암반공동 열에너지저장소 주변 암반의 열-수리-역학적 연계거동 분석

박정욱,류동우,신중호,박의섭,Park, Jung-Wook,Rutqvist, Jonny,Ryu, Dongwoo,Synn, Joong-Ho,Park, Eui-Seob 한국암반공학회 2015 터널과지하공간 Vol.25 No.2

본 연구에서는 TOUGH2-FLAC3D 연계해석기법을 이용하여 암반공동에 고온의 열에너지를 30년간 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보았다. 열에너지저장에 따른 암반의 거동 특성 및 환경 영향을 예측하고 이에 대한 제어기준을 수립하기 위한 기초 연구로서, 저장소 주변 암반에서 발생하는 열-수리 흐름과 역학적 거동의 상호작용에 대하여 검토하였다. 기본해석으로서 결정질 암반 내 원통형 공동에$350^{\circ}C$의 대용량 열에너지를 저장하는 경우를 모델링하였으며, 열에너지저장소의 단열성능은 고려하지 않았다. 암반 내 열전달의 주요 메카니즘은 암반의 전도에 의한 것으로 판단되며, 암반의 역학적 거동은 수리적 요소보다는 열적 요소에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반과 지하수 가열에 따른 유효응력 재분포 양상과 열팽창으로 인한 암반 변위 및 지표 융기를 검토하였으며, 주변 암반에서의 전단파괴 위험도를 정량적인 수치를 통해 제시하였다. 암반 가열에 따른 열팽창으로 인하여 지표면에서 수 cm의 융기가 발생하였으며, 저장공동 상부에 인장응력이 크게 발달하면서 전단파괴의 위험도가 증가하는 것으로 나타났다. The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) operated for a period of 30 years has been investigated by TOUGH2-FLAC3D simulator. As a fundamental study for the development of prediction and control technologies for the environmental change and rock mass behavior associated with CTES, the key concerns were focused on the hydrological-thermal multiphase flow and the consequential mechanical behavior of the surrounding rock mass, where the insulator performance was not taken into account. In the present study, we considered a large-scale cylindrical cavern at shallow depth storing thermal energy of $350^{\circ}C$. The numerical results showed that the dominant heat transfer mechanism was the conduction in rock mass, and the mechanical behavior of rock mass was influenced by thermal factor (heat) more than hydrological factor (pressure). The effective stress redistribution, displacement and surface uplift caused by heating of rock and boiling of ground-water were discussed, and the potential of shear failure was quantitatively examined. Thermal expansion of rock mass led to the ground-surface uplift on the order of a few centimeters and the development of tensile stress above the storage cavern, increasing the potential of shear failure.

암반 공동 열에너지저장소 주변 암반의 수리적 조건에 따른 열-수리-역학적 연계거동 분석

박정욱,이항복,류동우,신중호,박의섭,Park, Jung-Wook,Rutqvist, Jonny,Lee, Hang Bok,Ryu, Dongwoo,Synn, Joong-Ho,Park, Eui-Seob 한국암반공학회 2015 터널과지하공간 Vol.25 No.2

본 연구에서는 천부의 암반 공동에 대용량 고온의 열에너지를 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보고, 이에 지하수위와 암반 투수계수 등 수리적 조건이 미치는 영향을 검토하였다. 해석대상을 투수계수가 비교적 낮은 수준($10^{-17}m^2$)인 결정질 암반으로 가정할 때 열에너지 저장으로 인한 암반 거동에 지하수가 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예측되었다. 저장 공동이 지하수위 하부에 위치하는 경우의 온도, 주응력, 변위 분포 등은 저장공동이 불포화대에 위치하는 경우와 거의 동일하게 나타났다. 암반내 열전달 특성은 암반의 투수계수에 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반의 투수계수를 $10^{-15}m^2$ 이하로 가정한 경우 열전달은 주로 암반에 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었으나, 투수계수를 $10^{-12}m^2$으로 가정하는 경우 지하수 대류에 의한 상향 열유동이 뚜렷이 관찰되었다. 암반 투수계수의 크기에 따라 열수의 대류나 비등으로 인한 상변화 등 복합적인 유동 특성을 나타났으며, 온도, 압력, 포화도 분포가 상이하게 발달하였다. The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a large-scale high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) at a shallow depth has been investigated, and the effects of hydrological conditions such as water table and rock permeability on the behavior have been examined. The liquid saturation of ground water around a storage cavern may have a small impact on the overall heat transfer and mechanical behavior of surrounding rock mass for a relatively low rock permeability of $10^{-17}m^2$. In terms of the distributions of temperature, stress and displacement of the surrounding rock mass, the results expected from the simulation with the cavern below the water table were almost identical to that obtained from the simulation with the cavern in the unsaturated zone. The heat transfer in the rock mass with reasonable permeability ${\leq}10^{-15}m^2$ was dominated by the conduction. In the simulation with rock permeability of $10^{-12}m^2$, however, the convective heat transfer by ground-water was dominant, accompanying the upward heat flow to near-ground surface. The temperature and pressure around a storage cavern showed different distributions according to the rock permeability, as a result of the complex coupled processes such as the heat transfer by multi-phase flow and the evaporation of ground-water.

계통연계 분산전원시스템

박정욱,이수원,이성룡,Park, Jeong-Uk,Lee, Su-Won,Lee, Seong-Ryeong 전력전자학회 2006 전력전자학회지 Vol.11 No.5

다각형 입자 기반 개별요소모델을 통한 암석의 역학적 특성과 횡등방성 모사

박정욱(Jung-Wook Park),박찬(Chan Park),류동우(Dongwoo Ryu),최병희(Byung-Hee Choi),박의섭(Eui-Seob Park) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.3

본 연구에서는 다각형 입자 기반 개별요소모델을 이용하여 실험실 스케일에서 등방성, 횡등방성 암석의 거동과 점진적 파괴 과정을 모델링할 수 있는 시뮬레이션 기법을 구축하였다. 가압에 따른 미세균열의 개시와 성장 과정을 모니터링할 수 있는 기법을 제안하였으며, 이를 통해 전단균열과 인장균열의 개시와 성장이 암석의 점진적 파괴 과정에 미치는 영향을 살펴보았다. 다각형 입자기반 개별요소모델의 거동 및 미세균열의 발생 양상은 실험실에서 관찰되는 암석의 일반적인 특징과 상당 부분 일치하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 상기 모델이 암석의 역학적 거동을 합리적인 수준에서 재현할 수 있음을 확인하였다. 다각형 입자기반 개별요소모델에 대한 기초연구로서 접촉면의 미시변수와 시료의 거시물성 간의 상관관계를 살펴보았으며, 미시변수를 조정함으로써 다양한 암석의 강도와 변형 특성을 재현하였다. 한편, 상기 모델을 횡등방성 암석을 모사하기 위한 방법론을 제시하였으며, 이를 국내 횡등방성 암석인 아산편마암에 적용하여 근소한 오차 범위 내에서 실내시험 결과를 재현하였다. This study presents a methodology to reproduce the mechanical behavior of isotropic or transversely isotropic rock using the polygonal grain-based distinct element model. A numerical technique to monitor the evolution of micro-cracks during the simulation was developed in the present study, which enabled us to examine the contribution of tensile cracking and shear cracking to the progressive process of the failure. The numerical results demonstrated good agreement with general observations from rock specimens in terms of the behavior and the evolution of micro-cracks, suggesting the capability of the model to represent the mechanical behavior of rock. We also carried out a parametric study as a fundamental work to examine the relationships between the microscopic properties of the constituents and the macroscopic behavior of the model. Depending on the micro-properties, the model exhibited a variety of responses to the external load in terms of the strength and deformation characteristics. In addition, a numerical technique to reproduce the transversely isotropic rock was suggested and applied to Asan gneiss from Korea. The behavior of the numerical model was in good agreement with the results obtained in the laboratory-scale experiments of the rock.

건조김 제조시 키토산처리가 품질에 미치는 영향

박정욱(Jeong-Wook Park),강성국(Seong-Gook Kang),오시원(Si-Won Oho),박선영(Sun-Young Park),정순택(Soon-Teck Jung),박양균(Yang-Kyun Park),임종환(Jong-Whan Rhim),함경식(Kyung-Sik Ham) 한국식품과학회 1999 한국식품과학회지 Vol.31 No.4

입자 기반 개별요소모델을 통한 암석의 강도 및 변형 특성 모사

박정욱(Jung-Wook Park),이윤수(Yun-Su Lee),박찬(Chan Park),박의섭(Eui-Seob Park) 한국암반공학회 2014 터널과지하공간 Vol.24 No.3

본 연구에서는 GBM-UDEC(grain based model combined with Universal Distinct Element Code) 모델을 통해 암석의 역학적 거동을 모사하기 위한 수치해석기법을 소개하였다. 이를 적용하여 암석의 광물학적 구조를 다각형 입자의 집합체로 표현하고, 압축하중 하에서 암석의 파괴 특성 및 인장균열의 전파 양상를 살펴보았다. 제시된 수치해석모델은 단축압축강도시험 및 간접인장강도시험을 통해 관찰되는 암석의 역학적 거동 특성을 합리적으로 모사할 수 있는 것으로 나타났다. The present study introduces a numerical technique to simulate the mechanical behavior of brittle rock, based on a grain-based model combined with Universal Distinct Element Code (GBM-UDEC). Using the technique, the microstructure of rock sample was represented as an assembly of deformable polygonal grains and the failure progress and evolution of micro tensile cracks of rock sample under compression were examined. In terms of characteristics of the strength and deformation, the behaviors of the simulated model showed good agreement with the observations in the laboratory-scale experiments of rock.

옥수수단백/카라기난 적층필름의 다진 고등어육의 포장특성

박정욱(Jeong Wook Park),박현진(Hyun Jin Park),정순택(Soon Teck Jung),임종환(Jong Whan Rhim),박양균(Yang-kyun Park),황금택(Keum Taek Hwang) 한국식품과학회 1998 한국식품과학회지 Vol.30 No.6

대형 콘 칼로리미터 구축을 위한 설계 현황 조사

박정욱(Jung Wook Park),김정용(Jung Yong Kim),김태중(Tae Jung Kim) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.추계

화재의 크기를 정량적으로 산출하기 위해 1917년도 Thornton 는 탄화수소 계열의 액체와 기체가 완전히 연소 될 때 소모되는 산소의 정도와 열량의 크기가 일정한 값으로 비례하는 결과를 확인하였다. Huggett 는 탄화수소 계열의 고체가 액체 및 기체와 동일하게 소모되는 산소의 정도와 열량의 크기가 일정한 값으로 비례하는 결과를 확인하였으며, 소비되는 산소의 단위 질량 당 약 13.1MJ의 열량을 정량적으로 제시하였다. Thornton 와 Huggett 의 연구 결과는 소방 분야에서 소화설비 설계의 연구 자료로 활용되었으며, 화재공학 분야에서 Parker 의 ASTM-E84 터널 화재 시험에 최초로 적용되었다. 그 이후 1970년대 후반부터 1980년대 초반 사이 미국의 표준과학연구원인 NIST(National Institute Standard Technology)에서는 콘 형태의 후드가 연소가스를 포집하고 덕트 내부의 산소소모량을 측정하는 방식의 콘 칼로리미터 실험장치를 고안하였으며, Parker에 의해서 산소 소모법에 대한 관계식이 제시되었다. 이러한 산소소모법은 모든 연소가스를 포집하여 일부만 전처리과정을 통해 산소의 농도가 측정되기 때문에 대형 콘 칼로리미터에서도 사용되고 있다. 하지만, 대형 콘 칼로리미터에서 수행되는 화재 실험은 가연물의 열적 물성과 주변 환경에 따라 생성되는 대량의 연소가스 포집이 어렵기 때문에 정략적인 발열량 산출에 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 국외의 대형 콘 칼로리미터 설치 현황을 조사하여 설계 발열량과 주요 설계 인자의 상관관계를 검토하고자 한다. 주요 설계 인자를 도출하기 위해 NIST, SP, FMRC, TUS, BRE 그리고 ATF 총 6개의 국외 기관에 설치된 대형 콘 칼로리미터의 현황을 조사하였다. 그 결과 주요 설계 인자는 송풍 용량, 후드의 형상 및 크기, 화원에서부터의 후드까지의 높이 그리고 덕트 직경으로 판단된다. 주요 설계 인자와 설계 발열량의 상관관계를 검토한 결과 다음과 같다. 첫 번째, 송풍 용량이 설계 발열량의 총 연기 생성량 보다 작은 경우 후드 외부로 연기가 유출되는 현상이 지속적으로 발생하여 정확한 발열량 측정이 어려운 것으로 판단된다. 두 번째, 화원으로부터 후드의 위치가 화염의 길이 보다 매우 높은 경우에는 후드 입구에서 주변 공기의 유입량이 증가하여 산소 농도의 측정값이 낮아져 산출 발열량의 크기가 감소할 수 있다. 따라서, 대형 콘 칼로리미터는 주요 설계 인자에 따라 발열량 산출에 차이가 나타날 수 있으므로 설계 발열량에 따른 후드 크기, 송풍용량, 덕트 직경을 고려한 설계 방안이 필요한 것으로 판단된다.

FPGA기반의 무선 온도 제어 시스템

박정욱(Jeong Wook Park),고주영(Jooyoung Ko),박종훈(Jong Hun Park),홍문호(Mun Ho Hong),이영학(Yeung Hak Lee),심재창(Jaechang Shim) 한국멀티미디어학회 2012 멀티미디어학회논문지 Vol.15 No.7

입자기반 개별요소모델을 이용한 암석 균열의 수리역학 거동해석: 국제공동연구 DECOVALEX-2023 Task G (Benchmark Simulation)

박정욱(Jung-Wook park),박찬희(Chan-Hee Park),이창수(Changsoo Lee) 한국암반공학회 2021 터널과지하공간 Vol.31 No.4

본 연구에서는 입자기반 개별요소모델(grain-based distinct element model, GBDEM)을 이용하여 암석 균열의 역학적, 수리적 거동을 평가할 수 있는 수치해석기법을 제시하고 해석해와의 비교를 통해 검증하였다. 이는 DECOVALEX-2023 프로젝트 Task G의 일환으로 수행된 벤치마크 모델링 연구로, Task G는 결정질 암반 내 균열의 열-수리-역학적 복합거동을 해석하기 위한 수치해석기법을 개발하는 데에 목표가 있다. 본 연구에서는 사면체 개별 입자들을 이용하여 해석모델을 생성하고 3DEC을 이용하여 입자와 접촉에서의 거동을 해석하였다. 이 과정에서 등가연속체 개념을 적용해 입자기반모델의 미시물성을 산정할 수 있는 새로운 기법을 제시하였다. 한편, 균열 경사각과 거칠기, 경계응력조건 및 압력 조건에 따른 해석을 실시하여 각 해석조건이 균열의 수직, 전단방향 거동에 미치는 영향을 살펴보았다. 해석 결과, 제안된 수치모델은 경계응력에 따른 균열의 미끄러짐(fracture slip)과 유체 압력에 따른 균열의 개방(fracture opening), 균열 경사에 따른 응력 분포, 거칠기로 인한 전단변위의 구속 등을 합리적으로 재현하고 있음을 확인하였다. 수치해석을 통해 계산된 균열의 수직방향, 전단방향 변위는 모두 해석해를 통해 계산된 값과 거의 일치하는 결과를 보였다. 본 연구의 해석모델은 Task G에 참여하는 국외연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 다양한 조건의 실내시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다. We proposed a numerical method to simulate the hydro-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) in the paper. As a part of DECOVALEX-2023 Task G, we verified the method via benchmarks with analytical solutions. DECOVALEX-2023 Task G aims to develop a numerical method to estimate the coupled thermo-hydro-mechanical processes within the crystalline rock fracture network. We represented the rock sample as a group of tetrahedral grains and calculated the interaction of the grains and their interfaces using 3DEC. The micro-parameters of the grains and interfaces were determined by a new methodology based on an equivalent continuum approach. In benchmark modeling, a single fracture embedded in the rock was examined for the effects of fracture inclination and roughness, the boundary stress condition and the applied pressure. The simulation results showed that the developed numerical model reasonably reproduced the fracture slip induced by boundary stress condition, the fracture opening induced by fluid injection, the stress distribution variation with fracture inclination, and the fracture roughness effect. In addition, the fracture displacements associated with the opening and slip showed good agreement with the analytical solutions. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study experiments.