해, 가스터빈 터빈엔진 저압터빈 내부 2-D 난류 경계층 유동의 두 가지 속도 성분(흐름방향 및 수직방향 성분)을 각각 독립적으로 측정한 결과를 바탕으로, 전체 경계층 유동의 압력장 및 레이놀즈 응력장을 재구축하는 기술을 확보한다. 복잡한 난류 유동장 속에서 모든 시간과 공간에서의 연속방정식과 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식의 해를 찾는 것은 매우 어렵다. 난류의 특성 상 미세한 조건 변화에도 유동 변화가 심하기 때문에, 대게의 경우 시간 평균, 혹은 앙상블 평균 유동장에 관심 있는 경우가 많다. 원래의 지배방정식에 앙상블 평균을 취한 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식에는 기존에는 없던 새로운 항인 레이놀즈 응력 항이 도출된다. RANS 방정식을 통해 예측된 유동장의 정확성은 레이놀즈 응력의 예측 정도에 따른다. RANS 방정식은 Closure Problem Issue를 해결하기 위해 레이놀즈 응력 항을 평균 유동의 함수로서 모델링한다. 본 연구과제에서는 기존의 경험식 등을 이용한 모델링 대신, 심층 신경망 학습을 통해 제한된 속도 성분으로 레이놀즈 응력 항을 예측해보고, 실험적인 측정을 통해 검증하여 타당섬을 검증한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구과제에서 계획했던 연구 목표를 모두 달성함. 세부 내용은 아래와 같음.
공개되어 있는 저압 터빈 블레이드(T106A)의 표면 형상 및 압력 구배 조사함.
저압 터빈의 압력 구배와 5% 오차 수준을 갖는 평판 유동 실험 리그 구축함.
1D 및 2D hot-wire, 2-axis 트래버스 시스템을 활용하여 유동방향 속도와 수직방향 속도를 각각 측정할 수 있는 측정 시스템 구축함.
흐름방향으로 20여개, 수직방향으로 60여개의 지점에서 2D 유동장 속도 측정함.
벽면에 정압공을 이용하여 흐름 방향으로의 정압 분포 측정함.
레이놀즈 응력 측정할 수 있는 PINN 구조의 신경망 구축함.
실험 데이터, 지배방정식, 그리고 경계조건을 활용하여 신경망 파라미터 학습함.
학습된 모델에 좌표를 입력하면 유동장 및 레이놀즈 응력장 출력하는 모델 구축함.
2D hot-wire를 이용하여 3가지 평판에 대해 유동방향 속도와 수직방향 속도 측정함.
난류 경계층 내 레이놀즈 응력에 대해 실험값 및 모델 에측값을 정량적으로 비교함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구에서 측정한 난류 유동장 데이터는 딥러닝 모델 구축을 위한 데이터베이스의 역할을 할 뿐만 아니라 표면 거칠기가 난류 유동 구조와 상호작용하는 메커니즘을 분석할 수 있는 근거를 제공한다. 서울대학교에서는 해당 연구 데이터를 유체역학적으로 분석하여 저압 터빈 블레이드 내 경계층에서 발생하는 천이 과정, 유동 박리과정 등의 메커니즘을 파악할 예정이다. 또한 해당 연구를 진행하면서 얻은 데이터 처리 방법과 유체기계 특성을 살린 머신러닝/딥러닝 구축 경험을 기반으로, 더욱 실제적인 유체기계 시스템에 머신러닝/딥러닝을 적극적으로 활용하여 성능 평가, 분석, 개선, 모니터링 및 안전 진단 등에 추가적인 연구를 진행할 계획이다. 현재는 우주 발사체에 사용되는 터보 펌프 내 인듀서의 불안정성을 평가하고 분석하는 과정에 딥러닝 모델을 활용하여 더욱 정밀한 성능을 얻어내었고, 압축기 실속 신호 감지나 머신러닝 기법을 활용한 효율적인 실험 설계를 진행하고 있다. 이처럼 해당 연구과제에서 얻는 머신러닝/딥러닝 기반 유체역학의 경험은 실제 기업이나 산업에서 활용되는 유체기계의 운용에도 큰 효용을 줄 것을 기대한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 15
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 15
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 19
• 끝페이지 ... 24