건축 토목 구조물에 작용하는 하중은 알 수 없는 경우가 대부분이므로 구조물에 대한 시스템 식별 알고리듬은 외부하중을 백 색잡음으로 가정한다. 이러한 가정은 일면 타당성이 있으나 와류하중과 같이 스펙트럼이 특정한 형태를 가지고 있는 경우 모달 파라 미터 특히 감쇠비 추정의 불확실성의 원인이 되고 있다. 본 연구에서는 구조물의 응답으로부터 역 계산된 하중을 이용하여 하중모델 을 구축하고 이를 이용하여 감쇠비를 추정하는 새로운 기법을 제안한다. 본 제안 기법은 외부하중을 백색잡음으로 가정하는 기존 VDS 기법을 기반으로 외부하중 스펙트럼 모델을 고려할 수 있는 보다 일반화된 기법이다. 제안된 추정기법을 직사각형단면 공탄성모델에 대한 공기력진동실험으로 수행하여 구한 가속도 응답에 적용하여 감쇠비추정의 신뢰성을 검증하였다. 풍속에 따라 풍하중 모델을 구 축하고 와류공진, 와류공진 전 후의 공력감쇠비를 평가한 결과 안정적이며, 신뢰도가 높은 감쇠비 추정이 가능함을 알 수 있었다.

수중운동체에는 필수적 기능을 담당하는 함교, 러더와 같은 다양한 부가물들이 장착된다. 이들 부가물과 선체의 접합부에는 유선의 박리로 인해 다양한 와류가 생성된다. 이러한 와류는 수중운동체의 추진기로 유입되어 수중방사소음의 증가와 같은 부정적 효과 를 야기해 스텔스 성능의 향상을 위해서는 반드시 저감되어야 한다. 본 연구에서는 부가물과 선체의 접합부에서 생성되는 말발굽와류 (HSV)와 뿌리와류(RV)를 저감하는데 효과적인 와류저감장치(VRD)에 대한 설계기준을 도출하였다. 먼저, 접합부 와류의 레이놀즈 상사특 성 만족 여부를 분석함으로써 설계기준 도출에 부가물의 제원과 유속의 영향을 레이놀즈수로 대체하였다. 또한 VRD의 형상을 정의하기 위해 베지어 곡선을 활용해 VRD의 3차원 표면을 파라미터화하였다. 이후, 와류저감을 위한 VRD의 설계기준 도출을 위해 다양한 제원의 VRD의 와류저감 성능을 분석함으로써 최적의 길이 대 높이 비율이 선정되었다. 최종적으로 대상 범위의 부가물들에 대해 최적 비율을 만족하는 다양한 크기의 VRD 성능이 비교 분석되었다. 이를 종합하여 임의의 부가물에 대해서도 와류저감 성능을 나타낼 수 있는 VRD 의 무차원화 설계기준이 도출되었다.

장대교량은 낮은 고유진동수와 감쇠비를 가지는 초유연구조물로 진동사용성 문제에 취약하다. 하지만 현재 국내 설계지침에서는 풍속이나 진폭에 대한 임계값을 기반으로 유해진동 발생 여부를 평가하고 있다. 본 연구에서는 장대교량에서 발생하는 유해진동을 보다 정교하게 식별하기 위하여 딥러닝 기반 신호분할 모델을 활용한 데이터 포인트 단위의 와류진동 식별 방법론을 제안한다. 특별 히 포락선을 가지는 사인파를 활용하여 와류진동에 해당하는 데이터를 합성함으로써 모델 구축에 필수적인 와류진동 데이터 획득 및 라벨링 과정을 대체하였다. 이후 푸리에 싱크로스퀴즈드 변환를 적용하여 시간-주파수 특징을 추출하여 신경망의 인풋 데이터로 사 용하였다. 합성데이터만을 이용하여 양방향 장단기 기억신경망(Bidirectional Long-Short-Term-Memory) 모델을 훈련하였고 이를 라 벨 정보를 포함한 실제 사장교의 계측데이터를 이용하여 학습한 모델과 비교하여 모델의 실시간 와류진동 식별 성능을 검증하였다.

The electromembrane process, which has advantages such as scalability, sustainability, and eco-friendliness, is used in renewable energy fields such as fuel cells and reverse electrodialysis power generation. Most of the research to visualize the internal flow in the electromembrane process has mainly been conducted on heterogeneous ion exchange membranes, because of the non-uniform swelling characteristics of the homogeneous membrane. In this study, we successfully visualize the electroconvective vortices near the Nafion homogeneous membrane in PDMS-based microfluidic devices. To reinforce the mechanical rigidity and minimize the non-uniform swelling characteristics of the homogeneous membrane, a newly developed swelling supporter was additionally adapted to the Nafion membrane. Thus, a clear image of electroconvective vortices near the Nafion membrane could be obtained and visualized. As a result, we observed that the heterogeneous membrane has relatively stronger electroconvective vortices compared to the Nafion homogeneous membranes. Regarding electrical response, the Nafion membrane has a higher limiting current and less overlimiting current compared to the heterogeneous membrane. Based on our visualization, it is assumed that the heterogeneous membrane has more activated electroconvective vortices, which lower electrical resistance in the overlimiting current regime. We anticipate that this work can contribute to the fundamental understanding of the ion transport characteristics depending on the homogeneity of ion exchange membranes.

선박, 잠수함이 추진하면 수중구조물 후류에 와류가 발생하고 이에 따른 와류기인 구조진동이 유발된다. 최근 선박, 잠수함의 고속화 및 대형화 추세에 따라 고차모드에서 유발되는 와류기인 진동 및 피로파괴에 대한 중요성이 강조되고 있다. 고속 유속환경의 와 류는 저속 유속환경 대비 큰 진동을 유발하므로 이에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 수중날개 고차모드에서 유발되는 와류기인 진동을 예측하기 위한 하이브리드 유체구조연성 해석 방법론을 제시하였다. 고차모드를 고려한 하이브리드 유체구조연성 해석을 수행하 여 와류기인 진동을 도출하고 실험결과와 비교함으로써 방법론을 검증하였다. 최종적으로 와류기인 진동으로부터 도출된 최대 von Mises 응력을 노르웨이 선급에서 제시한 S-N 선도에 적용함으로써 고차모드 유체구조연성 해석의 효용성을 확인하였다. 고차모드를 고려하여 와류기인 진동응답을 도출할 경우 유체구조연성에 의한 락인(Lock-in) 특성을 확인하였으며 고려하지 않은 경우 대비 진동응답과 최대 von Mises 응력에서 10배 이상의 차이를 보였다. 향후에는 외팔보 경계조건 및 형상에 대한 확장연구가 필요하다.

부공력감쇠는 풍직각방향의 와류공진을 예측하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 부공력감쇠는 진동유발하중 또는 피드백 하중을 구성하는 주요인자로 와류진동이 급격히 발현되는 현상을 설명하는 도구이기도 하다. 본 연구에서는 공력감쇠의 수학적 모델 을 제시하고 와류유발하중모델과 함께 와류진동을 예측하는 프러세스를 제안한다. 직사각형단면에 대한 공기력진동실험을 수행하여, 계측된 가속도로부터 공력감쇠와 와류유발하중을 추정하고 이에 기반하여 공력감쇠모델과 와류유발하중모델을 구축하는 과정을 다룬 다. 최종적으로 공력감쇠모델과 와류유발하중 모델에 대한 재해석을 통하여 가속도응답을 구하고 계측된 가속도와 비교하여 모델의 진동예측성능을 평가한다. 본 연구에서 제안된 와류하중모델의 진동예측성능을 평가한 결과 안정적이며, 신뢰도가 높은 와류진동예측 이 가능함을 알 수 있었다.

The improvement of heat transfer in water cooling passage of lithium-ion battery is numerically studied by employing trapezoidal vortex generators. Battery Design StudioⓇ software is used for modeling electro-chemical heat generation in the battery. The conjugated heat transfer is analyzed with the commercial package STAR-CCM+ in terms of inlet flow velocities. The result shows that vortex generator enhances the convective heat transfer by developing thermal boundary layers and secondary flows in downstream, which results in reducing the average temperature of the battery by about 1℃. The heat transfer is enhanced for the whole inlet velocity, while the pressure loss sharply increases at more than inlet velocity of 0.1m/s. The optimum inlet velocity is around 0.1m/s for in terms of the heat transfer and pressure loss.

층류 경계층 내 반구에 의해 유기되는 말굽와류를 흡입 제어했을 때 후류영역에서의 마찰저항 변화를 측정하였다. 이를 위해 회류수조에서 유동가시화를 실시하여 최적의 자유유속, 반구 크기 및 흡입제어 구멍 크기를 결정하였고, 반구 후류영역에 설치된 평판과 연결된 동력계로 표면 마찰저항 감소를 측정하는 실험을 수행하였다. 평판에 설치된 반구 전방에는 유입 유동에 의해 반구를 감싸는 말굽와류가 생성되며 그 주위 와도 방향에 의해 후류영역으로는 빠른 유속의 유동이 유입되어 머리핀 와류 생성을 촉진시킨다. 따라서 반구 전방에 생성되는 말굽와류 세기를 흡입 제어에 의해 약화시킴으로써 반구 좌우측으로 길게 형성된 유속방향 와류가 후류영역으로 공급하는 에너지는 감소하게 된다. 즉, 반구 전방의 말굽와류를 제어함으로써 후류영역으로부터 생성되는 헤어핀 와류 발생 주파수가 줄어 들게 된다. 염료 주입을 이용한 유동 가시화 영상을 해석한 결과로 머리핀 와류의 발생 빈도가 흡입제어에 의해 36.4 % 감소되었고, 후류 영역에서 측정된 표면 마찰저항은 2.3 % 감소되는 것으로 나타났다.

지난 50여 년간의 연구를 통해서 와류진동의 발생메커니즘과 폭 넓은 이해를 위한 수학적 모델이 제시된바 있으나 대부분 실 험적 고찰과 경험적 모델에 기반한 현상학적인 접근이 주로 이루어졌다. 와류진동과 그에 수반된 독특한 현상, 유체의 흐름과 구조물의 상호작용에 내포되어 있는 복합성과 난해성은 지금도 많은 연구자들의 관심을 불러일으키고 있으며, 와류진동에 대한 원초적인 발생원인 규명에 대한 새로운 도전이 지속적으로 제기되고 있다. 본 연구에서는 하중식별법에 의해 와류하중을 직접 추출하고 스펙트럼 형상분석을 통하여 와류하중을 구성하는 요소하중을 도출하는 과정을 보였다. 와류진동을 구성하는 요소하중은 구조물의 속도가 공력 감쇠에 의하여 피드백되는 하중, 와의 발생에 의한 하중(스트로할 성분에 의한 순수와류하중), 풍직각방향 버펫팅 하중으로 구분됨을 알 수 있었다. 각 요소 하중이 구조물 응답에 미치는 영향을 분석하여 본 연구에서 제시된 와류하중 모델도출법의 정합성을 보임으로서, 모델 구축방법의 타당성을 제시하였다. 이들 요소하중에 대한 정량적인 수학적 모델의 정립을 위해서는 피드백하중의 공력감쇠예측, 순수와류하중 스펙트럼의 정량적인 분포와 그 크기 예측, 버펫팅 하중의 스펙트럼 성상 예측이 이루어져야 한다. 이를 위해 풍동실험, 실계측과 같은 현상학적인 접근방법과 유체 흐름의 정형화된 수학적 모델인 나비에-스톡스 방정식과 연계된 CFD 해석을 병행하여 와류하중을 구성하는 요소하중들에 대한 정량화된 수학적 모델의 정립이 요구된다.

The effect of inclination angle and attack angle on heat transfer enhancement of trapezoidal vortex generator was numerically investigated. The commercial package STAR-CCM+ was utilized to analyze the heat transfer and flow characteristics with various inclination and attack angle of vortex generator. The result shows that the optimum inclination angles are α =30°~40° in terms of the heat transfer and pressure drop. At more than 40° of inclination angle, the transverse vortex is dominant, so that the pressure drop is severe and the heat transfer is reduced. As the attack angle is increased, the transverse vortex is reduced, so that the pressure drop is improved. The optimum attack angle is β =30° because the heat transfer performance is maintained. However, more than 30° of attack angle, the heat transfer is decreasing.

Vortex Generators are used in heat exchanger to enhance the heat transfer of air side. 3-D numerical analysis is performed on heat transfer characteristics of a channel with trapezoidal vortex generator. We investigate the effects of vortex generators with two different inclined angles to flow direction which are forward and backward vortex generators. The thermal hydraulic performance such as Nu and pressure drop, is compared quantitatively. The results show that vortex generator enhances the heat transfer by developing boundary layers and secondary flow in the downstream. The downwash flow region corresponds to the maximum Nu, while the upwash flow region corresponds to Nu minimum. In the view of the heat transfer characteristics, FVG is better than BVG. However, when flow is turbulent as Re increases, the pressure drop for FVG is higher than that for BVG.

기류흐름에 의한 다양한 진동현상이 구조물에 발생한다. 이중 와류에 의한 진동은 구조물의 고유진동수와 일치하는 와류의 방출진동수에서는 Lock-in 현상에 의해 큰 진동을 유발하며 구조물에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그러나 대부분의 와류 현상은 등류에서 관찰되는 현상을 대상으로 이루어졌다. 본 연구에서는 대기 경계층에서 높이에 따라 풍속이 변화하는 난류에 의하여 구조물에 발생하는 와류의 영향을 풍동실험을 통하여 평가하였다. 탄성체 모형실험으로부터 계측된 가속도로부터 하중추정법을 이용 하여 와류진동을 발생시키는 1차 모드 와류하중을 추정하였으며 그 특성을 분석하였다. 추정된 와류하중의 스펙트럼을 보면 구조물 최상층 풍속의 약 88-90%에 해당하는 풍속에서 와류방출진동수가 두드러지게 나타나면서 피크를 형성하는 것으로 나타났다. 또한, 풍 속이 점차 증가할수록 와류하중의 스펙트럼의 진동수범위가 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 난류에 의한 와류하중을 특성을 반영 하면 초고층 구조물 등에 발생하는 풍직각 방향의 진동현상을 보다 효과적으로 파악하는데 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

태양광 패널의 최적 경사각은 한국의 경우 위도 범위인 30∼40도로 상당히 크기 때문에 패널을 지나가는 바람은 필연적으로 유동박리가 수반된다. 본 연구에서는 유동박리가 수반되는 대기유동장 해석시 난류강도 모델링이 우수한 대와류모사(LES)를 이용하여 풍동실험용 축소모형 및 실제규모 태양광 패널에 대한 수치해석을 수행하였다. 태양광 패널에 작용하는 풍하중이 최대가 되는 풍향인 0도와 180도에 대해 해석하고 압력계수를 실측자료와 비교하였다. 패널 경사면을 타고 올라가는 풍향 0도의 경우는 실측자료와 LES로 예측한 압력계수가 잘 일치하였으나 반대로 패널에 부딪쳐 타고 내려가는 풍향 180도의 경우는 실측값과 상당한 차이가 있었다. 패널 위, 아래면의 압력계수의 차이로 정의되는 순압력계수를 산출하고 이를 건축구조기준의 독립된 편지붕의 최소 설계기준과 비교하였으며, 설계기준 범위 이내인 것을 확인하였다.

배치플랜트에서 생산된 보통 레미콘을 현장으로 이송 후 펌프카로 압송 도중 기포와 고성능, 기능성, 속경성 혼합재료를 투입하여 재배합 하는데, 이 때 기포의 볼 베어링 효과를 이용해 혼합재료를 콘크리트 내에 고르게 분산시키게 되나 콘크리트에 다량의 공기가 존재함으로 강도를 크게 감소시키고 슬럼프를 크 게 증가시켜 원하는 작업성 범위를 벗어나게 되므로 공기압 스프레이 공법을 활용하여 공기를 소산시켜 원하는 공기량으로 줄이고 원래의 슬럼프로 감소시켜 속경성, 작업성, 고내구성을 확보하는 저비용 속경 성 콘크리트를 생산할 수 있다. 펌프카를 이용하여 재료를 이송 도중 공기압 와류와 낙하에 의해 교반하는 시스템으로, 펌프카에 직접 분말공급장치, 기포발생기, 에어컴프레셔 등을 연결하여 2회에 걸친 공기압 분사를 통해 재료를 교반하고 최종적으로 공기압 분사함으로써 기포를 소산 시키는 교반 시스템이다. 그림 1은 펌프카 관내 공기압 연 속식 교반 시스템의 재료 흐름 모식도이다.

고층빌딩이나 해양 라이저와 같은 세장 구조물은 구조시스템의 동적 불안정의 주요 원인인 와류유기진동(vortexinduced vibration, VIV)에 의한 동하중에 매우 취약하다. 와류유기진동이 라이저의 고유진동수 영역에서 발생하는 경우 Lock-in현상으로 피로파괴의 우려가 있다. 본 논문에서는 Lock-in 영역에서 구조물과 유동의 동적거동에 대한 수치해석을 다루었으며, 유동조건 변화에도 불구하고 공진 주파수가 유지되는 현상에 대해 분석하였으며, 유입유동에 대해 수직방향으로 자유진동하는 1자유도의 2차원 원형실린더 단면에 대한 비정상 층류를 가정하였다. 각 시간 단계에서 물체의 움직임을 고려하여 유동장 격자를 재생성하며 비정상 유동과 물체의 운동에 대한 지배방정식을 순차적으로 수치해석하여 유체-구조연성해석을 수행하였다. 결과는 선행연구와 잘 일치함을 보여주었고, Lock-in 현상에 대한 특성을 잘 나타내었다. Lock-in 영역에서는 양력뿐만 아니라 항력도 크게 증가함을 보여주었으며, 실린더의 수직변위는 직경의 20%까지 이름을 나타내었다. 양력과 수직변위의 상관분석을 통해 실린더가 Lock-in 영역에서 양력과 수직변위의 위상차가 동기로부터 반동기로 천이함을 확인하였으며, 이러한 변화가 Lock-in 영역에서 나타나는 공진거동의 원인이 되는 것으로 판된되었다.

풍동 내 난류를 생성하기 위해서는 난류격자를 사용한 수동적 방법이나 난류발생장치를 활용한 능동적 방법을 활용한다. 그 중 격자에 의한 방법은 상대적으로 손쉽게 다양한 크기의 난류강도를 구현할 수 있다. 격자에 의해 생성된 난류의 강도는 격자요소의 크기, 격자요소의 간격, 격자로부터 측정점까지의 거리에 좌우된다. 단일 격자요소에 의해 발생된 난류에 대하여 세 가지 요소의 효과를 먼저 분석하였다. 격자의 크기가 커질수록, 격자요소 간의 간격이 가까워질수록, 그리고 격자로부터 측정점의 거리가 가까울수록 난류강도가 상승하는 경향을 확인하였다. 1m의 폭을 갖는 풍동에서 측정점 기준 좌우 350mm 내의 범위에 대해 측정된 난류는 적정 수준의 균질성도 확보하고 있었다. 교량 거더의 연직 와류진동을 평가하기 위해 필요한 수준의 연직 난류강도를 2.5%로 보고 이와 같은 낮은 수준의 난류강도를 구현할 수 있는 격자를 제작하였으며, 그 과정에서 파악된 현상 등을 제시하였다.

본 연구에서는 상용코드인 ADINA를 이용하여, 유입풍속과 바람의 입사각을 변화시키며 이중원형실린더에서 발생하는 와류방출 현상과 실린더에 작용하는 공기력의 변동양상을 분석하였다. 본 연구결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 첫째, 레이놀즈수가 4,970인 경우에는 Karman vortex가 지배적으로 발생하며 레이놀즈수가 331,344인 경우에는 실린더 후면에 폭이 좁은 후류(turbulent wake)가 지배적으로 발생하는데, 이러한 기류현상은 바람의 입사각과 함께 풍하측 실린더에 작용하는 공기력의 비대칭성을 유발하는 원인이 된다. 둘째, 본 연구의 모의조건에서 풍상측과 풍하측 실린더는 거의 동일한 주파수의 와류를 방출하고 있으나, 풍상측과 풍하측 실린더에서 발생하는 와류 간의 위상차는 유입풍속에 따라 변동하는 특성을 보인다.