극초음속 유동에서 경사진 표면에서의 막냉각 최적화 기술 제시

Physics of Fluids (PHYSICS, FLUIDS & PLASMAS 분야 JCR 상위 6.1%) 논문  게재

충격파및기체역학 실험실의 김익현 교수 연구팀의 경사진 평판 위에서의 필름 냉각 성능 최적화 연구 결과가 유체역학 분야 최상위 국제 저명 학술지 Physics of Fluids(PHYSICS, FLUIDS & PLASMAS 분야 JCR 상위 6.1%)에 “Genetic algorithm-based optimization of film cooling effectiveness in laminar hypersonic flow over an inclined surface”라는 제목으로 7월호에 게재되었다.

연구팀은 경사각 30도의 평판 위를 마하 8.2의 극초음속 유동이 지나는 상황을 설정하고, 여기에 냉각제를 주입해 표면을 보호하는 필름 냉각 기술의 성능을 수치적으로 분석했다. 특히 냉각 주입 각도, 분사비(blowing ratio), 냉각제 온도를 핵심 설계 변수로 삼아, 유전자 알고리즘 기반의 다목적 최적화 기법으로 최적 조합을 도출했다. 그 결과, 냉각 주입 각도를 기준선에서 4.2도 반시계 방향으로 조정하고, 냉각제 온도를 260.1K로 낮추며, 분사비를 0.093으로 조정한 설계가 가장 우수한 성능을 보였다. 이 설계는 평균 열차단 성능을 10.3% 향상시키는 동시에, 냉각제 소비량은 12.2% 줄이고, 유동 분리 영역도 3.2% 감소시켰다.

본 연구에 적용된 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm, GA)은 생물학적 진화 메커니즘 즉, 선택(selection), 교차(crossover), 돌연변이(mutation)을 수학적으로 모사하여, 복잡한 설계 공간에서의 전역 최적 해(global optimum)를 효율적으로 탐색하는 진화 연산 기반의 최적화 기법이다. 김 교수 연구팀은 이 알고리즘을 전산유체역학해석, 자동 격자 생성, 후처리 및 적합도 평가 등과 통합하여, 다변수-다목적 설계 조건 하에서 냉각 성능, 유동 안정성, 냉각제 효율성을 동시에 만족시키는 파레토 최적 해를 도출하였다.

김익현 교수는 “경사면 위에서는 냉각제의 주입 방향과 메인유동과의 상호작용이 달라져서, 열 차단뿐만 아니라 유동 안정성 확보도 매우 까다롭다”며 “이번 연구는 경사 구조 특성까지 반영하여 실질적으로 적용 가능한 최적 설계를 확보한 데 의의가 있다”고 설명했다. 이번 연구는 계명대 충격파 및 기체역학 실험실 소속 호세인자데(Hoseinzade) 박사과정이 제1저자로 참여했으며, 김익현 교수의 지도를 받아 진행됐다. 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1063/5.0279945