본 연구에서는 이수의 유동 특성을 분석하기 위한 기초 연구로서 상용 코드인 ANSYS CFX 14.5를 이용하여 고체-액체 2상 유동 에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 고체-액체 2상 유동 현상을 모사하기 위해서 균질류 모델과 분리류 모델을 사용하였다. 분리류 모델에서는 Gidaspow의 항력모델을 적용하였으며, 고체 입자에 운동 이론 모델을 적용하였다. 기존의 실험 결과를 기반으로 본 연구에서 사용한 수치해석 모델의 유효성을 검토하였으며, 수치해석은 직경 54.9 mm, 길이 3 m의 수평관에서 체적 분율 0.1~0.5, 속도 1~5 m/s 범위에서 수행되었다. 그리고 압력강하와 고체 입자의 체적 분율 분포를 확인하였으며, 압력강하는 균질류 모델과 분리류 모델이 각각 MAE 17.04%, 8.98 % 이내에서 실험결과를 잘 예측하였다. 관의 하부에서 높은 체적 분율이 나타나며, 상부로 갈수록 체적 분율은 감소하였다. 그리고 속도가 증가할수록 높이 변화에 따른 체적 분율 분포의 변화는 감소하였으며, 수치해석 결과는 이러한 유동 특성을 잘 예측하였다.

지구 온난화, 석유고갈, 환경오염에 대한 해결 방안으로 수송부분에서 국제적으로 바이오연 료에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 중 바이오디젤은 석유계 디젤과 비교해 이산화탄소 및 대기오염 물질 배출이 적고 세탄가가 높은 장점을 가지고 있다. 현재 국내 바이오디젤 수요는 지속적으로 증가하고 있으나 원료부족으로 인해 수입의존도가 커지고 있는 상황이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구는 현재 사용되지 않는 음폐유(약 33 % 유리지방 산 함유)를 Amberlyst-15 촉매가 이용한 에스테르화 반응을 통해 바이오디젤 원료로서 활용가능성을 확인 하였다. 다양한 반응 조건의 영향을 조사하기 위한 실험을 수행한 결과 반응온도 383 K에서 97.62 %의 전환 율을 얻었으며, 반응속도는 353 K에서 373 K로 증가 할 때 최대 1.99 배까지 상승하였다. 또한 동역학 적 결과를 이용하여 29.75 kJ/mol의 활성화 에너지를 확인하여 선행연구에서 연구된 타 고체촉매에 비 해 에스테르화반응에 Amberlyst-15 더 적합함을 확인하였다. 그리고 메탄올 몰 비가 증가함에 따라 최 대 91.43 %의 반응 전환율을 확인하였고, 촉매량 영향의 경우 0 wt%에서 20 wt%까지 증가시킨 결과 반응 전환율이 43.78 %에서 94.62 %까지, 초기 반응 속도는 1.1∼1.4 배로 상승하는 것을 확인하였 다. 교반속도의 경우 100∼900 rpm의 조건에 따라 실험을 수행하였으나 반응 전환율에는 큰 영향을 주 지 않음을 확인하였고 반응 시간에 따른 영향의 경우 240 분 까지 산가 감소를 보이다가 300 분이 지 나면서부터 산가가 상승하는 결과를 가져왔다. 그리고 위 실험들을 통해 도출된 최적 조건을 적용하여 음폐유 에스테르화 반응에 적용하였고 그 결과 반응시간 60 분에서 음폐유와 모사 폐유지간의 13 %의 반응 전환율 차이를 보였으나 최종 240 분 반응 전환율은 모사 폐유지 98.12 %, 음폐유는 97.62 %로 거의 유사한 결과를 얻었다.

MLS(Moving Least Squares) 차분법은 무요소법의 이동최소제곱법과 Taylor 전개를 이용하여 요소망의 제약 및 수치 적분이 없이 절점만을 이용하여 미분방정식을 수치해석할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 고체역학 문제의 동적해석을 위하여 MLS 차분법의 시간이력해석 알고리즘을 제시한다. 개발된 알고리즘은 Newmark 방법으로 시간적분을 하였으며, 강형식을 그대로 이산화하여 해석을 수행했다. 이동최소제곱법을 이용해 Taylor 전개식을 근사하여 실제 미분계산없이 미 분근사식을 얻기 때문에 고차까지 Taylor 다항식의 차수를 증가하는 것이 용이하다. 1차원과 2차원 수치예제들을 통하여 동적해석을 위한 MLS 차분법의 정확성과 효율성을 검증하였다. 수치결과들이 정확해에 잘 수렴하였으며, 유한요소법 (FEM)의 해석결과와 비교하여 떨림현상(oscillation) 및 주기성(periodicity) 오차에 대해 보다 안정적인 모습을 보였다.