Research Highlight (신동혁 교수)

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- Spatial and temporal characteristics of scalar dissipation rate in a stopping turbulent jet -

 

 

 

< KAIST AE 신동혁 교수 >

 

 

  이번 리서치 하이라이트에서는 2025년 5월에 Journal of Fluid Mechanics에 출판된 신동혁 교수 연구실의 “Spatial and temporal characteristics of scalar dissipation rate in a stopping turbulent jet” 연구를 소개하도록 하겠습니다.

 

  해당 연구는 The 9th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow (ASCHT-2023)에서 우수논문 발표상을 수상하기도 하였습니다.

 

  전통적인 동력 및 추진 시스템을 대체할 수 있는 기술들은 아직 그 신뢰성이 입증되지 않았습니다. 가스터빈은 여전히 예측 가능한 에너지 생산의 핵심 기술 중 하나로 자리잡고 있습니다. 따라서 효율성을 더욱 향상시키기 위한 지속적인 최적화는 여전히 산업계에서 높은 관심을 받고 있습니다. 최근에는 오염 물질 배출 규제가 매우 엄격한 상황에서 단지 소수점 단위의 효율 향상조차도 달성하기 위해 상당한 노력이 이루어지고 있습니다. 이러한 향상 가능성이 있는 핵심 부품 중 하나가 바로 연소기입니다. 모든 연소 응용에서, 연료 분사 제어는 연료가 산화제와 혼합되면서 점화 시점을 결정합니다. 원하는 불꽃 점화와 그 이후의 안정화는 특정 위치에 정확한 비율의 연료와 산화제가 존재할 때에만 발생합니다. 예를 들어, 압축 점화 엔진에서는 연료 분사가 감속하는 단계에서 점화가 발생합니다. 이는 그림 1에서 확인할 수 있습니다.

 

 

 

< 그림 1. 단기통 광학 엔진의 과도 연료 분사 과정은 시간 순서대로 왼쪽에서 오른쪽으로, 정상 상태 제트와 감속 제트로 구성되며, 이 과정 중에 점화가 발생한다​ >

 

 

 점화 시점을 제어하는 것은 매우 중요합니다. 시간에 따라 변하는 제트 유동의 특성이 산화제의 유입을 증가시키거나 감소시킬 수 있기 때문입니다. 연료와 산화제의 혼합을 개선하는 것은 열 변환 효율을 높이고 오염 물질 배출을 줄이기 위해 필수적입니다. 그러나 혼합이 불충분하면 불완전 연소가 발생합니다. 따라서 분사 과정을 최적화하려면 비정상적인(시간에 따라 변하는) 혼합 역학에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 이러한 이유로 본 연구는 고해상도 고충실도 수치 해석, 즉 직접 수치 시뮬레이션(Direct Numerical Simulation, DNS)을 활용하여 상대적으로 연구가 덜 이루어진 비정상 제트 유동, 특히 감속하는 제트 내 난류 혼합 현상을 탐구합니다.

 

  연료와 산화제 간의 난류 혼합을 정량화하고 특성화하기 위해 스칼라 소산률(Scalar Dissipation Rate, SDR)이라는 핵심 변수를 분석합니다. SDR은 본질적으로 유동장의 혼합 정도를 정량화하며, 혼합이 활발한 영역과 그렇지 않은 영역을 시각화합니다. 그림 2는 정지 시점 이후 감속 제트에서 SDR의 순간적 분포를 보여줍니다. DNS는 이와 같은 연구에 매우 적합한 방법입니다. 실제 물리적 현상에 가장 가깝게 접근할 수 있으며, 유동장의 가장 작은 난류 구조까지 포착할 수 있기 때문입니다.

 

 

 

< 그림 2. 정지 시점(t=0) 이후 특정 시간에서 정지 제트 내 순간 스칼라 소산률(SDR)​ >

 

 

 정상 상태 제트(그림 2의 t=0 참조)에서는 SDR이 공간의 함수로 나타나지만, 감속 제트에서는 이 변수가 시간과 공간 모두에 따라 변화합니다. 연구의 첫 번째 단계는 중심선 SDR(χc)의 시공간적 변화 양상을 분석합니다. 이 변화는 제트가 정지하면서 유동을 통과하는 감속 파동의 존재를 나타냅니다. 그림 3a에서 붉은색과 흰색 경계선은 시간과 공간을 따라 이동하는 감속 파동을 보여줍니다. 여기서 t0와 x0는 각각 시간과 공간 오프셋을 나타냅니다. 그림 3b에서는 중심선 축 방향 속도(uc)를 기반으로 계산된 감속 파동 속도와 실제 측정된 속도를 비교합니다.

 

 감속 파동이 지나간 이후, 감속하는 난류 제트에서는 시간과 공간 모두에서 자기 유사(self-similar)한 새로운 방사형 SDR 프로파일이 형성됩니다. 이는 정상 상태 제트에서 나타나는 프로파일과는 다른 형태입니다. 그림 4는 이러한 프로파일을 보여주며, 굵은 파란색 선은 평균 프로파일을, 파란색 음영은 표준편차를 나타냅니다. 데이터는 정지 과도 상태 동안 제트와 주변 공기 간의 난류 혼합이 증가한다는 것을 보여줍니다.

 

 

 

< 그림 3. (a) 스케일링된 스칼라 소산률 χc U0(t − t0)2 /(x − x0 ) 의 의사 색상 분포도와, (b) 중심선 스칼라 소산률(χc)에 대한 감속 파동 속도(uwave), 그리고 중심선 축 방향 속도(uc)의 시간에 따른 변화.​ >

 

 

 

< 그림 4. 스칼라 소산률(SDR)의 자기 유사 프로파일: (a) 축 방향 성분, (b) 반경 방향 성분, (c) 방위각 방향 성분, 그리고 (d) 전체 SDR​ >

 

 

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원문    신동혁 교수[donghyuk.shin@kaist.ac.kr]

편집                          이은혁[lehx01@kaist.ac.kr]