연구실 탐방 (AIM Lab)

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  Aerial Innovation Mobility Laboratory (AIM Lab)

  지도교수 이상봉

 

 

  1. VTOL 로터 해석

 

VTOL 로터 해석은 수직이착륙기의 안전성과 성능을 이해하기 위한 핵심 주제다. 로터 주위에는 강한 tip vortex, 회전익 간섭, 비정상 와류 구조가 발생한다. AIM Lab은 actuator-line method와 large-eddy simulation을 활용해 로터 후류의 구조를 계산하고, 도심 운항 조건에서 로터 성능 변화와 유동장 영향을 해석한다.

 

< VTOL 로터 주위의 비정상 와류 구조 >

 

 

 

  2. 풍력 발전기

 

풍력 발전기 연구는 터빈 후류, 하중 변화, 제어 전략을 전산유체역학으로 분석하는 주제다. 터빈 뒤쪽에는 긴 후류가 형성되고, 이 후류는 뒤따르는 터빈의 출력과 피로 하중에 영향을 준다. AIM Lab은 대기경계층 조건, 블레이드 피치 제어, 부유식 해상풍력 플랫폼 거동을 계산하여 풍력 시스템의 효율과 안정성을 평가한다.

 

< 풍력 발전기 주위의 후류 구조 >

 

 

 

  3. 잠실 도심 유동 해석

 

잠실 도심 유동 해석은 실제 도시 형상 주변에서 발생하는 난류와 국소 유동 변화를 계산하는 주제다. 고층 건물, 개방 공간, 복잡한 지형 배치는 평균 풍속뿐 아니라 순간적인 난류 강도에도 큰 영향을 준다. AIM Lab은 실제 도심 형상을 반영한 계산을 통해 도심항공모빌리티 운항 환경을 물리적으로 해석한다.

 

< 잠실 일대 도심 유동 해석 결과 >

 

 

 

  4. 잠실 UAM 비행 시뮬레이션

 

잠실 UAM 비행 시뮬레이션은 도심 유동장 안에서 항공기가 실제로 어떤 외란을 경험하는지 계산하는 주제다. 단순한 배경풍이 아니라 건물로 인해 변형된 유동장을 사용하기 때문에, 기체의 자세 응답과 비행 안정성을 더 현실적으로 평가할 수 있다. 이 연구는 도심 운항 경로, 착륙 접근, 안전 기준을 검토하는 데 필요한 계산 기반을 제공한다.

 

< 잠실 도심 유동장 기반 UAM 비행 시뮬레이션 >

 

 

 

  5. Curved ramp 초음속 유동 해석

 

Curved ramp 초음속 유동 해석은 충격파와 난류경계층 상호작용을 고충실도 계산으로 분석하는 주제다. 곡면 램프에서는 압축성 효과, 박리, 재부착, 벽면 압력 변동이 강하게 나타난다. AIM Lab은 direct numerical simulation과 고차 정확도 수치기법을 사용해 초음속 유동의 비정상 구조를 정밀하게 계산한다.

 

< Curved ramp에서 나타나는 초음속 난류 구조 >

 

 

 

  6. 재진입 발사체 초음속 유동 시뮬레이션 렌더링

 

재진입 발사체 초음속 유동 시뮬레이션은 대기권 재진입 과정에서 발생하는 강한 압축성 유동을 시각화하는 주제다. 재진입 환경에서는 충격파, 고온 유동, 표면 열하중이 동시에 중요해진다. AIM Lab은 비행체 주변의 유동장을 계산하고, 공력 하중과 열환경을 해석할 수 있는 데이터베이스 구축으로 연구를 확장한다.

 

< 재진입 발사체 주위의 초음속 열유동 해석 결과 >

 

 

 

  7. AI 기반 유동 예측

 

AI 기반 유동 예측은 앞의 여섯 연구 주제와 별도로 다루는 계산 과학 주제다. 고충실도 CFD는 정확하지만 많은 계산 비용이 필요하다. AIM Lab은 CFD 데이터, reduced-order model, neural operator, Transformer 계열 모델을 활용해 유동장 예측 속도를 높이고, 해상도 보정과 빠른 설계 탐색에 적용할 수 있는 surrogate model을 개발한다.

 

< AI 기반 도시 유동 예측 및 보정 결과 >

 

 

 

  최근 성과와 연구 인프라

 

최근 성과는 각 연구 항목에서 따로 축적되고 있다. VTOL 로터 해석에서는 비정상 로터 후류와 도심 운항 조건을 다룬다. 풍력 발전기에서는 터빈 후류와 플랫폼 거동을 계산한다. 잠실 도심 유동 해석에서는 실제 도시 형상과 난류 분포를 계산한다. 잠실 UAM 비행 시뮬레이션에서는 계산 유동장 안의 기체 응답을 검토한다. Curved ramp 초음속 유동 해석에서는 충격파-난류경계층 상호작용을 분석한다. 재진입 발사체 연구에서는 충격파와 열환경을 시각화한다. AI 기반 유동 예측에서는 CFD 데이터 기반 surrogate model을 개발한다. 2026년에도 Physics of Fluids, Journal of Fluid Mechanics, Advances in Engineering Software, Renewable Energy, Ocean Engineering, Aerospace Science and Technology 등 다양한 저널에 연구 성과를 발표하고 있다.

 

연구실은 자체 계산 자원도 적극적으로 활용한다. CPU HPC cluster는 총 2,904 cores 규모로 구성되어 있으며, GPU HPC cluster는 총 48 GPUs 규모로 운영된다. 후처리 RAID 서버는 총 768 TB 규모의 저장 공간을 제공한다. 대규모 계산이 필요한 문제에는 KISTI 슈퍼컴퓨팅 자원도 활용한다. 이러한 계산 인프라는 고충실도 난류 해석, 대규모 도시 유동 계산, GPU 기반 시뮬레이션, 대용량 후처리를 안정적으로 수행하기 위한 기반이다.

 

 

  학생들에게

 

AIM Lab의 연구는 공기역학, 수치해석, 난류역학, 프로그래밍, 병렬계산, AI 모델링을 함께 요구한다. 처음부터 모든 것을 알고 들어올 필요는 없다. 복잡한 유동 현상을 이해하려는 태도, 계산 결과를 물리적으로 해석하려는 습관, 직접 코드를 만들고 검증하는 끈기가 있다면 좋은 출발점이 된다.

 

 

 

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원문        이상봉 교수[slee1@kaist.ac.kr]

편집             김준서[junnius@kaist.ac.kr]