직접모사법을 이용한 정지궤도위성 액체원지점엔진의 배기가스 거동연구

이치성 세종대학교 대학원 2018 국내석사

정지궤도위성은 천이궤도에서 정지궤도로 진입하기 위해 필요한 추력을 액체원지점엔진을 사용하여 얻는다. 하지만 액체원지점엔진을 사용할 때는 35,000 Km 고도가 넘는 고진공환경에서 사용함에 따라 엔진에서 나오는 배기가스(Plume)는 고진공영역을 만나 팽창하여 정지궤도위성의 표면이나 태양전지판으로 흐르는 후방유동을 만든다. 후방유동은 정지궤도위성의 수명절감, 표면오염, 열 하중 등의 치명적인 오류를 만들 수 있으므로 정지궤도위성에 사용되는 액체원지점엔진에 대한 배기가스해석은 필요하다. 본 연구에서는 고진공영역에서 사용되는 정지궤도위성 400 N급 이원추진시스템 액체원지점엔진에 대한 배기가스해석을 직접모사법을 사용하여 해석하였다. 모노메틸하이드라진과 사산화이질소를 추진제로 사용하는 액체원지점엔진을 선택하여 화학평형상수를 사용하여 화학반응을 계산하여 몰분율과 단열화염온도를 계산하였다. 그 다음 액체원지점엔진의 배기가스를 해석하기 위해 먼저 연속체 영역인 액체원지점엔진 내부유동해석을 Navier-Stokes 기반에 상용소프트웨어를 사용하여 해석하였다. 내부유동해석 출구 결과를 사용하여 분자들의 충돌이 적은 희박영역을 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo)을 사용하여 해석하였다. 직접모사법의 해석은 2차원해석과 정지궤도형상과 태양전지판을 고려한 3차원해석을 진행하였다. 추가적으로 액체원지점엔진의 대한 복사열전달에 관한 해석을 진행하여 액체원지점엔진의 배기가스가 태양전지판의 미치는 영향을 해석하였다. 해석결과로 연속체영역에 대한 액체원지점엔진의 내부유동 결과와 2차원 직접모사법을 통해 액체원지점엔진의 배기가스가 후방유동을 발생시켜 정지궤도위성 표면과 태양전지판까지 충분히 팽창되는 것을 확인하였고 3차원 직접모사법 계산을 통하여 압력, 온도, 밀도와 같은 배기가스 거동을 파악할 수 있었다. 직접모사법의 결과를 사용하여 액체원지점엔진 배기가스가 태양전지판에 열 하중과 수밀도를 예측하였고 복사열전달계산으로 배기가스가 가지는 복사열전달률과 액체원지점엔진과 태양전지판표면사이의 복사교환을 예측하였다. The geostationary satellite uses a liquid apogee engine to obtain the thrust to enter a stationary orbit. However, since the liquid apogee engine are used in high vacuum environments of more than 35,00km, the plume from the engine makes backflow into the surface of geostationary satellite or the solar panels. Since the backflow can produce fatal errors such as reducing the mission life of geostationary satellite, surface contamination and thermal load. So, the liquid apogee engine plume behavior study for geostationary satellites is necessary. In this study, we were analyzed plume behavior of 400 N grade bipropellant liquid apogee engine for geostationary satellite in a vacuum condition using numerical method. For efficiency, a continuum regime was calculated by using the CFD(Computational Fluid Dynamics) method base on the Navier-Stokes equation, while a rarefied regime was analyzed by using DSMC(Direct Simulation Monte Carlo) method base on the Boltzmann equation. The plume regime was analyzed 2-dimensional and 3-dimensional geostationary satellite configuration considering solar panels. In addition, the radiative heat transfer for the liquid apogee engine was analyzed, and the exhaust plume of liquid apogee engine analyzed the effect of solar panels. As a result, the internal flow of the liquid apogee engine and the results of 2-dimensional DSMS method were confirmed to make a backflow. And we confirmed that the backflow was expanded to the geostationary satellite surface and the solar panels. As the 3-dimensional results, the distribution of the flow properties, such as a density, a temperature and a separation of several chemical species were investigated. Using the 3-dimensional DSMC results, we predicted the thermal load and density on the solar panels, calculated the radiative heat transfer rate of the plume and the radiation exchange between the liquid apogee engine and solar panel surface.

친환경 이원 추진제를 위한 4차 암모늄 이온성액체에 대한 연구

조경철 전남대학교 2017 국내석사

기존의 주로 사용된 추진제인 하이드라진(Hydrazine, N2H4)은 다른 단일 추진제에 비해 단열분해온도가 낮고 비추력(Isp= 220 s)이 높기 때문에 단일 추진제로 사용이 적합하다. 하지만 하이드라진은 치명적인 독성(LD50(oral, rat), 60 mg/kg) 물질로 사용자의 안전을 위해 취급 시 보호 장비를 갖춰야 하고, 높은 증기압(1 kP at 30.7℃)에 의해 폭발의 위험성이 있다. 또한 부식성이 높기 때문에 누출되면 공기 중의 이산화탄소와 반응하므로 보관 및 수송에 어려움이 있어 항공우주 및 군용 분야에서 사용할 때 문제점이 따른다. 이와 같은 이유로 하이드라진의 단점을 보완할 수 있는 새로운 추진제에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이온성액체 추진제(Ionic liquid propellent)는 고에너지 활성 물질이며 증기압이 낮아 저장 및 취급에 용이하다. 그리고 독성물질 및 암 유발 물질이 발생하지 않기 때문에 사용자가 안전하게 다룰 수 있다. 이온성 액체추진제는 접촉점화(Hypergolic)성 이원추진제로써 산화제와 접촉 시 화학적 점화가 발생한다. 그러므로 별도의 점화장치가 필요 없어 발사체의 부피와 질량을 줄일 수 있다. 이온성액체 추진제가 산화제와 접촉하여 반응할 때 점화되기까지 시간이 필요한데, 이를 점화지연시간(Ignition delay time)이라고 한다. 점화지연 시간이 50 ms 이상이면 미반응 연료가 축적되고 연소실 내부가 과기압 상태가 되어 폭발의 위험성이 있다. 따라서 이온성액체는 양이온(Cation)과 음이온(Anion)의 조합으로 다양하게 합성할 수 있지만 추진제에 적합한 것은 제한적이다. 본 연구에서는 Dicyanamide를 음이온으로 하여 4차 암모늄 이온성액체의 합성방법을 소개하고, 특성 분석을 진행하였다. 그리고 여러 가지 실험방법으로 각각의 이온성액체의 점화지연 시간을 측정하고 비교 분석하였다. 이온성액체 추진제는 현재 이원 추진제로 사용 중인 하이드라진 계열과 액체가스를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있기 때문에 향후에 친환경 추진제로 사용하기 위해서 많은 연구가 필요하다.

액체 내에서의 광속과 음속 측정에 관한 연구

노재전 울산대학교 교육대학원 2012 국내석사

액체 내에서의 광속과 음속 측정에 관한 연구 울산대학교 교육대학원 물리교육학과 노 재 전 광속과 음속을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 초·중등학생들이 측정하기란 쉬운 일이 아니다. 더구나 액체 속에서의 광속과 음속을 측정해 내기는 더욱 어렵다. 따라서 본 연구에서는 학생들이 개념을 이해하기 쉬운 측정법, 복잡한 장비 없이 간단한 기기만으로 측정이 가능한 광속과 음속 측정법을 연구하였다. 광속 측정은 여러 가지 방법 중, 학생들이 가장 이해도가 높으면서도 측정의 효과성과 편리성이 뛰어난 비행시간법을 선택하였다. 그리고 그 방법의 효과성과 편리성 등을 검토하였다. 이 방법으로 공기 중에서의 광속과 물, 클로로포름, 이황화탄소 등 액체 속에서의 광속을 측정해 보았다. 광속 측정에서 먼저, 연속 발진되는 다이오드 레이저 광을 주파수 발생기(HP 8116A)와 음향광학변조기로 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz의 펄스광으로 변조시켰다. 다음으로 액체시료가 들어있는 실린더형 유리관을 통과시킨 후, 펄스 측정용 광 검출기(Hamamatsu C5658)를 이용하여 빛의 세기를 전기 신호로 변환하였다. 그리고 이 신호를 변조기 신호와 함께 오실로스코프로 관측하였다. 변조기와 광검출기 사이 거리를 1.5, 3, 6 m로 조정하면서 신호변화를 관측하였다. GPIB 통신을 이용하여 오실로스코프의 데이터를 PC로 전송한 후, 엑셀 프로그램으로 데이터들을 비교하였다. 광 검출기 신호와 주파수 발생기 신호 사이의 시간차와, 변조기와 검출기 사이의 거리를 이용하여, 광속을 (속도)=(거리)/(시간)의 개념으로 간단하게 계산할 수 있었다. 광속 측정결과 광변조기의 주파수가 높을수록 정확한 광속을 측정할 수 있었으며, 공기 중에서는 6 m거리의 광속 측정시 국제적으로 공인된 값과는 5~7 %내에서 일치하였다. 물속에서는 3 m거리의 광속 측정시 0.4 %, 클로로포름에서는 4.5 %, 이황화탄소 내에서는 14.3 % 범위에서 일치하였다. 이황화탄소(CS2)의 경우는 높은 휘발성으로 인해 액체 실린더의 랩마감 처리 부분의 변형이 발생하여 광선의 진행에 영향을 줌으로써 높은 오차가 발생한 것으로 생각된다. 음속의 측정은 여러 가지 측정 방법 중에서 간섭법을 선택하였다. 선택법 중에서 가장 접근하기 쉬운 Debye-Sears 효과 (Raman-Nath법)를 이용하였고, 이 방법으로 물, 알코올, 설탕물, 글리세린 등에서의 음속을 측정해 보았다. 음속 측정 장비는 아래쪽에 1.66 MHz의 초음파 진동자를 배치한 뒤, 그 위에 원통형 유리관을 수직으로 세우고, 원통형 유리관 내부를 액체 시료로 채운 뒤, 윗부분을 초음파 흡수용 스티로폼으로 막아서, 초음파가 반사되는 것을 방지하였다. 초음파가 액체시료에 전달되면, 액체내부에 주기적인 밀도변화가 형성되며, 이 현상이 532 nm파장의 레이저광에 대해 회절격자로 작용하여, 스크린에 회절무늬를 형성한다. 형성된 회절무늬 간격을 측정하여 액체시료를 통과하는 음속도를 측정하였다. 또한 온도조절장치를 이용하여 시료의 온도변화(20 ~ 50 ℃)에 따른 음속도 변화를 측정하였다. 측정 결과, 상온에서 4가지 액체의 음속도가 문헌값과 ± 4% 이내에서 일치하였으며, 온도상승에 따라 분자운동이 더욱 활발하게 되어 음속도가 상승한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 용액의 농도를 증가시키면서 음속도 변화를 측정한 결과, 농도가 증가할수록 음속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구결과가 초중등 학생들이 실험적 경험을 통해 빛의 성질을 이해하고, 음속 개념과 소리의 성질을 이해시키는데 교육적 의의를 가지고 있을 것으로 생각된다.

Multiphase-thermal Analysis for Efficient Transportation and Long-term Storage of Liquid Hydrogen Energy

정소명 부산대학교 대학원 2023 국내박사

급변하는 지구의 기후 위기를 극복하기 위한 대안으로 수소에너지가 주목받고 있다. 이러한 주목을 보편적인 사용으로 이끌어 낼 수 있는 방법 중 하나는 대륙 간 수소에너지의 이동이다. 지금까지 액화천연가스의 대륙 간 이동을 살펴보면, 선박을 이용한 방법이 가장 경제적인 방법으로 고려된다. 수소에너지도 액화천연가스와 마찬가지로 액체 상태로 운반할 때, 저장밀도가 증가하는 이점이 있다. 대용량의 수소에너지를 대륙 간 이동을 위해서 선박을 이용한 운송 방법은 가장 합리적인 방법이다. 따라서, 수소에너지를 운반하는 여러 가지 방법 중 선박을 이용하여 액체 상태로 운반할 때 발생하는 문제점에 대해 고민해 볼 필요가 있다. 본 연구에서는 다상-열유동 해석을 통하여 액체수소 에너지의 효율적인 운송 및 장기간 저장에 대해 다룬다. 먼저, 효율적인 운송관점에서 액체수소 운반선에 사용되는 2가지의 저장 탱크가 고려된다. 액체수소 운반선에 사용되는 탱크는 1.5k Type C 탱크와 40k Bi-Lobe 탱크로 열 손실을 최소로 하는 단열 시스템의 설계에 집중하였다. 다음으로, 배관을 이용한 액체수소 운송에서 나타나는 상변화 현상에 대해 수치적으로 구현한다. 마지막으로, 슬러시 수소를 이용한 수소에너지의 장시간 저장관점에서 용융 및 응고 현상을 재현하는 해석을 수행한다. 1.5k Type C 탱크에 대해서는 슬로싱 하중 평가 및 단열 성능 평가를 수행하였다. 다상 유동 슬로싱 시뮬레이션의 검증 문제로 밀도비가 다른 사각 탱크의 실험 결과와 비교하였으며, 5% 이내의 오차를 나타내었다. 또한, 밀도비뿐만 아니라 동점성비를 고려하여 슬로싱 하중 평가를 수행하여야 함을 제안하였다. 이를 바탕으로 1.5k Type C 탱크 내부에 나타나는 슬로싱 하중 및 탱크 내부에 위치하는 부가물에 작용하는 유체력을 통계적으로 해석하였다. 다상-열 유동 시뮬레이션의 검증 문제로 Type C 액체질소 탱크의 BOR 실험을 선정하여 난류 모델 및 액체질소의 충전율에 따른 비교연구를 수행하였다. 해당 연구의 비교에서 SST 모델과 Reynolds Stress Transport 모델을 사용하였을 때, 1% 미만의 결과를 나타내었고 적합한 난류 모델로 SST 모델을 선정하였다. 1.5k Type C 탱크의 단열 성능 평가에서는 열 손실을 최소로 하는 복합 진공 단열 시스템을 제안하였다. 그리고 내부 충전재의 변화에 따른 단열 성능 해석을 통해 적합한 3가지 단열 시스템을 선정하였다. 선정된 단열 시스템을 3차원 모델에 적용하여 다상-열유동 해석을 수행하고 BOR을 예측하였을 때, Vacuum+MLI Mylar-net 조합의 단열 시스템을 사용할 때만 설계 BOR 0.2%/day보다 작은 0.189%/day 값이 얻어졌다. 또한, 탱크의 외조와 내조 주변의 접촉하는 부재에서 일어나는 열 유입 및 방출에 대해 정량적으로 분석하고 단열에 취약한 부재에 대해 논의하였다. 액체수소 운반선용 40k Bi-Lobe 액체수소 탱크의 경우 저장 용기의 체적이 증가하였을 때 발생할 수 있는 문제점에 주안점을 두었으며, 단열 성능 평가를 앞선 1.5k Type C 탱크와 동일하게 수행하였다. 단, 정적 상태일 때 발생하는 BOR뿐만 아니라 슬로싱 환경의 동적 상태에서 발생하는 BOR 값의 비교를 수행하였다. 액체수소 운반선용 40k Bi-Lobe 액체수소 저장 탱크가 갖는 정적인 상태의 BOR 값은 0.208%/day로 설계 BOR 0.2%/day와 근접한 결과를 나타내었다. 반면, 동적인 상태에서는 BOR 값이 평균적으로 증가하여 0.255%/day로 나타났고, 정적인 상태의 BOR 값 대비 최대 46.54%, 평균적으로 22.76% 증가된 값으로 평가되었다. 동적 상태에서 급격한 열 침입으로 BOR이 증가하는 메커니즘에 대해 분석하고, 이를 줄이는 방법으로 Swash dome의 설계 및 Dome 영역에 대한 단열재 보강을 제안하였다. 효율적인 운송과 관련하여 액체수소 배관에서 나타날 수 있는 액체 상태에서 기체 상태로 상이 변화하는 현상에 대해 수치적으로 구현하였다. 상변화 현상을 도입하기 위해 2가지 상변화 모델인 Rohsenow Boiling model과 Wall Boiling model을 과냉각 비등 문제에 적용하였다. 2가지 비등 모델에 따른 수치 모델의 정확성을 높이에 따른 온도 변화 및 기포의 발생과 연관 지어 비교한 결과, Wall Boiling model의 경우 초기 기포의 생성부터 발달까지 Rohsenow Boiling model 대비 잘 포착하는 차이를 파악할 수 있었다. 마지막으로, 액체수소 에너지의 장시간 저장관점에서 슬러시 수소를 이용하여 효율적인 장기간 대용량 수소 저장을 위해 고려해야 하는 상변화 현상에 대해 논의하였다. 액체수소가 고체 수소로 응고되고 고체 수소가 액체수소로 녹는 현상을 재현하기 위해 용융-응고 모델링을 적용하였다. 응고 시간 및 용융 시간에 대해 해석해와 비교하고 슬러시 수소를 이용한 장시간 저장의 이점에 대해 논의하였다. Hydrogen energy has been attracting attention as an alternative to overcome the rapidly changing global climate crisis. One of the ways to bring this attention to global use is the intercontinental transfer of hydrogen energy. Looking at the intercontinental movement of liquefied natural gas so far, the method using ships is considered the most economical method. Hydrogen energy, like liquefied natural gas, has the advantage of increasing storage density when transported in a liquid state. The transportation method using ships is the most reasonable way to move large amounts of hydrogen energy between continents. Therefore, it is necessary to think about the problems that occur when transporting hydrogen energy in a liquid state using a ship among various methods of transporting hydrogen energy. In present study, the efficient transport and long-term storage of liquid hydrogen energy is addressed through multiphase-thermal flow analysis. First, from the viewpoint of efficient transportation, two storage tanks used in liquid hydrogen carriers are considered. The tanks used in the liquid hydrogen carrier are a 1.5k Type C tank and a 40k Bi-lobe tank, and the design of the insulation system to minimize heat loss was focused. Next, the phase change phenomenon that occurs in liquid hydrogen transportation using pipes is numerically implemented. Finally, analysis is performed to bring out the melting and solidification phenomena from the viewpoint of long-term storage of hydrogen energy using slush hydrogen. For the 1.5k Type C tank, evaluation of sloshing load and thermal performance of insulation system were executed. To verify the multiphase flow sloshing simulation technique, the experimental results of the rectangular tank with different density ratios and the current results were compared, and the error was within 5%. In addition, it was suggested that sloshing load evaluation should be performed considering not only the density ratio but also the kinematic viscosity ratio. Based on this, the sloshing load occurred inside the 1.5k Type C tank and the fluid force acting on the appendages located inside the tank were statistically analyzed. As a verification problem of the multiphase-thermal simulation, the BOR experiment of the Type C liquid nitrogen tank was selected and a comparative study according to the turbulence models and the filling ratio of liquid nitrogen was conducted. In the comparison of the study, when the SST model and the Reynolds Stress Transport model were used, the errors of results were less than 1%, and the SST model was selected as a suitable turbulence model. In evaluating insulation performance of the 1.5k Type C tank, a composite vacuum insulation system that minimizes heat loss was proposed and was tested in 2D model. Three suitable insulation systems were selected through the thermal performance evaluation according to the change of the filling materials. As the selected insulation systems were applied to the 3D model, multiphase-thermal simulations were performed. As a result of calculating the BOR according to the three insulation systems, a value of 0.189%/day, below the design BOR of 0.2%/day, was obtained only when using Vacuum + MLI Mylar-net insulation system. In addition, the heat ingress and release occurring in the connected members around the outer and inner tanks were quantitatively analyzed, and members vulnerable to heat loss were discussed. In the case of the 40k Bi-lobe liquid hydrogen tank for the liquid hydrogen carrier, the focus was placed on problems that may occur when the volume of the storage tank increases, and the thermal performance of insulation system was evaluated in the same way as the previous 1.5k Type C tank. Moreover, the BOR values generated in the dynamic state of the sloshing environment as well as the BOR values generated in the static state were compared. The static BOR value of the 40k Bi-Lobe liquid hydrogen storage tank for the liquid hydrogen carrier was 0.208%/day, which was close to the design BOR of 0.2%/day. On the other hand, in the dynamic state, the BOR value increased in entire period on average to 0.255%/day, and was evaluated as a maximum increase of 46.54% and an average increase of 22.76% compared to the BOR value in the static state. The mechanism of BOR increase due to rapid heat transfer in a dynamic state was analyzed, and design of swash domes and insulation reinforcement for the dome area were proposed as a way to reduce it. In relation to efficient transportation, the phenomenon of phase change from liquid state to gaseous state, which can occur in liquid hydrogen pipes, was numerically implemented. To introduce the phase change phenomenon, two phase change models, the Rohsenow Boiling model and the Wall Boiling model, were applied to the subcooled boiling problem. As a result of comparing the accuracy of the numerical model according to the two boiling models in relation to temperature change and bubble generation according to height, the wall boiling model captured the initial bubble generation and development compared to the Rohsenow boiling model. In the end, the phase change phenomenon that should be considered in long-term storage of liquid hydrogen energy using slush hydrogen is discussed. Melting-solidification model was applied to reproduce the phenomenon in which liquid hydrogen solidifies into solid hydrogen and solid hydrogen melts into liquid hydrogen. The solidification and melting times were compared with analytical solutions and the advantages of long-term storage with slush hydrogen are discussed.

액체수소 배관의 다상-열 유동 해석 및 FSI 효과를 고려한 액체수소 배관의 구조 건전성 평가

서용석 부산대학교 대학원 2023 국내석사

전 세계적으로 다양한 환경 규제 및 탄소 중립화 정책으로 인해 유해 물질이 전혀 배출되지 않는 친환경 에너지 수소가 주목을 받으면서 조선산업에서도 수소선박에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소는 운송 효율의 극대화를 위해 극저온의 액체 상태로 유지되며, 약 -253의 극저온 상태인 액체수소는 주변 열로 인해 온도 변화와 그로 인한 비등(Boiling)이 발생하기 쉽기때문에 단열을 고려한 액체수소 배관의 열전달에 관한 연구가 필요하다. 기존의 극저온 배관과 관련된 설계규정은 ASME Code 및 각국 선급에서 제시하고 있는 저인화점연료선박(Low-flashpoint fuel ship) 지침에 명시되어있으나 이를 실제 수소선박 배관에 적용 가능한지 여부와 그 유효성을 검토해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 수소운송선박 적하역 시스템(Cargo Handling System, CHS) 및 수소추진선박 연료공급시스템(Fuel Gas Supply System, FGSS)에 단열재를 포함한 액체수소 배관 내 다상-열 유동에 관하여 상변화 모델을 적용하여 비등 현상 또한 고려하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 다상-열 유동 해석은 상용 CFD 해석 프로그램인 STAR-CCM+(ver.16.04.007)을 사용하였으며, Reynolds-averaged Navier-Stokes(RaNS) 기반의 SST k-w 난류 모델과 상변화 모델인 벽면 비등모델을 적용하였다. 상변화 모델을 적용하기 위해 검증 시뮬레이션으로 부동액을 이용한 관 내 비등 현상 실험(Robinson, 2001) 중 일부 케이스와의 비교를 수행하였으며 CHS 및 FGSS에서 사용되는 다양한 단열재를 포함한 수평 배관 내 다상-열 유동의 모델링 및 시뮬레이션을 수행하여 설계 변수에 따른 열적 특성 및 단열재 조합에 따른 단열 성능을 평가하였다. As hydrogen, an eco-friendly energy that does not emit any harmful substances at all, is attracting attention worldwide due to various environmental regulations and carbon neutralization policies, research on hydrogen ships is being actively conducted in the shipbuilding industry. Hydrogen is maintained in a cryogenic liquid state to maximize transport efficiency, and liquid hydrogen, which is in a cryogenic state of about -253, is prone to temperature change and boiling due to ambient heat. Studies on heat transfer are needed. The design regulations related to the existing cryogenic piping are specified in the ASME Code and the guidelines for low-flashpoint fuel ships presented by the classification of each country. . Therefore, in this study, a phase change model for multi-phase heat flow in liquid hydrogen piping including insulation in the Hydrogen Cargo Handling System (CHS) and the Fuel Gas Supply System (FGSS) Numerical simulations were performed considering the boiling phenomenon by applying For multiphase-thermal flow analysis, STAR-CCM+ (ver.16.04.007), a commercial CFD analysis program, was used, and the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RaNS) based SST k-w turbulence model and the phase change model, Wall boiling model, were applied. did. In order to apply the phase change model, a comparison with some cases of Robinson's experiment was performed as a verification simulation. Modeling and simulation of multi-phase-thermal flow in horizontal piping including various insulation materials used in CHS and FGSS was performed to perform thermal flow according to design variables. Insulation performance was evaluated according to characteristics and combinations of insulation materials.

인화성액체의 Gel화 특성에 관한 연구

정문호 호서대학교 대학원 2000 국내석사

The typical inflammable liquid chemicals include: 1) simple substance, such as organic solvent (ether, ketone, aldehyde and ester) and alcoholic material, and 2) compound such as fossil oil (gasoline, kerosene). The objective of this study is the gelation of inflammable liquid chemicals with simple substance and compound substance involved, formulation design, and the physical properties of gelating material. The gelation of inflammable liquid chemicals will mitigate the fire and explosion risks caused by flammable vapor and static electricity, and the influence of toxic vapors on the human bodies.

CANDU형 원자로 액체영역제어계통의 이상현상에 대한 연구

이광호 경희대학교 2009 국내박사

CANDU형 원자로(가압중수로)의 액체영역제어계통(Liquid Zone Control System; LZCS)은 원자로의 반응도 조절장치 중 하나로서 해당영역(Zone)의 과다한 국부출력(Power Tilt)을 제어하는 기능을 갖고 있다. 이는 계통의 격실(Compartment) 내에 존재하는 중성자 흡수체인 경수(H2O)의 양을 조절함으로써 구현된다. 그런데 칼란드리아(Calandria) 상부외곽 영역에 핵연료 교체 등과 같은 (+)반응도 삽입이 있을 경우 해당 영역의 격실수위 및 출력이 급등 후 일정기간(1~5일) 동안 주기적으로 흔들리다(Cycling) 급락하는 불안정 현상이 발생한다. 주로 칼란드리아의 상부외곽 영역인 Zone #1, 6, 8, 13에서 발생한다. 이러한 불안정 현상은 국내외 대부분의 CANDU형 원자로에서 발생하고 있으나 정확한 원인 규명이 이루어지지 못함은 물론 불안정 현상에 대한 대책 또한 마련되지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 불안정 현상의 특징을 통해 격실 내에 설치되어 있는 관지지판(Tube Support Plate; TSP)에서의 경수의 정체(Hold-up) 가능성을 도출하였으며, 액체영역제어계통의 분석을 바탕으로 불안정 현상에 대한 모사실험과 이러한 불안정 현상을 개선하기 위한 실험을 수행하였고, 수력학적 이론모델 및 CFD 해석을 통하여 실험결과의 타당성을 증명하였다. 이를 토대로 불안정 현상 개선을 위한 2가지 개선책을 제시하였는데, 하나는 안정한 운전범위 내로 경수 배출량과 헬륨 유입량을 조절하는 것이고, 다른 하나는 관지지판에서 경수와 헬륨의 유로를 증가시켜 주는 것이다. 본 연구결과로 액체영역제어계통에서 발생하는 불안정 현상을 방지하므로 원전 운전의 안전성과 신뢰성을 제고하고, 원자로 내에 불필요한 독물질 주입을 방지함으로써 방사성 폐기물 발생을 최소화 할 수 있다. Liquid Zone Control System(LZCS) is one of the reactivity control mechanisms of CANDU reactor intended to regulate the excessive power tilt in a certain zone. The regional power tilt is regulated by controlling the inventory of light water(H2O) in a compartment, which is used to absorb neutrons. However, when a positive reactivity insertion such as fuel replacement occurs, both local reactor power and water level of the LZCS compartment in the outer top regions (zone #1, 6, 8 & 13) of reactor surge, oscillate at a certain frequency for a certain period of time (1-5 days), and drop unstably. This abnormal behavior is observed in most of CANDU reactors in service around the world and its root cause and viable solution are not identified yet. In this study a possibility of the light water hold-up on the Tube Support Plate(TSP) installed in the LZCS compartment is introduced through reviewing the characteristics of the abnormal phenomenon. The experimental simulation of this abnormality is performed and the potential solution to prevent the abnormality is also tested by experiment. Then, the feasibility of experimental results is proved by theoretical hydrodynamic model and computational fluid dynamics analysis. Based on these efforts, two solutions are suggested to prevent the abnormality. One is regulating both light water discharge flow and helium inlet flow within the enveloped stable range in the experiment. The other is increasing the flow area of light water and helium at the TSP. From the results of this study, prevention of the abnormal phenomenon in LZCS is to enhance the safety and reliability of nuclear power plant and to minimize the radioactive wastes by eliminating the unnecessary injection of poison material into a reactor.

인화성액체에 의한 방화화재에 관한 연구

박세식 서울시립대학교 도시과학대학원 2012 국내석사

본 연구에서는 최근 3년간 서울지역에서 발생한 방화에 대하여 소방관서에서 작성한 화재조사보고서의 통계를 분석하고, 특히 현행 방화관련 제도와 인화성액체를 촉진제로 한 방화의 사례 및 문제점, 그 대책을 모색해 보고자 한다. 연구방법은 우리나라에서 발간된 서적, 학술지, 연구논문 등을 참고하였으며 서울소방재난본부 산하 22개 소방서에서 작성한 화재조사 보고서를 토대로 하여 방화관련 자료의 수집과 그 통계를 분석하였다. 또한 방화화재와 관련하여 소방관서에서 운용․적용되고 있는 제도와 관련법령을 검토하고 대형피해 사례를 통하여 인화성액체의 위험성과 예방, 대비 및 대응 그리고 복구측면에 대한 문제점을 분석함으로써 인화성액체에 의한 방화대책을 마련하고 그 심각성을 다시 한 번 강조하고자 한다. 이상의 과정으로 얻은 결과 방화 화재는 다양하고 복잡한 현대사회만큼이나 다양한 요구에 의해서 일어나는 사회병리현상으로 해석되고 있다. 이러한 방화는 증가 추세에 있고 그에 따른 피해또한 심각하여 사회문제로도 대두 되고 있다. 지난 40년간의 통계와 사건이 이를 뒷받침하고 있다. 특히 요즘은 주거공간에서 발생률이 높으며 모방성이 강해서 공공의 안전을 심각하게 위협할 뿐만 아니라 그로 인해 연소확대 되는 화재는 인명구조와 진압이 곤란하여 통제불능의 상태를 초래하기도 한다. 또한 범인을 색출하여 검거하는 과정에도 어려움이 따른다. 그런 가운데서도 다행인 것은 화재 현장에는 화재 언어(Fire Language)의 존재 즉 연소 패턴(Burn Patten)이 어느 정도 남아 있고 여러 가지 정황을 분석한다면 방화 흔적을 추적하는 것은 불가능한 것만은 아니다. 이러한 과학적 지식을 통하여 방화 사례는 깊이 있게 분석하고 그 결과는 예방 대책에 반영된다면 방화는 저감할 수 있다고 확신 한다. 이런 맥락에서 방화에 따르는 폐해와 사회적 손실을 최소화하기 위하여 그 대책이 강구되어야 할 것인데 방화 예방과 관련한 조문을 법령에 명문화하고, 방화 전담 조직이나 연구기관을 설립․운영하여 책임성 있는 행정이 이루어 져야 할 것이다. 이와 아울러 시너 등 인화성 액체의 유통구조를 보완함과 동시에 성능위주 소방 설계의 범위를 확대하여 불의의 사고를 모면하거나 그 피해를 최소화하는 정책적인 노력이 요망되는 실정이다. 사전 예방뿐 만아니라 복구측면에서 방화 피해자에게 정부차원의 지원책 마련과 사후 관리 체계를 보강하여야 한다. 이제까지는 관심 밖이었지만 앞으로는 방화화재 등 재난 사고로부터의 충격에 따른 트라우마를 겪고 있는 피해 당사자나 그 가족에게 정신적인 위기 극복을 위한 실질적인 대책이 마련되어야 할 것이다. 더 나아가 수집된 방화범죄 관련 정보를 DB화하여 관련 기관 간 긴밀한 협조체제하에 방화범 검거율을 향상하는 것도 방화를 예방하는 효과를 기대할 수 있을 것으로 본다. The purpose of this study is to investigate arson phenomena, which is increasing day by day and focus on the view of a fire-related organization. Additionally, to analyze inflammable liquids that accelerate fire stages and to devise methods for effective plans. To answer the questions, the range of the study is narrowed down to the area of Seoul and the cases about recently three years. Data recorded by fire-related organizations is analyzed and the cases of arson fire are characterized and seek solutions. The method of this study refers to books, academic journals, thesis and reports prepared by 22 fire stations-affiliated Seoul Metropolitan Fire & Disaster Headquarters in Korea. Through the system which is managed and applied at fire stations and the example of big damage cases, we analyze and suggest the dangerousness of inflammable liquid, arson fire prevention, preparation, and recovery system. The result of this study presents measures of arson crime before and after the fire and alerts the fright of arson fire to people.

액체 혼합물의 끓음에 대한 고등학생과 예비교사의 설명 유형 조사 및 이해 개선을 위한 교수자료 개발

박기라 강원대학교 대학원 2015 국내석사

본 연구의 목적은 액체혼합물 끓음 현상에 대한 고등학생, 예비교사의 설명 유형을 조사하고, 오개념을 가진 예비교사의 이해를 개선하기 위한 실험 자료를 개발하는 데 있다. 이를 위해 고등학생 106명, 예비 과학교사 115명을 대상으로 설문과 면담을 실시하여 분석하였다. 연구 결과, 고등학생과 예비교사는 모두 50%(v/v) 에탄올 수용액이 78℃와 100℃ 사이에서 끓을 것이라는 과학적 개념의 응답이 우세하였지만, 그 이유 설명에서는 다양한 오개념이 나타났다. 또한 상태변화 시 온도변화 양상에 대해서 증가하다가 일정해진다는 과학적 개념의 응답이 우세하였지만, 그 이유 설명에서 물의 가열로 인한 온도변화로 응답하여 액체혼합물의 끓음에 대한 이해가 부족함을 알 수 있다. 또한 상당수는 혼합액체가 각각의 끓는점에서 독립적으로 끓어 78℃와 100℃에서 일정한 온도구간이 존재한다고 응답하여 혼합액체의 전체 증기압력에 각 성분의 증기압력이 기여하고 있다고 생각하지 못함을 알 수 있었다. 증발과 끓음 상황에서의 입자모형은 5가지로 유형화되었다. 증발 상황에서는 에탄올과 물이 모두 기화하는 것으로 표현하여 과학적 개념으로 접근하는 반면, 끓음 상황은 에탄올만 기포 속에 존재하는 것으로 잘못 인식하는 경우가 많이 있었다. 결과를 바탕으로 액체혼합물의 끓음에 대한 인식을 개선하기 위해 예비교사 교육 현장에서 사용할 수 있는 실험 자료를 개발하였다.

Analysis of the chemical states of impurities dissolved in liquid metals by first-principles calculations

한정환 서울대학교 대학원 2021 국내박사

액체금속을 사용하는 첨단 원자로 개발에 있어 철강의 부식과 불순물의 수용성은 반드시 해결되어야 하는 공학 문제이다. 본 연구는 철강의 부식 및 불순물의 수용성에 대한 문제를 밀도함수이론(DFT)에 기반한 제일원리 계산을 사용한 연구를 통해 이해하였다. 첫째, DFT 계산에 앞서 시스템의 교환-상관 에너지를 적절히 모사하는 범함수를 선택하여야 한다. 모든 재료 및 화학적/물리적 상태에 적합한 궁극적인 범함수가 없기에 액체금속의 특성을 가장 잘 모사하는 범함수를 평가하였다. 평가에는 쌍상관함수, 평형 밀도, 체적탄성계수 및 상대 엔탈피 등의 물리화학적 값을 사용하였으며, 이에 대한 성능평가를 기반으로 가장 적합한 DFT 범함수를 제시하였다. 둘째, 액체금속 별로 상이한 철강의 부식 특성을 이해하고자 하였다. 액체 납 및 LBE의 경우 원자단위 용해에 의해 철강이 쉽게 부식되는 반면, 액체 소듐 및 리튬의 경우 철강의 내식성이 상대적으로 좋다고 선행 실험연구들을 통해 보고된 바 있다. 본 연구는 철강의 부식특성이 액체금속의 원자가 전자의 유형(즉, 액체 소듐, 리튬은 s전자 액체금속 그리고 액체 납, LBE는 p전자 액체금속)에 의해 체계적으로 분류가능하며 이해될 수 있다고 밝혔다. FMPD 시뮬레이션을 통해 액체 소듐과 LBE에 용해된 3d-전이금속 원자의 물리화학적 상태를 비교분석한 결과, 3d-전이금속의 3d 및 4s 오비탈은 s전자 액체금속의 s밴드와는 거의 상호작용하지 않는 반면 p전자 액체금속의 p밴드와는 강하게 상호작용함을 확인하였다. 본 결과를 통해 실험에서 관측된 액체금속 별로 상이한 철강의 부식특성을 성공적으로 설명하였으며, 본 연구는 액체금속의 부식화학에 대한 근본적인 이해를 제공하는 측면에서 의미가 있다. 셋째, 액체금속 내 불순물 수용성에 대한 이해를 높이고자 불순물의 응집, 용해, 삽입 및 상호작용 엔탈피와 같은 열역학적 양을 평가하는 방법이 개발되었다. 연구 시스템으로는 3d-전이금속 불순물을 포함한 액체 소듐 시스템이 사용되었다. 고온 엔탈피는 FPMD 시뮬레이션, QHA 방법 및 Debye 모델을 통해 평가하였다. 계산된 용해 및 상호작용 엔탈피는 액체 금속에서 방사성 불순물의 잔류량을 추정하는 데 사용될 것으로 예상된다. 계산된 용해 엔탈피의 경우 실험값보다 큰 것을 확인하였는데, 이는 액체 소듐 내 전이금속과 비금속 불순물 간의 상호작용에 의한 것으로 추론된다. 따라서 계산된 용해 엔탈피는 실제 상황에서의 상한으로 사용될 것으로 기대된다. 넷째, 불순물 간 상호작용이 용해도에 미치는 영향을 추정하기 위해서 화학적 평형이론 및 속도이론을 사용하여 모델을 개발하였다. 구체적으로, 액체 소듐에서 철-산소 (철 산화물), 철-철 (철 클러스터) 상호작용이 철의 용해도에 미치는 효과가 연구되었다. 결론적으로 철 산화물과 철 클러스터의 형성을 고려하였을 때, 철의 용해 엔탈피가 2.27 eV에서 0.80 eV로 감소하는 것으로 나타났다. 이 값은 0.81 eV의 권장 실험 용해 엔탈피와 잘 일치한다. 추가적으로 철 산화물은 잘 형성되는 반면 철 클러스터는 잘 형성되지 않음을 밝혔다. 마지막으로 개발된 기법을 기반으로 액체 소듐 내 3d, 4d 그리고 5d-전이금속 불순물의 화학적 상태를 정성적 그리고 정량적으로 연구하였다. Steel corrosion and impurity retention are key engineering issues in the development of advanced nuclear reactors using liquid metals. The fundamental understanding of steel corrosion and impurity retention is studied by using the first-principles calculations based on density functional theory (DFT). First of all, since there is no ultimate DFT functional that adjusts to all materials and chemical/physical conditions, the performance of exchange-correlation functionals in DFT calculations for liquid metals has been examined. The most appropriate DFT functional has been selected after checking the performance of pair correlation function, equilibrium atomic volume, bulk modulus, and relative enthalpy. Second, with respect to the compatibility with structural materials, different characteristics have been observed between the liquid metals: Steels in liquid Pb and Pb-Bi eutectic (LBE) are easily corroded by atomic dissolution; Liquid Na and Li have relatively good compatibility with steels under high-purity conditions. The present study demonstrates that the steel corrosion behaviors can be systematically understood and classified based on the types of valence electrons of liquid metals, namely s-electron liquid metals (s-LMs), such as liquid Na and Li, and p-electron liquid metals (p-LMs), such as liquid Pb and LBE. Through a comparative analysis of the physiochemical states of 3d transition metal (TM) atoms dissolved in liquid Na and liquid LBE by means of first-principles molecular dynamic calculations (FPMD), it is shown that the 3d and 4s orbitals of TM hardly interact with the s band of s-LMs, while they strongly interact with the p band of p-LMs in a covalent manner. This fact is consistently seen in the electronic states and the atomic configuration and can be successfully used to explain the differences in the steel corrosion behaviors observed between the liquid metals by experiment. The present findings provide fundamental insights into the corrosion chemistry of liquid metals. Third, a method to evaluate thermodynamic quantities, such as the cohesive, solution, insertion, and interaction enthalpies, have been developed to help estimate the impurity retention in liquid metals. As test case, 3d-TM impurities in liquid Na have been studied. The high temperature enthalpies have been evaluated by using FPMD simulations and QHA method as well as Debye model (DM). The calculated interaction enthalpy is expected to be used as estimating the retention of radioactive impurities in liquid metal. The calculated solution enthalpy can be used as upper limit of the real situation because we have observed the mismatch between the calculation and experiments. The mismatch is attributed to the inter-impurity interactions between TM atoms and nonmetallic impurities in liquid Na. To estimate the effect of inter-impurity interactions on solubility, the chemical equilibrium and rate theory has been established. As an example, the effect of Fe-O (Fe-oxides) and Fe-Fe (Fe-clusters) interactions on Fe solubility in liquid Na has been studied. It is confirmed that the Fe solution enthalpy decreases from 2.27 eV to 0.80 eV when considering the formation of Fe-oxides and Fe-clusters. The value agrees well with the recommended experimental solution enthalpy of 0.81 eV. It is additionally revealed that the Fe-clusters are rarely formed, while Fe-oxides are well formed in liquid Na. As comprehensive study, the chemical states of 3d, 4d, and 5d-TM impurities in liquid Na have been studied by using the developed method in qualitative and quantitative ways.