연구실 탐방 (연소 모델링 연구실 지도교수 : 신동혁)

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  KAIST 연소 모델링 연구실은 연소 엔진의 물리, 화학적 거동의 이해를 바탕으로, 수학적 모델을 개발하고 이를 이용하여 정밀 수치계산을 이용하며, 궁극적으로 더 효율적이며 친환경적인 연소 시스템을 개발하는 목적을 가지고 있습니다.  연소시스템은 자동차, 비행기, 로켓 등을 움직이는 추력을 위하여 사용되기도 하고, 우리가 쓰는 전기를 생성하기 위하여 사용되기도 합니다. 인간의 생활 영역이 넓어지며, 또한 우주까지 확장해가는 현대 시대에 매우 중요한 연구 분야라고 할 수 있습니다.

 

  연소 현상은 연료와 산화제의 급격한 화학반응으로 가용 에너지를 생성합니다. 단순해보일 수 있지만, 실제 연소 시스템 구동을 위하여는 연소기 내의 복잡한 난류 유동에 대한 이해가 있어야 하며, 연소기내의 상변화 (phase chase), 고압, 고온 등의 환경은 연소시스템의 설계를 더욱 복잡하게 만듭니다.

 

  본 연구실에서는 복잡한 난류방정식과 화학반응식을 기반으로 하여, 단순화된 수학적 모델링을 개발하는 것과, 난류방정식과 화학반응식을 직접 3차원 영역에서 슈퍼컴퓨팅을 이용하여 정밀 모사를 하는 것입니다. 슈퍼컴퓨팅은 근래에 각광받는 연구 기법이며, 난류 수소연소 반응 계산을 위하여 10,000 CPU코어 이상을 사용하여 계산을 수행하고 있습니다. 이를 기반으로 본 연구실에서는 궁극적으로 난류연소 모델 체계 확립, 연소불안정성 예측, 다상(Multi-phase) 연소 모델 개발, 슈퍼컴퓨팅 활용, 효율적인 연소 시뮬레이션 기법 개발을 목표로 하고 있습니다.

 

 

<그림> 연구실 구성원 사진

 

<그림> 연구실에서 연구대상인 연소 엔진들 (비행기 엔진, 발전 엔진, 우주발사체 엔진, Ramjet 엔진

 

 

 

  현재 본 연구실에서 진행되고 있는 연구들은 아래와 같습니다.

 

• 수소 연료를 사용하는 진동 화염의 고정밀 난류 연소 시뮬레이션

  적응형 격자 (Adaptive Mesh Refinement, AMR) 방법을 적용하여, 화염 이외의 영역에서의 격자 밀집도를 감소시켜 계산 자원의 효율적 사용을 추구하는 시뮬레이션 방법을 연구하고 있습니다. 고정밀 연소 시뮬레이션을 통해, 수소 혼합 화염의 거동들 (화염 안정기의 진동에 의한 링클(wrinkle) 발생, 첨점의 생성(cusping effect), 등)과 화염의 동적 특성들 (화염속도, 곡률, Turbulent Markstein length)을 구할 수 있습니다.

 

 

<그림> AMR 기법을 이용한 수소 화염 시뮬레이션 (배경: 난류강도, 붉은 contour: 화염면).

 

 

• G-equation 기반의 연소불안정성 예측

  G-equation 기반으로 화염전달함수(Flame Transfer Function)를 도출할 수 있습니다. 예측 도구인 OSCILOS (일차원 열음향 네트워크 모델)를 이용하여 수소혼합 가스터빈 연소기의 연소불안정성을 분석하였습니다.

 

<그림> (좌) G-equation을 이용하여 도출된 화염전달함수, (우) 일차원 음향 네트워크 모델을 이용한 연소불안정 모드 예측.

 

 

• 난류연소 모델 적용: Thickened flame model

  화염의 두께를 인위적으로 늘여 화염 내부의 격자 밀집 효과를 유도하여 적은 격자 수에서도 고정밀도 난류 연소 시뮬레이션이 가능한 Thickened flame 모델 (Poinsot & Veynante, Theoretical and numerical combustion, 2005)을 개발 및 검증 연구 진행 중에 있습니다. 추후, Thickened flame 모델을 이용하여 수소 가스터빈 엔진 연소 시뮬레이션 분석 등에 사용할 예정입니다.

 

<그림> Thickening factor에 따른 화염의 형상 변화

 

 

• 청정 연소기 개발

  엔진에서 발생하는 배기배출물에 대한 규제가 심화되며 수소연료 사용과 질소산화물 배출에 대한 연구의 중요성이 대두되었고, 이에 따라 본 연구실에서도 연소 시뮬레이션에 사용되는 Mechanism 분석과 수소사용으로 인한 역화(Flash-back), 질소 산화물 분석 연구가 수행되고 있습니다. 화염온도가 높은 수소 연소에 대한 시뮬레이션을 다양한 모델로 수행하여 더 정밀한 결과 예측을 목표로 합니다.

 

<그림> 연소모델에 따른 질소산화물 배출량 변화

 

 

  연소는 오랫동안 연구되어 왔지만, 앞으로도 계속 연구가 필요한 분야입니다. 공해물질을 배출하지 않는 연소 시스템, 초-고효율 (ultra-high efficiency) 연소 시스템, 인류의 우주영역 확대를 해줄 연소 시스템 등의 개발이 필요합니다.

 

 

 

 

 

 

작성                       신동혁 교수님 연구실 제공

편집              이재호[barbossa0412@kaist.ac.kr]