물체 주위 유동의 난류 천이 현상 예측  

및 정밀 모사 기법 개발  

- 정확한 난류 유동의 시작을 모사하여 비행체의 공기저항을 정밀하게 분석 

- 고속 비행체 및 친환경 운송체 개발 등 기대 



□ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 기계공학부 지솔근 교수 연구팀은 부산대학교 항공우주공학과 박동훈 교수와 협력연구를 통해 물체 주위 난류 유동의 시작인 천이* 현상을 정확하게 예측하는 기법을 개발하였다.

* 유동 천이(flow transition): 유동이 층류**에서 난류***로 변하는 현상

** 층류(laminar flow): 유체가 매끄럽게 흐르는 현상이며 속도의 변화도 완만함.

*** 난류(turbulent flow): 유동의 속도, 압력 등이 급변하며, 매우 다양한 크기의 소용돌이가 존재함.

∘ 이번 연구 성과는 자동차, 배, 비행기 등 운송체의 유체 저항을 야기 하는 난류 유동의 시작점을 예측하여 유체 저항을 정확히 예측하는데 기여하고, 정확한 유동 모사를 기반으로 하여 고속 비행체 개발 및 환경 친화적 운송체 개발에 기여할 것으로 기대된다.

□ 난류 유동 방정식의 수학적인 해를 구하는 것은 수학분야에서 풀리지 않는 난제 중에 하나로, 슈퍼컴퓨터를 이용하는 시뮬레이션(수치해석)을 통해 복잡한 난류 유동 방정식의 해를 구하곤 한다. 본 연구에서는 난류의 시작인 천이 현상까지 적용 가능한 수치해석 기법이 개발되었다.

□ 연구팀은 유동의 안정성 이론에 대와류모사*를 접목시키는 참신한 방법을 제안하여 고정밀과 고효율 두 가지 목표를 달성할 수 있었다.

* 대와류모사(large-eddy simulation): 난류 유동은 다양한 크기의 소용돌이(eddy, 와류)가 존재하는데, 이 중 운동에너지가 큰 소용돌이를 모델 없이 직접 수치 해석하는 기법을 대와류모사라고 부름.

∘ 고정밀은 수치해석 기법 중에 제일 정확하다고 알려져 있는 직접모사기법 만큼의 정확도를 보장한다는 의미이며, 고효율은 직접모사기법에 대비 계산량이 100배 이상 감소함을 의미한다.

∘ 연구팀은 대와류모사에서 사용되는 난류모델의 중요성을 인지하게 되었고, 여러 모델을 검증하여 층류에서 난류로 천이되는 과정에서 효과적으로 활성화되는 난류 모델을 찾을 수 있었다. 난류 모델은 천이과정에서의 성능이 보장되지 않는데, 본 연구에서는 모델식이 유동 물리에 적합한지 추가적인 분석을 수행하였다.

□ 지솔근 교수는 “이번 연구는 초음속/극초음속 고속 비행체 개발에 필요한 경계층 천이 예측에 활용될 수 있는 기초연구이다”면서, “본 연구에서 개발된 유동 모사 기법으로 공학의 난제인 난류가 시작되는 천이 현상을 명확히 규명하는데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

□ 이번 연구는 지스트 지솔근 교수의 지도 하에 김민우 박사과정이 제1저자로 참여하였으며, 공기역학 전문가인 부산대학교 항공우주공학과 박동훈 교수가 유동의 안정성 이론에 기반한 해석을 수행하고, 지스트에서 안정성 이론과 결합된 대와류모사를 진행하였다.

∘ 본 연구는 과학기술정보통신부 우주핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 한국과학기술정보연구원(KISTI) 국가초고성능컴퓨팅센터의 초고성능컴퓨팅 자원인 누리온을 활용하였다. 연구 성과는 기계공학 및 다학제공학 분야 저명 국제학술지인 Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering에 8월 1일 온라인 게재되었으며 11월호 인쇄본으로 게재될 예정이다. <끝> 

▲그림_유동의 층류-난류 천이 과정에 대한 개념도. 평판 위 경계층  

유동에 대한 수치해석 결과를 바탕으로 유동을 가시화 함.