• 한국레이저가공학회지
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• 제6권3호
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• pp.37-45
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• 2003

Pulsed laser ablation is important in a variety of engineering applications involving precise removal of materials in laser micromachining and laser treatment of bio-materials. Particularly, detailed numerical simulation of complex laser ablation phenomena in air, taking the interaction between ablation plume and air into account, is required for many practical applications. In this paper, high-power pulsed laser ablation under atmospheric pressure is studied with emphasis on the vaporization model, especially recondensation ratio over the Knudsen layer. Furthermore, parametric studies are carried out to analyze the effect of laser fluence and background pressure on surface ablation and the dynamics of ablation plume. In the numerical calculation, the temperature, pressure, density, and vaporization flux on a solid substrate are obtained by a heat-transfer computation code based on the enthalpy method. The plume dynamics is calculated considering the effect of mass diffusion into the ambient air and plasma shielding. To verify the computation results, experiments for measuring the propagation of a laser induced shock wave are conducted as well.

• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2003년도 춘계학술대회
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• pp.1572-1577
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• 2003

High-power pulsed laser ablation under atmospheric pressure is studied utilizing numerical and experimental methods with emphasis on recondensation ratio, and the dynamics of the laser induced vapor flow. In the numerical calculation, the temperature pressure, density and vaporization flux on a solid substrate are first obtained by a heat-transfer computation code based on the enthalpy method, and then the plume dynamics is calculated by using a commercial CFD package. To confirm the computation results, the probe beam deflection technique was utilized for measuring the propagation of a laser induced shock wave. Discontinuities of properties and velocity over the Knudsen layer were investigated. Related with the analysis of the jump condition, the effect of the recondesation ratio on the plume dynamics was examined by comparing the pressure, density, and mass fraction of ablated aluminum vapor. To consider the effect of mass transfer between the ablation plume and air, unlike the most previous investigations, the equation of species conservation is simultaneously solved with the Euler equations. Therefore the numerical model computes not only the propagation of the shock front but also the distribution of the aluminum vapor. To our knowledge, this is the first work that employed a commercial CFD code in the calculation of pulsed ablation phenomena.

• 한국재료학회지
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• 제12권1호
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• pp.27-35
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• 2002

In laser materials processing, localized heating, melting and evaporation caused by focused laser radiation forms a vapor on the material surface. The plume is generally an unstable entity, fluctuating according to its own dynamics. The beam is refracted and absorbed as it traverses the plume, thus modifying its power density on the surface of the condensed phases. This modifies material evaporation and optical properties of the plume. A laser-produced plasma plume simulation is completed using axisymmetric, high-temperature gas dynamic model including the laser radiation power absorption, refraction, and reflection. The physical properties and velocity profiles are verified using the published experimental and numerical results. The simulation results provide the effect of plasma plume fluctuations on the laser power density and quantitative beam radius changes on the material surface. It is proved that beam absorption, reflection and defocusing effects through the plume are essential to obtain appropriate mathematical simulation results. It is also found that absorption of the beam in the plume has much less direct effect on the beam power density at the material surface than defocusing does and helium gas is more efficient in reducing the beam refraction and absorption effect compared to argon gas for common laser materials processing.

• 한국입자에어로졸학회지
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• 제8권4호
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• pp.161-172
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• 2012

Three-dimensional numerical simulation using a computational fluid dynamics (CFD) was carried out in order to investigate the formation and dispersion of the plume discharged from the stack of a thermal power station. The simulation was based on the standard ${\kappa}{\sim}{\varepsilon}$ turbulence model and a finite-volume method. Warm and moist exhaust from a power plant stack forms a visible plume as entering the cold ambient air. In the simulation, moisture content, emission velocity and temperature of the flue gas, air temperature and wind speed were dealt with the main parameters to analyze the properties of the plume composed mainly of water vapor. As a result of the simulation, the plume could be more apparent in cold winter due to a big difference of latent heat capacity. At no wind condition, the white plume rises 120 m upward from the top of the stack, and expands to 40 m around from the stack in cold winter after flue gas heat recovery. The influencing distance of relative humidity will be about 100 m to 400 m downstream from the stack with a cross wind effect. The decrease of flue gas temperature by heat recovery of thermal energy facilitates the formation of the plume and restrains its dispersion. Wind speed with vertical distribution affects the plume dispersion as well as the density.

• 한국항공우주학회지
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• 제45권9호
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• pp.766-774
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• 2017

달착륙선 하강엔진에서 사출된 배기가스가 월면과 충돌할 때 배기가스와 월면과의 상호작용으로 인해 월면에 분포되어 있는 표토가 분산된다. 이때, 분산된 표토입자가 착륙선과 충돌할 경우 성능 저하 등과 같은 역효과를 야기할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 달착륙 엔진의 배기가스 거동을 전산유체해석을 통해 예측하고자 하였다. 하강엔진의 노즐내부 영역은 Navier-Stokes 방정식 기반의 연속체 유동 모델을 이용하여 해석하였으며, 노즐 외부 배기가스 거동은 연속체 유동 모델과 직접모사법(DSMC)을 적용하여 해석한 결과를 각각 비교 및 분석하였다. 이를 통해 진공환경에서 달착륙선 하강엔진에 대한 최적의 배기가스 해석 절차를 수립할 수 있었으며, 차후 한국형 달착륙선 개발에 충분히 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

• 생태와환경
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• 제41권4호
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• pp.472-484
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• 2008

The calibrated Andong Reservoir hydro-dynamic module (PART I) of the 2-dimensional hydrodynamic and water quality model, CE-QUAL-W2 [v3.2], was applied to examine the dynamics of total phosphorus, and chlorophyll $\alpha$ concentration within Andong Reservoir. The modeling effort was supported with the data collected in the field for a five year period. In general, the model achieved a good accuracy throughout the calibration period for both chlorophyll ${\alpha}$ and total phosphorus concentration. The greatest deviation in algal concentration occurred on $10^{th}$ October, starting at the layer just beneath the surface layer and extending up to the depth of 35 m. This deviation is principally attributed to the effect of temperature on the algal growth rate. Also, on the same date, the model over-predicts hypolimnion and epilimnion total phosphorus concentration but under-predicts the high concentrated plume in the metalimnion. The large amount of upwelling of finer suspended solid particles, and re-suspension of the sediments laden with phosphorus, are thought to have caused high concentration in the epilimnion and hypolimnion, respectively. Nevertheless, the model well reproduced the seasonal dynamics of both chlorophyll a and total phosphorus concentration. Also, the model tracked the interflow of high phosphorus concentration plume brought by the turbid discharge during the Asian summer monsoon season. Two different hypothetical discharge scenarios (discharge from epilimnetic, and hypolimnetic layers) were analyzed to understand the response of total phosphorus interflow plume on the basis of differential discharge gate location. The simulated results showed that the hypolimnetic discharge gate operation ($103{\sim}113\;m$) was the most effective reservoir structural control method in quickly discharging the total phosphorus plume (decrease of in-reservoir concentration by 219% than present level).

• 한국항만학회지
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• 제11권2호
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• pp.215-230
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• 1997

미국에서는 오래 전부터 보다 효율적인 폐수 처리를 위해 1차 처리된 폐수를 연안의 폐수처리장으로부터 긴 관을 통해 심해저로 흘러 보내고 있고 큰 효과를 보는 것으로 알려져 있다. 그러나, 십해저 확산배출구률 통해 흘러 나와 형성된 플룸이 근접한 연안에 간접적으로는 인간의 건강에 해를 줄 수가 있기 때문에 바다의 물리적인 조건과 지형적인 조건을 고려한 심해저 확산배출구의 적절한 수심에서의 배치가 필수적이라 하겠다. 미국의 세계적인 관광 도시 호놀룰루시가 위치해 있는 오하우섬 남쪽에서는 위치의 중요성과 다량의 배출 폐수 때문에 중요시되는 샌드 아일랜드 배출구와 호노울리우리 배출구가 관심의 대상이 되었으며 현재까지 화산배출구의 배치에 적합한 수십선정에 대한 타당성 연구가 진행되어져 왔다. 최근에는 9백만 불의 지원을 받아 행한 마말라 만에 대한 이전의 연구(프로젝트MB-4)에서는 샌드아일랜드의 확산 배출구 주위예서 플룸의 표면수도달 빈도가 실질적인 값보다 훨씬 높은 값으로 계산되었는데 본 논문에서는 마말라 만에 대한 연구의 단점을 보완하고 마말라 만 연구에서와 같은 모델을 이용하여 플룸의 표면수 도달 빈도와 초기 회석도를 실질적인 값에 거의 근접시키는데 성공했다. 본 논문에서 중요시한 것은 마말라 만 연구에서 선택된 특정 모델의 입력 변수 중에서 배출구 주위의 해수 컬럼에서 상층과 전체적인 밀도분포를 고려하지 않은 데서 오는 단점을 보완하여 1미터 간격으로 측정된 상충을 포함한 현실적인 밀도분포를 이용하고 플룸의 상승과 초기 희석도를 계산할 때 상층의 밀도 분포를 고려하였다. 앞으로의 연구에서 상층파 전체적인 밀도 분포를 고려함으로써 예측 수치를 더욱 현실 값에 접근시킬 수 있음을 입증하였다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제6권4호
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• pp.413-420
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• 1994

하천수 플룸(plume)의 퍼짐을 다루는 역학은 플룸의 경계면이 시간과 공간에 따라서 변하기 때문에 자유경계조건의 문제(free boundary problem)로 다루어야 하는 대단히 복잡한 비선형 문제이다. 더욱이 플룸경계를 통한 주변수의 혼합까지 고려할 경우 그 복잡성은 한층 더해진다. 이러한 비선형성과 복잡성을 피하는 기법의 하나가 적분해석법인 바, 본 논문에서는 하천수 플룸의 흐름축에 수직한 횡방향 및 수심방향에 대하여 기본방정식들을 적분함으로 3차원 문제를 1차원 문제로 치환하는 적분해석법을 사용하였다. 다만 이 일이 가능하기 위해서는 유동변수들(유속, 밀도 등)의 횡방향 및 수심방향의 분포함수가 알려져 있음이 전제되어야 하는데 유속의 축방향성분 및 플룸과 주변수 간의 밀도차가 상기 두 방향에 대해서 가우스(Gauss)분포를 갖는다는 잘 검증된 가정을 활용하였다. 그리고 이 가정에서 플룸의 횡방향 유속을 도출해낸 본 연구자들의 기발표된 논문의 결과도 활용하였다. 결과로 얻어진 연행(entrainment)효과까지 포함한 방정식들을 Runge-Kutta 수치해석법을 사용하여 풀었다. 그리하여 하천수 풀룸의 3차원적 해석을 쉽게 수행할 수 있는 수치해석기법을 얻어냈다.

• 항공우주기술
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• 제10권1호
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• pp.129-135
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• 2011

본 연구는 중앙 물분사 방식을 채택한 액체로켓엔진 후류의 냉각에 대해 전산유체역학을 통한 특성을 고찰하였다. 중앙 물분사 방식의 냉각은 측면 물분사 방식과는 달리, 잘 알려져 있지 않기 때문에 다양한 물분사량과 유량을 통해 효율적으로 후류를 냉각시킬 수 있는 조건을 찾았으며, 해석을 통해 후류의 변화 특성을 살펴보았다. 이로부터 물분사 유량이 총추진제 유량의 2배 이상, 위치는 L/De=1.2일 때가 적당함을 알 수 있었다.

• 한국레이저가공학회지
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• 제5권2호
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• pp.31-38
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• 2002

This paper describes the process of nanoparticle synthesis by laser ablation of consolidated microparticles. We have generated nanoparticles by high-power pulsed laser ablation of Al, Cu and Ag microparticles using a Q-switched Nd:YAG laser (wavelength 355 nm, FWHM 5 ㎱, fluence 0.8∼2.0 J/㎠). Microparticles of mean diameter 18∼80 ㎛ are ablated in the ambient air The generated nanoparticles are collected on a glass substrate and the size distribution and morphology are examined using a scanning electron microscope and a transmission electron microscope. The effect of laser fluence and collector position on the distribution of particle size is investigated. The dynamics of ablation plume and shock wave is analyzed by monitoring the photoacoustic probe-beam deflection signal. Nanosecond time-resolved images of the ablation process are also obtained by laser flash shadowgraphy. Based on the experimental results, discussions are made on the dynamics of ablation plume.