• 대한환경공학회지
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• 제32권2호
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• pp.165-174
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• 2010

석탄 가스화 반응을 모델링하여 습식분류층 석탄 가스화기의 반응특성에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 본 연구의 목적은 신뢰성 있는 수치해석기술을 이용하여 가스화 장치의 기본설계와 더불어 최적 운전조건의 설정에 있다. 석탄 가스화 반응은 복사가 관여하는 고체와 기체의 이상 난류반응으로서 수증기 증발로부터 휘발화, 촤와 가스의 반응 등 일련의 연소반응의 구조를 가진다. 본 연구에서는 실험과 수치해석적인 방법을 병행하여 연구를 수행하였으며 한국에너지기술연구원에 설치된 1톤 규모의 실험용 가스화기를 대상으로 하였다. 본 연구에서는 기본적으로 상용프로그램을 사용하였으며 석탄 가스화 반응해석에 필요한 여러 서브루틴을 개발하여 해석하였다. 세부 반응 서브루틴의 난류반응은 기본적으로 에디붕괴모델에서 화학적 반응속도의 개념을 조화평균의 형태로 사용하였다. 그리고 석탄입자궤적은 라그란지안 접근방식을 선택하였으며 입자의 궤적 계산에서 저항력에 나타나는 난류비선형적인 문제에 대한 모델도 고려하였다. 이와 같이 개발된 프로그램은 실험에서 얻어진 가스농도와 온도분포 그리고 냉가스 효율 등의 자료들과 비교하여 성능을 일차적으로 검토하였다. 석탄의 입자크기분포, 석탄 슬러리 농도, 그리고 가스화기의 형상변화는 가스화 성능에 직접적으로 영향을 주며 이를 합성가스 생성량과 냉가스 효율을 통해 비교 검토하였다. 본 연구 결과가 비록 물리적으로 타당하고 변수연구의 일관성을 보여주나 기류층 석탄가스화 반응장치의 복잡성을 고려하여 볼 때 보다 많은 실험결과에 대한 정교한 모델검증 노력이 신뢰성 있는 프로그램의 완성에 필요할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제36권5호
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• pp.761-776
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• 2003

본 연구에서는 사류 및 부압이 발생하는 자유수면을 가진 댐 상류 및 여수로에서 물의 흐름의 동수역학적인 거동을 파악하기 위하여 수치모형을 적용하였다. 댐 건설시, 댐 상류에서의 유동을 알아보기 위하여 2차원 수치모형인 RMA2를 이용하였고, 접근부에서의 3차원적 흐름과 여수로, 방류관 등에서의 흐름분포를 평가하기 위하여 3차원 CFD 프로그램인 FLUENT를 사용하였다. 수치모의에서는 지형 및 구조물에 관한 세부인자들이 수치모형을 구성하는 데 사용되었다. 한탄강 댐에 적용한 2차원 수치모의 결과, 댐 상류부 여러 지점에서 최대 유속이 1 m/s에 이르는 와류가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 2차원 수치모형이 댐 건설 후 상류하천의 2차원적 유황을 규명하는 데 유용하게 활용될 수 있음을 의미한다. 3차원 수치모의 결과, 수위와 방류조건에 따라서 댐 직상류의 3차원 접근 흐름의 변화가 발생하고 있으며, 여수로, 방류관, 배사관으로 배출되는 유속이 상이하게 나타나고 있음이 밝혀졌다. 댐 상류 100 m지점에서 댐 여수로 중심선에 대한 유속 분포 모의치를 수리모형실험에서의 측정치와 비교한 결과, 두 값이 비슷하게 나타났다. 본 연구 결과, 2, 3 차원 수치모형이 댐 상류부 및 여수로의 흐름을 해석하는 데 있어서 수리모형실험에서 쉽게 수행하기 어려운 다양한 조건을 모의함으로써 댐 설계 최적화에 기여할 수 있으리라 판단된다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권5호
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• pp.612-620
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• 2016

산화 칼슘 수용액을 통해 이산화탄소를 포집하는 수성 광물 탄산화 공정은 안정적으로 이산화탄소를 고립시킬 뿐 아니라 생성물의 부가 가치를 기대할 수 있는 대표적인 CCU (Carbon Capture & Utilization) 기술이다. 이 공정의 핵심은 고체 반응물인 산화칼슘의 용해 속도를 최대로 높이는 것인데, 이를 위해 반응기 전체에 고체 반응물이 균일하게 분포되도록 혼합하는 적절한 반응기의 설계가 필요하다. 본 논문에서는 하루에 40ton의 이산화탄소 포집이 가능한 파일럿 규모의 광물 탄산화 반응기를 대상으로, 반응기의 내부 구조 설계에 따라 고체 반응물의 분산도가 어떻게 변하는지에 대해 전산 유체 역학적 모델링(Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling)을 통해 연구하였다. 교반 탱크 반응기(stirred tank reactor) 형태를 기반으로 외부 구조는 고정한 상태에서 교반기의 종류/갯수/지름/유격/회전 속도, 칸막이의 높이/너비를 변수로 선정하여 다양한 조합의 경우(case)들을 해석하였다. 각 설계 변수에 대한 민감도를 분석함으로써 각 변수의 영향을 파악하고, 중요한 변수를 판별할 수 있었다. 동시에 고체 부피 분율(solid volume fraction)의 높이 방향 표준 편차가 0.001에 가까운 균일한 분포를 만들 수 있는 내부 설계안을 제안하였다.

• 생물환경조절학회지
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• 제27권1호
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• pp.20-26
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• 2018

작물생육의 품질 및 생산량에 중요한 영향을 미치는 온실 내 환경관리에 대한 연구는 활발히 진행되고 있다. 주로 온실 내 환경분포를 측정하는 방법으로는 한 두 지점에 대해서만 측정하여 온실 전체를 관리하는 시스템으로 이루어졌으며 기존 환경데이터 측정방식은 각각의 데이터 로거 및 센서간의 배선들로 인하여 복잡한 시스템으로 구성되었다. 본 연구에서는 온실 내 설치 된 각 환경센서들로부터 지점별 데이터를 획득하고 획득된 데이터는 모니터링 프로그램을 통하여 공기유동흐름을 측정하는 장치를 개발하였다. CAN 네트워크 통신을 통하여 환경센서들의 배선 토폴로지를 간소화 했으며 프로토콜의 견고함으로 온실 내 모니터링을 안정적으로 데이터를 수집할 수 있도록 구현되었다. 온실 내 공간의 환경요인 분포(온 습도 및 풍속 등)들을 12개 지점에 배치하고 온 습도 및 풍속의 환경 데이터는 상세히 파악할 수 있도록 X, Y, Z 축으로 다수의 측정점(총 36점)을 선정하였다. 데이터 손실 및 다양한 온실조건을 고려하여 비트레이트를 저속 125kbit/s로 구현하여 온실 내 100m 구역내에서 센서를 추가적으로 연장(총 90개)할 수 있도록 구축되었다. 온도, 습도, 일사량, 풍향, 풍속, 대기압 및 강우량 등 측정된 데이터는 LabVIEW에 연동되어 실시간으로 센서 정보 출력이 가능하도록 구현되었다. 온실 내 환경 분포는 사용자의 편의에 따라 환경분포를 수평(XZ), 수직(YZ)축으로 가시화 할 수 있으며, 보간의 범위를 원하는 값으로 설정하여 보간 할 수 있도록 구현되었다. 추후에 온실 내의 공간에 따라 온도, 습도, 풍속, $CO_2$ 등의 환경 측정 실험을 통하여 CFD 모델링과의 검증 및 비교에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

• 대한환경공학회지
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• 제22권7호
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• pp.1173-1182
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• 2000

지금까지 급속혼화는 정수처리 공정 중에서 매우 중요한 공정으로 인식되어 왔다. 특히, 응집제의 원수내 확산은 급속혼화 공정에 이어지는 flocculation이나 filtration 공정에 지대한 영향을 미치게 되므로 지금까지 많은 연구자들이 혼화장치의 개발이나 효율적인 혼화방식에 관해 연구를 해왔다. 그러나 선행 연구자들은 급속혼화에 있어서 중요한 변수로 응집제 주입량, pH, 임펠러의 회전속도, 그리고 G값만을 고려하였으나, 실제 응집제와 콜로이드입자와의 충돌기회에 지대한 영향을 미치는 급속혼화 공정상에서 발생되는 난류장을 간과하였다. 특히 급속혼화에서의 난류의 발생은 G값에 전적으로 의지하여 난류장의 평균값으로 혼화조내의 난류를 표현하여 왔으며, 혼화조의 형상에 따라 달라지는 난류장 해석은 연구가 미약한 실정이다. 이에 본 연구는 급속혼화에서 난류장 해석의 중요성을 인식하고 혼화조의 형상 변화에 따라 달라지는 난류장을 전산유체 프로그램을 통하여 해석하였다. 그리고 혼화조 형상을 달리하며 jar-test를 수행한 결과 배플이 없는 원형 jar의 경우가 배플이 장착된 원형 jar나 Hudson jar보다 응집제의 확산에 따른 탁도 제거효율이 좋은 것으로 나타났으며, 전산유체 프로그램을 이용하여 각각 모사한 결과 벽면효과나 사류지역의 발생 등으로 배플이 없는 원형 jar가 혼화에 효과적인 난류장이 분포되는 것으로 확인되었다. 이 결과를 통해 혼화조 형상이 응집제의 확산이나 난류장의 발생에 영향을 미치는 것으로 결론 내릴 수 있다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권1호
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• pp.42-50
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• 2019

국내 산업이 발전함에 따라 유해화학물질의 사용이 급속도로 증가하고 있고, 이에 따른 화학사고 역시 증가하고 있다. 대부분의 화학사고는 저장시설에서 화학물질의 누출로 인해 발생하지만, 갑작스러운 고온 고압으로 인해 저장시설이 파열됨으로써 내부의 물질이 순간적으로 방출되는 사고 역시 발생하고 있다. 이것을 catastrophic failure라고 부르며 그 빈도는 매우 낮지만, 발생했을 때 피해 규모는 매우 크다. 국내에서는 2013년 울산의 한 현장에서 물탱크의 파열로 인해 3명의 사망자를 포함한 15명의 사상자가 발생하였고, 전 세계적으로 1919년부터 2004년까지 저장시설의 순간 전량 방출 사고가 64건 발생하였다. 저장시설에서 위험물질이 누출될 경우 외부로의 확산을 방지하는 방류벽이 존재하지만, 저장시설의 파괴로 물질이 순간적으로 방출되는 경우 내부 물질이 방류벽 바깥으로 넘치는 현상이 발생한다. 이를 월파 현상 또는 overtopping 이라 한다. 해외에서는 저장시설의 순간 전량 방출 사고에 따른 overtopping 효과를 실험을 통해 연구해왔다. 본 연구에서는 선행연구를 바탕으로 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 이용하여 국내 규정을 준수하는 방류벽의 설계 조건별 overtopping 효과를 확인해 보았다. 그 결과, 방류벽 용량의 최소기준을 만족한 상태에서 높이가 높아지고 설비와의 거리가 가까워짐에 따라 내부 물질이 방류벽 외부로 빠져나가는 현상은 줄어들었다. 추가로 대기조건 및 물질의 종류, 방류벽 형상에 따른 overtopping의 효과를 확인함으로써, 순간 전량 방출 사고의 피해를 고려한 방류벽의 설계 방향 및 저감 대책을 제시하고자 한다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제20권5호
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• pp.477-484
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• 2019

차량에 거주하는 시간이 증가하면서 탑승자는 차량의 높은 주행성능과 더불어 쾌적하고 안정성 높은 승차 환경을 원하고 있다. 자동차 전면유리 제상성능은 운전자의 안전운전을 위해 필수적으로 요구되는 성능 중 하나이다. 자동차의 전면유리의 성에 제거 성능을 향상시키기 위해서는 제상 노즐의 형상과 같은 관련 요소들을 적절하게 설계하여야 한다. 본 논문에서는 소형 전기자동차의 제상성능 개선을 위하여 CFD 기반의 전산수치해석을 수행하였다. 자동차 전면유리에 뜨거운 공기를 분사하는 제상 노즐과 가이드 베인의 각도를 변경하면서 제상 성능해석을 수행하였다. 전산수치해석 결과, 제상노즐 각도 $70^{\circ}$ 및 가이드 베인 설치 각도 $60^{\circ}$인 경우가 가장 우수한 제상성능을 보이는 것으로 분석되었다. 해석결과를 바탕으로 제상노즐과 가이드 베인을 제작하여 제상실험을 수행하였으며, 해석결과와 실험결과가 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 또한 실험결과, 자동차 전면유리의 성에가 20분 이내 80% 제거됨을 확인 할 수 있어, FVMSS 103 규정을 만족하는 제상성능을 확보한 것으로 판단된다.

• 한국시뮬레이션학회논문지
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• 제31권1호
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• pp.29-41
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• 2022

이상기후로 인한 불안정한 식량 수급을 해결하기 위한 대안 중 하나로 식물공장의 필요성이 증대되고 있다. 식물공장 내 기류는 재배작물의 증산작용과 열교환에 중요한 인자 중 하나로 인식되고 있다. 한편, 디지털트윈(Digital Twin: DT)은 실체계를 가상세계에 복제한 것으로 실체계만으로 불가능한 다양한 서비스를 제공하는 수단으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 디지털트윈 개념을 실제 운용중인 식물공장 기류해석에 적용하여 다양한 상황에 기류를 예측할 수 있는 기류 예측 DT 모델 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 먼저 기류 해석용 디지털트윈 수학적 형식론을 제시하고, 이를 기반으로 실제 운용중인 식물공장의 기류예측 모델링에 필요한 정보들을 명세한다. 이어서 식물공장 내 형상을 CAD로 구현하고 유동해석을 위한 전산유체역학(CFD) 구성요소들을 결합하여 DT 모델을 개발하였다. 마지막으로 DT 모델의 시뮬레이션 해석 결과를 식물공장에서 수집한 실제 기류값과 비교하는 모델의 실증 및 기계학습 기반 보정을 통해 정확도가 높은 기류 예측용 DT 모델을 완성하였다.

• 한국전자통신학회논문지
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• 제17권2호
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• pp.265-278
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• 2022

육·해상 풍력 프로젝트 성공여부는 사업의 경제성 확보에 중점을 두고 있으며, 이는 양질의 풍력자원 확보와 풍력단지 최적배치에 의해 좌우된다. 풍력단지를 배치하는 과정에서 주풍향을 고려한 풍력터빈들의 최적배치 방법이 중요하며, 이는 풍상측에 위치한 구조물을 통과하는 유체가 발생시키는 후류영향을 최소화시키는 것과 연관이 있다. 후류효과 예측성의 정확도는 이를 적절히 모의할 수 있는 후류모델과 모델링 기법에 의해 결정되어지며, 특히 산악 및 다도해지역과 같은 복잡지형에서는 고해상도 기반의 정확한 후류예측이 필수적으로 요구된다. 이에 본 논문에서는 상용 CFD 모델인 WindSim을 활용하여 국내 산악 복잡지형에 위치한 육상풍력단지 예정지의 후류모델별 민감도 분석을 통해 후류확산 형태를 분석하고 향후 복잡지형 풍력발전 프로젝트의 기초연구 자료로 활용하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.106.1-106.1
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• 2010

석탄가스화기술은 매장량이 풍부하여 안정적인 공급이 보장되는 석탄을 이용함과 동시에 환경오염물질 감소라는 사회적 요구조건을 충족시키면서 화학제품, 석탄-가스화, 석탄-디젤화, 연료전지, 복합발전 등 다양한 분야에 응용이 가능한 장점이 있다. 특히 석탄가스화복합기술(Intergrated Coal Gasification Combined Cycle, IGCC)은 석탄을 고온, 고압하에서 가스화시켜 일산화탄소(CO), 수소($H_2$)가 주성분인 합성가스를 제조, 정제 후 가스터빈 및 증기터빈을 복합으로 구동하여 전기를 생산하는 친환경 차세대 발전기술로 주목을 받고 있다. 현재 IGCC 기술은 세계적으로 볼 때 상용화단계에 있고, 우리나라의 경우 한국형 IGCC 기술의 확보를 위한 연구사업이 진행중에 있다. 본 연구는 IGCC 발전플랜트의 발전효율을 결정하는 가장 중요한 부분이라 할 수 있는 가스화반응기의 모델링 기술을 개발하는 목적으로 진행되었다. 본 연구에서는 석탄가스화 반응기에서 발생하는 석탄의 휘발화와 Char의 표면반응 그리고 기상에서의 가스화반응등의 현상을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 모델링하는 방법론이 연구되었다. 해석을 위한 형상은 해석에 소요되는 시간을 줄이고, 형상이 해석결과에 미치는 영향을 줄이고자 2차원으로 구성하였다. 해석을 위한 수학적모델으로는 난류모델, 가스화반응모델, Lagrangian particle tracking, Char reaction 등을 포함하였고, 해석을 위한 Solver는 Fluent를 이용하였다. 모델링결과에 의해 예측되는 합성가스의 조성을 상용급 IGCC 가스화기의 운전결과와 비교해 본 결과 본 연구에서 설정한 모델로 예측되는 온도 및 가스농도가 실험치와 유사하게 나타남을 알 수 있었고 이를 통하여 본 연구에서 설정한 모델링방법이 적절함을 알 수 있었다.