김익현 교수 연구팀, 충격파 에너지 전달 규명 연구로 한국가시화정보학회지 표지 선정
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작성자 최고관리자 댓글 조회 작성일 26-08-07 17:14본문
충격파 에너지 전달 극대화 위한 최적 위치 규명
충격파 방출 및 와류 구조 가시화 이미지, 한국가시화정보학회지 표지 선정
충격파및기체역학실험실 김익현 교수 연구팀이 개방형 충격파 관(open-ended shock tube)에서 방출되는 충격파의 근거리 유동 특성을 분석하고, 시험 시편에 충격 에너지를 효과적으로 전달할 수 있는 최적 위치를 규명했다. 이번 연구는 충격파 관 출구에서 발생하는 충격파의 회절과 팽창, 와류 형성 과정을 초고속 유동 가시화 실험과 전산유체역학 해석을 통해 종합적으로 분석한 것이 특징이다. 연구팀은 쉐도그래프(shadowgraph) 기법을 이용해 충격파가 관 외부로 방출되는 순간의 유동 구조를 가시화하고, 2차원 축대칭 수치해석을 통해 압력, 밀도, 온도 및 내부에너지의 공간적 변화를 정량적으로 분석했다.
충격파가 충격파 관 출구를 빠져나오는 순간 관 끝단에서 회절과 급격한 팽창이 발생하며 전단층과 원환형 와류(toroidal vortex ring)가 형성된다. 특히 충격파 전면 직후의 압축 영역에서 압력과 내부에너지가 가장 높게 나타났으며, 충격파 관 중심축을 따라 에너지가 집중되는 현상이 관찰됐다. 충격파가 관 출구 밖으로 전파가 되면 주변 대기로 급격히 팽창하면서 압력과 내부에너지가 빠르게 감소하고, 내부에너지의 일부가 분출 유동과 와류의 운동에너지로 전환되는 것으로 분석됐다. 이번 연구는 기존 충격파 관 연구가 주로 충격파의 압력과 전파 특성에 초점을 맞춘 것과 달리, 실제 시편에 전달되는 열역학적 에너지와 시편의 위치 간 관계를 정량적으로 규명했다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 충격파 기반 재료 물성제어 실험에서 최대 수준의 에너지를 전달하기 위한 시편 배치 기준을 제시했다.
김익현 교수는 “충격파가 충격파 관 밖으로 방출되는 순간에는 매우 짧은 시간 동안 복잡한 팽창과 와류 형성이 동시에 발생하기 때문에 단순히 충격파의 세기만으로 실제 재료에 전달되는 에너지를 판단하기 어렵다”며 “이번 연구를 통해 충격파 관 출구 주변의 에너지 전달 특성을 정량적으로 규명함으로써 향후 충격파를 활용한 첨단소재 가공 및 물성 제어 연구의 실험 조건을 보다 체계적으로 설계할 수 있는 기반을 마련했다”고 설명했다.
이번 연구는 충격파및기체역학실험실 다부드 호세인자데 박사과정생이 제1저자, 수렌다 박사가 공동저자로, 김익현 교수가 교신저자로 참여해 수행했다. 연구 결과는 한국가시화정보학회가 발간하는 한국가시화정보학회지(Journal of the Korean Society of Visualization) 제24권 제2호에 게재됐다. 한국가시화정보학회지는 20년 이상 발간되어 온 국내 유동가시화 분야의 대표 전문 학술지로, 열유동 현상을 비롯한 다양한 공학 분야의 가시화 기술 및 응용 연구를 다루고 있다. 특히 이번 연구에서 확보한 충격파 유동 가시화 이미지가 해당 호의 표지 이미지로 선정돼 연구 성과의 학술적 의미를 더했다.