전산유체역학(CFD)을 이용한 정수장 착수정 성능 향상 방안 도출 연구

손경록 전남대학교 2017 국내석사

현대의 상수도에서의 정수처리는 원수의 수질특성과 정수처리공정별 처리방법 및 효율을 고려하여 공정별 최적의 운영방안을 도출하여 개선하는 것이 중요하며, 정수처리공정에서 수리학적 진단 및 평가는 정수생산 현장에서의 문제를 과학적이고 합리적으로 해결하기 위한 중요 수단이다. 전산유체역학(CFD)은 비선형 편미분 방정식을 사용하여 수학적으로 유체의 거동에 대한 분석 및 평가를 하는 학문으로 모형실험보다 적은 비용으로 다양한 운전조건 및 구조조건에서 해석을 실시함으로써 효과적으로 시설 내 구조적인 문제를 발견하고 운영방법의 개선안을 도출할 수 있는 기법이다. 대상정수장 착수정에서 유체해석 결과 불충분한 교반강도와 시설 내 정체구역이 발생하였고, 이를 개선하기 위해 정류벽의 면적을 50 % 축소하는 개선안 1과 유입관을 L자로 꺽은 개선안 2에 대하여 기존형태와 유체해석 결과를 비교한 결과 Morill Index는 기존형태 11.56, 정류벽 축소 5.97, 유입관 변경 2.37로 나타났으며, Modal Index(Tp/T)는 기존형태 0.31, 정류벽 축소 0.61, 유입관 변경 0.93으로 나타나 기존형태보다 개선된 유동특성을 보여주었다. 평시 또는 원수 망간발생 시에는 전염소를 첫 번째 단에 투입하여 처리하는 것이 충분한 접촉시간을 확보할 수 있고 운영에 효과적이라 판단되며, 조류발생 및 이취·미 발생 시에는 전염소를 중단하고 활성탄을 첫 번째 단에 투입하여 처리하는 것이 적절하다고 판단된다.

비행 조건에 따른 멀티콥터 프로펠러 성능의 전산유체해석 및 풍동시험 연구

고민국 세종대학교 대학원 2018 국내석사

본 연구에서는 멀티콥터의 다양한 비행조건(정지, 상승, 하강, 전진비행)에 따른 프로펠러의 공력성능 및 주변 유동장을 전사유체해석(CFD)과 풍동시험을 통하여 관찰하고 공력 DB를 확보하고자 한다. 다양한 현재 가장 대중적으로 이용되고 있는 DJI사의 Phantom4를 기준 대상으로 선정하여 비행조건(정지, 상승, 하강, 전진비행)에 해당하는 프로펠러 회전수, 비행속도, 비행경사각을 선정하였으며 Phantom4, APC10X5.5MR 프로펠러 총 2종의 프로펠러에 대하여 연구를 진행하였다. 별도의 후류 모델링 없이 비압축성 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 지배방정식을 계산하여 프로펠러의 성능 및 주위의 유동 특성을 해석하고자 상용 전산유체해석 프로그램인 ANSYS Fluent를 활용하였다. 격자는 경계층 유동해석을 위한 Prism 격자와 사면체(Tetrahedral)를 이용한 비정렬 격자계를 구성하였고, Y+10, 5, 3, 1에 해당하는 격자를 생성하고 격자 민감도 연구를 진행하였다. 정지 및 상승 비행의 경우 전산해석과 풍동시험의 추력, 동력 성능의 유사한 경향을 보였다. 하지만 프로펠러 회전수와 비행속도에 따라 다소 오차가 큰 부분도 발생하였다. 하강비행의 경우 풍동시험을 통하여 프로펠러 피치가 클수록 높은 하강비행속도에서 와류고리상태(Vortex Ring State)에 진입하는 것을 확인하였고, 전산유체해석 결과도 동일한 경향성을 보였다. 전진비행의 경우, 풍동시험을 제외한 전산유체해석을 진행하였다. 멀티콥터의 비행속도, 프로펠러 회전수, 비행경사각에 따라서 프로펠러의 추력, 토크, 피칭모멘트를 관찰하였다. 전진비행 풍동시험 벨런스는 추후 설계 할 예정이다. Multi-copter can be used in many fields because that can perform VTOL(Vertical Take-off and Landing) and Hovering flight. Among the components of the multi-copter, the propeller is a key parts that can practically improve flight performance and decrease noise. In this study, aerodynamic characteristics of multi-copter propeller and flow field are observed using CFD simulation and wind-tunnel-test with various flight condition (hover, ascending, descending and forward flight) for building propeller performance DB. CFD simulation and wind-tunnel-test condition is selected on the basis of DJI Phantom4 is popular multi-copter model. Flow fields occurring in various flight condition are simulated using an industry-standard commercial CFD program, FLUENT. The flow field is analyzed using RANS (Reynolds-Average Navier-Stokes) equation set, with k- SST turbulence model and natural transition. To model the unsteady flow field efficiently, Multiple Reference Frame (MRF) and Sliding Mesh (SM) methods are employed. Numerical results are compared with the experimental data. About 7,000,000 of unstructured grid consisted of tetrahedral and prism is used for flow analysis and grid independent study conducted about y+10, 5, 3, 1. In case of hover and ascending flight condition, tendency of results of CFD and wind-tunnel test is similar, however, there are some errors due to propeller RPM and flight speed. In case of descending flight condition, thrust characteristics of propeller operating in VRS(Vortex ring State) is observed. Finally in forward flight condition, thrust, torque, and pitching moment are observed according to flight speed, propeller speed, and flight angle of multi-copter using CFD simulation. The forward flight wind-tunnel test balance will be designed later.

인공지능을 활용한 2D 평면 기반 실내 유동 예측 모델에 관한 연구

김동하 국민대학교 일반대학원 2024 국내석사

Computational Fluid Dynamics (CFD) is a powerful tool for numerical analysis of fluid flow and plays an essential role in the field of architectural environment design. However, accurate analysis of complex geometries and boundary conditions requires excessive computational resources and time, which becomes a major obstacle to rapid decision-making in the early design stage. Particularly when various ventilation strategies need to be examined in indoor environment design, it is difficult to derive optimal design solutions within a realistic timeframe using conventional CFD methods. This study aimed to fundamentally solve the computational cost problem of CFD by utilizing deep learning technology. A Python-based OpenFOAM simulation automation system was constructed to efficiently generate large-scale training data, and a two-stage ensemble neural network model incorporating physical intuition was developed to enable near real-time flow prediction. Through this, we aimed to provide a practical tool that allows designers to quickly review and optimize various ventilation strategies. The main contents and results of this study are summarized as follows. 1) A Python-based OpenFOAM automation framework was developed for CFD simulation automation. The key innovation was implementing a method to dynamically generate square inlets/outlets of various positions and sizes from a single mesh using the topoSet utility. Centered on the CFDParametricStudy class, the entire process from case generation, boundary condition setting, simulation execution, to result extraction was automated. By programmatically manipulating OpenFOAM's dictionary files through the PyFoam library, automation of parameter changes and error reduction were achieved. Through this automation system, laminar flow field data for 700 different parameter combinations (inlet/outlet positions -0.8≤y≤0.8, sizes 0.1≤size≤0.3, inlet velocities 0.1≤v≤1.0 m/s) could be generated within 3-4 days, which is a revolutionary improvement compared to conventional manual methods. 2) A two-stage ensemble neural network model was developed to effectively learn the complex nonlinear characteristics of flow fields. The base model consists of 8 hidden layers (512 neurons each) to learn overall flow patterns, while the correction model applies a residual learning strategy to correct the prediction errors of the base model. In particular, the correction model introduces more than 40 enhanced features including polar coordinate transformation (r, θ), wall distances, and parameter interaction terms such as the product of Reynolds number and inlet velocity, effectively reflecting the physical characteristics of the flow. During the training process, curriculum learning and adaptive weight adjustment were applied to achieve stable and efficient learning. The loss function was optimized for each model's characteristics by using MSE for the base model and a combination of MSE and L1 loss for the correction model. 3) Performance evaluation of the developed model achieved excellent prediction accuracy with R² = 0.9695, RMSE = 0.0314, and MAE = 0.0184 on test data. This represents a significant improvement compared to using the base model alone (R² = 0.7141), with gradual performance improvements of 24.5%, 4.6%, and 4.6% at each stage confirmed. Particularly noteworthy is the computational efficiency, where the trained model can predict the same flow field within 0.05 seconds, achieving approximately 6,000-12,000 times speed improvement compared to conventional CFD (5-10 minutes). Additionally, it was verified that the predicted velocity field satisfies the continuity equation ∇·u < 10⁻⁴, maintaining physical consistency. In the ventilation system optimal design case study, 1,000 design configurations were evaluated in just 3.6 seconds to derive 6 Pareto optimal solutions, with all design solutions achieving 0% stagnation regions, demonstrating practical applicability. This study presented a new paradigm for indoor flow prediction through the fusion of CFD and deep learning technologies. However, the current model has limitations in that it is restricted to 2D laminar flow and square inlet/outlet geometries. Future work needs to develop the model to a level directly applicable to actual building ventilation design through 3D extension, application of turbulence models such as k-ε or k-ω SST, and consideration of various geometries and internal obstacles. Through this, rapid ventilation performance evaluation and optimization in the early design stage are expected to become possible. 전산유체역학(CFD)은 유체 흐름의 수치 해석을 위한 강력한 도구로 건 축 환경 설계 분야에서 필수적인 역할을 한다. 하지만 복잡한 형상과 경 계 조건을 정확하게 해석하려면 과도한 계산 자원과 시간이 필요하기 때 문에 설계 초기 단계에서의 신속한 의사결정을 내리는 데 큰 걸림돌이 된 다. 특히 실내 환경 설계에서 다양한 환기 전략을 검토해야 하는 경우, 기 존 CFD 방법으로는 현실적인 시간 내에 최적의 설계 솔루션을 도출하기 어려운 실정이다. 이에 본 연구에서는 딥러닝 기술을 활용하여 CFD의 계산 비용 문제를 근본적으로 해결하는 것을 목표로 하였다. 대규모 학습 데이터를 효율적 으로 생성할 수 있도록 Python 기반의 OpenFOAM 시뮬레이션 자동화 시스템을 구축하고, 물리적 특성을 접목한 2단계 앙상블 신경망 모델을 개발하여 실시간에 가까운 유동 예측이 가능하도록 하였다. 이를 통해 설 계자가 다양한 환기 전략을 빠르게 검토하고 최적화할 수 있는 실용적 도 구를 제공하고자 했다. 본 연구의 주요 내용과 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) CFD 시뮬레이션의 자동화를 위해 Python 기반의 OpenFOAM 자동 화 프레임워크를 개발되었다. 핵심 혁신은 topoSet 유틸리티를 사용하 여 단일 메시에서 다양한 위치와 크기의 정사각형 입구/출구를 동적으 로 생성하는 방법을 구현하는 것이다. CFDParametricStudy 클래스를 중심으로 케이스 생성, 경계 조건 설정, 시뮬레이션 실행, 결과 추출에 이르는 전체 프로세스를 자동화하였다. 파이폼 라이브러리를 통해 오픈폼의 사전 파일을 프로그래밍 방식으로 조작함으로써 파라미터 변경 의 자동화 및 오류 감소를 달성했으며, 이 자동화 시스템을 통해 700 개의 다양한 파라미터 조합(입구/출구 위치 -0.8≤y≤0.8, 크기 0.1≤ size≤0.3, 입구 속도 0.1≤v≤1.0 m/s)에 대한 층류장 데이터를 3~4일 이내에 생성할 수 있어 기존 수동 방식에 비해 획기적으로 개선된 결 과를 얻을 수 있었다. 2) 유동장의 복잡한 비선형 특성을 효과적으로 학습하기 위해 2단계 앙 상블 신경망 모델을 개발했다. 기본 모델은 8개의 숨겨진 레이어(각 512개의 뉴런)로 구성되어 전체 흐름 패턴을 학습하고, 보정 모델은 잔 차 학습 전략을 적용하여 기본 모델의 예측 오류를 보정한다. 특히 보 정 모델에는 극좌표 변환(r, θ), 벽 거리, 레이놀즈 수와 유입 유속의 곱과 같은 파라미터 상호 작용 조건 등 40여 개의 향상된 기능이 도입 되어 흐름의 물리적 특성을 효과적으로 반영한다. 훈련 과정에서 커리 큘럼 학습과 적응형 가중치 조정이 적용되어 안정적이고 효율적인 학 습이 이루어졌다. 손실 함수는 기본 모델에는 MSE를, 보정 모델에는 MSE와 L1 손실의 조합을 사용하여 각 모델의 특성에 맞게 최적화했 다. 3) 개발된 모델의 성능 평가 결과, 테스트 데이터에서 R² = 0.9695, RMSE = 0.0314, MAE = 0.0184로 우수한 예측 정확도를 달성하였다. 이는 기본 모델만 사용했을 때(R² = 0.7141)에 비해 크게 개선된 수치 이며, 각 단계별로 24.5%, 4.6%, 4.6%의 점진적인 성능 개선이 확인되 었다. 특히 주목할 만한 점은 계산 효율성으로, 학습된 모델은 동일한 유동장을 0.05초 이내에 예측할 수 있어 기존 CFD(5~10분) 대비 약 6,000~12,000배의 속도 향상을 달성했으며, 또한 예측된 속도 필드가 연속성 방정식 ∇-u < 10⁻ ⁴를 만족하여 물리적 일관성을 유지하는 것을 확인했다. 환기 시스템 최적 설계 사례 연구에서는 1,000개의 설 계 구성을 단 3.6초 만에 평가하여 6개의 파레토 최적 솔루션을 도출 했으며, 모든 설계 솔루션이 정체 영역 0%를 달성하여 실제 적용 가능 성을 입증했다. 본 연구는 CFD와 딥러닝 기술의 융합을 통해 실내 유동 예측의 새로 운 패러다임을 제시하였다. 그러나 현재 모델은 2D 층류와 정사각형 입구 /출구 형상에 국한되어 있다는 한계가 있다. 향후 연구에서는 3D 확장, k-ε 또는 k-ω SST와 같은 난류 모델 적용, 다양한 형상 및 내부 장애물 고려 등을 통해 실제 건물 환기 설계에 직접 적용 가능한 수준으로 모델 을 발전시켜야 한다. 이를 통해 설계 초기 단계에서 신속한 환기 성능 평 가 및 최적화가 가능해질 것으로 기대된다.

난류강도의 영향을 고려한 초고층빌딩의 풍압특성에 관한 수치 해석적 연구

정소영 인하대학교 대학원 2012 국내석사

현재 일반적으로 풍하중 산정은 풍동실험에 의하여 수행되고 있다. 최근 고층 건물들의 외관은 전통적인 대칭의 직사각형이나 삼각형 혹은 원형의 형상에서 벗어나 비정형적인 자유로운 형태의 디자인이 증가하고 있기 때문에 풍하중 산정의 중요도는 더욱 커지고 있는 추세이다. 그에 따라 초고층 건축물에 대한 효율적이고 안전한 설계를 위해서는 풍하중 특성에 대한 정확한 정보를 확보해야 한다. 이러한 이유로 보다 간편하면서도 정밀한 산정방법의 개발에 대한 필요성이 증대되면서 그 방법의 하나로 수치해석적인 접근법인 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)이 이요되고 있다. 또한, CFD해석은 컴퓨터상에서 실제 스케일로 모델링 및 수치 시뮬레이션이 가능하고 프로젝트 수행의 소요시간도 단축할 수 있는 효율성을 가지고 있으며, 특히 초기 건축계획 단계의 개념설계에서 건축물의 다양한 형태에 대한 풍거동 특성을 테스트할 수 있는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 건축분야에서 이 해석법을 이용해 풍하중 특성을 파악하고자 하는 시도는 다른 공학 분야에 비해서 활성화 되지 않고 있다. 그 이유는 일반적으로 많은 경험과 시행착오를 거쳐 확립된 풍동시험에 의한 결과를 CFD해석에 의한 결과보다 신뢰할 수밖에 없고, 이 해석법의 보급이 초급단계에 있기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 동일한 모델에 대한 풍동실험 결과와 CFD해석 결과의 비교분석을 통해 수치해석 결과의 신뢰도를 입증하는 연구는 활발하게 이루어지지 않고 있다. 이 연구에서는 기존 연구에서 다루어진 풍동실험 모델에 CFD해석법을 적용하여 수치해석을 수행하고, 풍동실험의 결과와 비교 분석을 통해 초고층 건축물의 풍환경 영향평가에 CFD해석의 신뢰도를 입증하며, 또한 난류강도가 CFD해석 결과의 신뢰도에 미치는 영향에 대해 제시하고자 한다. 풍동실험 결과와 수치해석 결과의 비교 평가 방법으로는 무차원랴인 풍압계수를 통해 평가하도록 한다. 이번 연구를 통해 건축분야에 있어서 초고층 비정형 구조물의 풍동실험에 있어서 전산유체역학의 활용이 더욱 활발해지고 적용범위도 다양해 질 것으로 사료된다.

다중 로터 공력 해석을 위한 Navier-Stokes/자유후류모델/경계면 포텐셜 연계 기법 연구

박다운 건국대학교 대학원 2025 국내박사

In this study, a hybrid aerodynamic analysis method is developed by coupling Computational Fluid Dynamics (CFD), free-wake model, and boundary potential for an accurate prediction of rotorcraft aerodynamics. The core idea of the proposed method is to independently construct computational grids for each blade without using overset meshes and to supplement the induced velocities outside the CFD domain using a free-wake model and boundary potential, thereby enabling accurate simulation of mutual aerodynamic interference in multi-rotor systems. To account for interactions between independently generated grids, a conventional approach involves distributing sources and doublets on the blade surface, which allows the computation of the surface potential and models the aerodynamic interaction between blades. However, this method fundamentally fails when viscous or compressible flow effects such as boundary layer, flow separation, or shock. To address this limitation, this study proposes a new coupling method in which the induced velocity is calculated not from the surface(wall) but from potential values on the outer boundaries of each grid system. Since this method is independent of viscous and compressible effects near the surface, it offers enhanced stability even under conditions where boundary layer or shock influences are significant. Moreover, it enables a more physically accurate modeling of interactions between independently generated grids. Based on this concept, the present study develops a numerical framework that couples CFD, free-wake modeling, and boundary potential. In this approach, each blade’s CFD mesh is constructed independently without using overset grids. The influence of the external flow field is computed by calculating the induced velocity from the free-wake and the boundary potential at the outer interface of neighboring grids and applying it to the CFD boundaries. Before incorporating the induced velocity from boundary potential, the Navier–Stokes/free-wake coupling method was validated by performing simulations of a single rotor. The results under hover and forward flight conditions showed good agreement with experimental data and conventional CFD solutions in terms of wake behavior and global performance metrics such as thrust coefficient, power coefficient, and Figure of Merit. Furthermore, the accuracy and validity of the boundary potential coupling method were confirmed through two-dimensional simulations of a symmetric NACA0012 airfoil. In cases without grid-to-grid coupling, distorted pressure and velocity fields were observed. However, when the proposed boundary potential method was applied, the resulting flow field closely resembled that of a conventional single-grid CFD simulation. This confirmed the effectiveness of the proposed Navier–Stokes/ boundary potential coupling strategy. Finally, the method was applied to hover simulations of a co-axial rotor. It was demonstrated that applying boundary potential in the Navier–Stokes / free-wake framework effectively captured the induced velocities between the upper and lower rotors, enabling realistic reproduction of mutual wake interference. The proposed method also offers significant computational efficiency compared to standalone CFD while maintaining physical accuracy in the predicted flow fields. In conclusion, the proposed Navier–Stokes/free-wake model/ boundary potential coupling method enables physically consistent inter-grid flow communication without the need for overset meshes, offering an efficient and reliable numerical framework for rotorcraft aerodynamic analysis. The method is well-suited for multi-rotor systems and high-speed rotating conditions and is expected to be applicable to complex configurations such as forward flight, Urban Air Mobility (UAM), and tiltrotor aircraft in future studies. 본 연구에서는 회전익기의 정밀한 공력 해석을 위해 전산유체역학(CFD) 과 자유후류(Free-Wake) 모델, 경계면 포텐셜(Boundary potential)을 연 계한 해석 기법을 개발하였다. 본 기법의 핵심은 중첩격자 없이 각 블레이 드의 격자를 독립적으로 구성하고, CFD 계산 영역 외부의 유도 속도를 자 유후류 모델과 경계요소법을 통해 보완함으로써 다중 로터 시스템의 간섭 유동을 정밀하게 해석할 수 있도록 구현되었다. 독립된 격자 시스템간의 상호 작용을 고려하기 위해서, 블레이드 표면에 회전익기의 공력 해석에서 블레이드 표면에 소스(source)와 더블릿 (doublet) 분포를 설정하고, 이를 통해 표면 포텐셜(potential)을 계산함으 로써 유동 간 상호작용을 모사하는 기법도 있다. 하지만 이러한 방식은 표 면 경계층의 성장, 유동 박리, 충격파 등 점성/압축성 특성이 지배적인 경우 에는 본질적인 한계를 갖는다. 이에 본 연구에서는 표면 근방이 아닌 외곽 경계에서의 포텐셜 값을 기반으로 유도 속도를 계산하여 CFD 경계면에 적 용하는 새로운 연계 방법론을 제안하였다. 이는 표면의 점성 또는 압축성 특성으로부터 자유롭기 때문에 경계층 효과나 충격파 영향이 큰 조건에서도 안정적이며, 격자 간 상호 작용을 보다 물리적으로 해석할 수 있다. 본 연구는 이러한 개념을 바탕으로 CFD, 자유후류모델 그리고 경계면 포텐셜 연계 방법을 결합한 해석 기법을 개발하였다. 제안된 기법은 중첩격 자를 사용하지 않고, 블레이드 격자를 독립적으로 구성하며, 자유후류와 타 격자계 외곽 경계면에 존재하는 포텐셜을 통해 외부 유동장의 유도 효과를 계산하여 CFD 해석에 반영하는 구조로 이루어져 있다. 경계면 포텐셜에 의한 유도속도를 반영하기에 앞서, Navier-Stokes/자 유후류모델 연계 기법 검증을 위해 단일 로터로 검증을 수행하였다. 단일 로터의 제자리 및 전진 비행 조건에 대한 해석에서는 실험 결과 및 일반적 인 CFD 해석과 비교해 후류의 및 전체 성능 지표(추력계수, 파워 계수, Figure of Merit 등) 측면에서 유사한 예측 결과를 도출하였다. 또한, 2차원 NACA0012 해석을 통해 경계면 포텐셜 연계 기법의 검증 과 타당성을 확인하였다. 격자 간 연계가 없는 경우 압력 및 속도 분포가 왜곡되는 것과 달리, 경계면 포텐셜 기법을 적용하면 일반적인 단일 격자 CFD 해석과 매우 유사한 유동장을 재현가능함을 확인하였다. 이를 통해 Navier-Stoeks/경계면 포텐셜 연계 기법의 타당성을 입증하였다. 최종적으 로 본 연계 기법을 동축 반전 로터 해석에 적용하였다. Navier-Stokes/자 유후류모델에 경계면 포텐셜을 적용하면 상/하부 로터 간 유도 속도가 효과 적으로 반영되며, 간섭 유동이 현실적으로 재현되는 것을 확인하였다. 또한, 본 연구에서 제시한 Navier-Stokes/자유후류모델/경계면 포텐셜 연계 기 법은 CFD 단독 해석에 비해 상당한 계산 시간 절감 효과를 가지면서도, 물 리적으로 타당한 해석 결과를 도출할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 본 연구에서 개발된 Navier-Stokes/자유후류모델/경계면 포텐 셜 연계 해석 기법은 중첩격자 없이도 격자 독립적 구조를 유지하며 정합성 있는 유동 정보 전달이 가능한 해석 기법이다. 즉, 회전익 공력 해석을 위 한 효율적이고 신뢰성 있는 수치 해석 기법으로, 다중 로터 시스템이나 고 속 회전 조건에서도 적용 가능성이 높다. 향후 전진 비행, 도시항공교통 (UAM), 틸트로터 등의 복잡한 회전익기 설계 해석에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

3차원 전산유체역학 및 PIV test를 통한 하수처리장 2차침전지의 유입배플 및 유출벽 형상 최적화

배강형 대구대학교 2009 국내석사

The purpose of this study was to determine the optimized shape of structure in the second clarifier by interpreting the inner flow with the change of shape variables using 3D Computational Fluid Dynamics(CFD) and Particle Image Velocimetry(PIV) test. The optimized shape of the sedimentation basin were determined on both influent area and effluent area. For the purpose of this study, the experiments were performed with the selected variables which may be the most influential to the SS concentration of effluence and the behavior of sludge blanket layer. The experiments on the rectangular sedimentation basin were performed under the seven conditions with the variables of the location of influent baffle and the shape of effluent launder, and the ones on the circular sedimentation basin were performed in the Energy Dissipating Input(EDI) structure under the eight conditions with the variables of angle of the baffle and the shape of effluent launder. The flow rate were calculated and set with the surface loading rate of sedimentation basin of 20m3/m2·d and the size of the surface basin model which is used in PIV test. The PIV test was performed using the bench-scale acryl model and was used to verify the results from CFD simulation. The experiments on the rectangular sedimentation basin consisted of two sessions. The first experiments were to examine the effects of the location of the baffle(1.5x1.5cm) on the flow of fluid at influent area and were performed under the four conditions, changing the distance between inner area and the baffle into 1, 2, 3, and 4cm. And the second experiments were to examine the effects of shape of the effluent launder which is constraining the upflow velocity on the flow of fluid at effluent and were performed under the four conditions, changing the shape of the effluent launder into . The here represents the wall of the sedimentation basin, and, in the case of (4), upper part of the wall had the shape of the effluent weir. The results of first experiments showed that the variation in flow velocity between upper and lower part of fluid were least under the conditions of 1cm and 2cm, and it was confirmed that the standard variation of fluid velocities toward the direction of x, y, and z were least thus the consistency of flow in all the layers were highest under the condition of 1cm. The results of second experiments confirmed that the condition of (2) was most effective in decreasing the upflow velocity while the condition of (1) was less effective in doing it. The experiments on the circular sedimentation basin consisted of two sessions too. The first experiments were to examine the effects of baffle ,which is placed on the center-well in EDI structure at influent area, on the flow of fluid and were performed under the four conditions, changing angle of the baffle into 0, 30, 45, and 60°. And the second experiments were to examine the effects of shape of the effluent launder and were performed under the same conditions of the above second experiments fixing angle of the baffle 0°. The results of the first experiments showed that the fluid velocity is lowest under the conditioin of 0° while it is highest under the condition of 30°. It is considered, thus, that the flow of fluid at inner sedimentation basin is most stable where there is no baffle. The results of the second experiments showed, like above one, that the condition of (2) was most effective in decreasing the upflow velocity. The results of this study, the purpose of which was to optimize the shape of the influent baffle and the effluent weir that are most important shape variables in operating secondary sedimentation basin, is considered to contribute largely to designing secondary sedimentation basin of future.

전산유체역학을 이용한 플로우 쓰루 라인 충전 볼륨 구조 적용 연구

최슬원 순천향대학교 일반대학원 2024 국내석사

국문초록(요약) 및 주제어(키워드) 전산유체역학을 이용한 플로우 쓰루 라인 충전 볼륨 구조 적용 연구 본 연구는 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정에서 전구체(precursor) 공급 효율 향상 및 박막 균일성 확보를 위해 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 적 용하고, DFT 기반 반응속도 모델을 결합하여 반응기 구조 및 전구체 공급 라 인 설계 최적화 전략을 제안하였다. 먼저, 기본 반응기(Ref.) 모델에서 샤워 헤드 홀 직경, 샤워 헤드 플레이트 영역(diffusion zone), 공정 영역(process zone) 등 기하학적 파라미터 변화를 통해 전구체 농도 분포 및 균일성, 유동 특성을 체계적으로 비교·분석하여 최적 조건을 도출하였다. 이후 최적화된 기본 모델을 바탕으로 전구체 공급 라인에 충전 볼륨(charge volume)을 적용 하고, 내부 튜브(venturi 및 straight) 형상을 변화시켜, 전구체를 일정 시간 동 안 라인 내부에 축적한 뒤 밸브 개방 시 고압력을 활용해 반응기로 신속히 전달하는 새로운 공급 전략을 제안하였다. 그 결과, straight 튜브를 적용한 모델(Sample 2)은 venturi 튜브 모델(Sample 1) 및 기존 모델(Optimized Ref.) 대비 더 높은 압력 축적 및 빠른 전구체 주 입 효과를 보였으며, 이를 통해 박막 성장률(GPC) 향상, 전구체 낭비율 저감, 증착 균일성 개선 등의 성능 향상 효과를 검증하였다. 화학 반응 모델링을 통 해, ALD 사이클 별 실제 반응률 변화를 정량적으로 예측하고, 자기 제한적 반응 특성이 모사됨을 확인하였다.

Vortex Separator와 응집 및 CFD를 이용한 CSOs의 처리 개선 연구

나지훈 서울시립대학교 2010 국내석사

합류식 하수관거 월류수 처리에 와류형 분리장치의 이용가능성을 평가한 선행 연구(이, 2009)의 결과 40∼100㎛의 입경의 처리효율은 평균 99.7%였지만 그 이하의 입경범위에서의 처리효율은 50∼80%였다. 유입되는 고형물 floc size에 따라서 와류형 분리장치의 전체 처리 효율에도 크게 변화하기 때문에 이에 대한 해결이 필요한 실정이다. 또한 분리장치의 유입 유량에 따른 반응조 내부의 유체 흐름에 대한 연구가 미흡한 실정으로 효율 증진을 위한 장치의 설계 인자 변경에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 초기강우 및 합류식 하수관거 월류수에서 가장 문제시되는 입자의 크기에 따른 처리효율의 변동과 영양물질인 TP의 효율적인 제거를 위하여 인라인믹서를 통한 응집과 와류형 분리장치를 이용하여 개선 방안과 유량의 변화에 따른 4가지의 운전 mode를 통해 적절한 운전 조건을 제시하고 전산유체역학(CFD) 모델링을 이용하여 검증하였다. 본 연구 결과, 25 L/min의 경우가 가장 좋은 효율을 보였으며 15 L/min에서는 내부 와류가 생성되지 않아 반응조안에서 고형물이 배출되지 않고 침전이 일어나 일정 시간 이후, 고형물이 처리수와 함께 배출되었다. 유속이 빠른 50 L/min과 70 L/min에서는 와류형 분리장치 유입시의 충격으로 생성된 floc이 깨어지는 현상을 보였으며 이에 따라 충분한 침전이 생기지 않았다. 전산유체역학(CFD) 모델링을 통해 유속이 빠른 경우에 와류형 분리장치 내부에서 상향류의 흐름이 생기는 것을 확인하였고 내통에서 커다란 와류를 형성하는 것 역시 확인하였다. 와류형 분리장치에 응집 공정을 도입하였을 경우 도입하지 않았던 선행연구에 비하여 TP 기준으로 약 7배의 처리 효율 증진을 보였으며 유속의 변화에 따라 응집 floc의 깨어짐 현상이 발생할 수 있기 때문에 적절한 유속의 설정이 가장 중요할 것으로 판단된다.

멀티콥터 로터의 공력성능 및 와류 특성에 대한 전산해석 연구

박희도 세종대학교 대학원 2020 국내석사

멀티콥터형 무인 항공기의 기술적인 성숙도가 높아지면서 군사적, 산업적 활용 또한 확대되고 있다. 본 연구는 소형 멀티콥터 비행체에서 세계 시장 점유율이 가장 높은 DJI Phantom4 로터를 연구 대상으로 선정하여 정지 비행 조건에서 단일 로터 공력성능의 실험적 측정 및 전산유체해석 기법으로 로터의 공력성능 예측 및 와류특성에 대한 분석을 수행하였다. 로터의 공력성능을 대표하는 반경 75% 지점의 익형을 동일한 레이놀즈수 조건에서 XFOIL과 2차원 RANS 유동장 전산유체해석 기법으로 해석하여 공력특성 DB를 확보하였다. 각 해석 이후, RANS 해석 기법과 패널 및 적분형 경계층 모델링 해석 기법 간의 차이점을 고찰하였다. Phantom4 로터의 3차원 RANS 유동장 전산유체해석을 정지 비행 조건에 대하여 수행하였다. 3차원 회전체 주위 유동장은 정상 상태 및 비정상 상태로 해석이 가능하며, 각각 MRF 기법과 Sliding Mesh 기법을 적용하여 공력성능을 예측하였다. 이후, 지상 정지추력 실험에서 측정된 추력, 동력, 정지 비행동력 효율과 비교하여 수치적 예측 성능과 실측 성능과의 차이점을 분석하였다. MRF 해석에서는 로터 끝단의 와류를 충분히 해석하지 못하였으며, 회전 영역의 유동 정보 전달 측면에서 문제점을 확인하였다. Sliding Mesh 해석에서는 로터 끝단의 와류 해석이 상대적으로 우수하였고 후류 유동장에 적절하게 정보가 전달되는 것을 관찰하였다. 또한, 후류시기가 증가하면서 후류에 불안정한 와류 고리가 형성된 모습을 관측하였다. Landgrebe의 로터 후류 모델링 예측 기법을 이용하여 Sliding Mesh 해석 기법으로 예측된 후류와 비교하였으며, 후류 유동이 수축되는 지점에 대한 비교 분석을 수행하였다. As the technical maturity of multicopter drones increases, military and industrial applications are also expanding. This study selected the DJI Phantom4 rotor, the world's largest market share in a small multicopter vehicle, as an object of study. Experimental measurement of single rotor aerodynamic performance under hovering conditions and computational fluid analysis technique to predict rotor aerodynamic performance and analysis of vortex characteristics was performed. The aerodynamic characteristics DB was obtained by analyzing the airfoil of the rotor, which represents the aerodynamic performance of the rotor, by XFOIL and two-dimensional RANS fluid field analysis technique under the same Reynolds number conditions. After each analysis, the differences between the RANS analysis method and the panel and integrated boundary layer modeling analysis method were discussed. Three-dimensional RANS flow field computational fluid analysis of the Phantom4 rotor was performed for hovering conditions. The flow field around the rotor can be analyzed as steady state and unsteady state, and the aerodynamic performance is predicted by applying MRF method and sliding mesh method, respectively. Then, the difference between the numerical predictive performance and the measured performance was analyzed by comparing with the thrust, power, and figure of merit measured in the ground static thrust test results. In the MRF analysis, the vortex at the rotor tip was not sufficiently analyzed, and the problem was confirmed in terms of the flow information transmission in the rotating region. In the sliding mesh analysis, the vortex analysis at the rotor tip was relatively superb and the information was properly transmitted to the wake flow field. In addition, as the wake age increased, an unstable vortex ring was formed in the wake. Landgrebe's rotor wake modeling prediction method was used to compare the wake predicted by the sliding mesh analysis technique, and the comparative analysis on the position where the wake flow contracted was performed.

직렬 조합된 Roots blower 형 진공 펌프의 각 단별 가스 유동에 관한 연구

심재업 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

도달 진공도가 0.01 ~0.1 Pa인 회전식 진공 펌프(Rotary vacuum pump)는 저ㆍ중진공 진공 펌프로 국가 기간 산업인 반도체 산업의 널리 사용되며, 특히 화학적 증착 공정(CVD)에 주로 사용되며 반도체의 집적도 증가에 따라 대량의 공정 가스와 공정 부산물의 처리가 요구 된다. 이러한 요구에 부합하기 위해 회전식 진공 펌프는 루츠 블로워(Roots blower)와 2단, 3단 혹은 그 이상 직렬로 조합되어 배기 속도(Pumping speed)를 증가시켜 사용되고 있다. 배기 속도가 큰 루츠 블로워는 고유의 허용 압축비 내에서 여러 단으로 직렬 조합 될 수 있으며, 배기 속도 비에 의해 체적 압축이 발생하고 압축에 의한 발열을 동반하며 이 압축열 의한 가스의 온도 상승은 루츠 블로워로 유입된 공정 부산물의 펌프 내부 증착과 간극(Clearance)의 감소, 부산물 이송 그리고 기구적 안정성에 영향을 주는 중요한 인자이다. 따라서 진공 펌프 제작사는 배기 속도 증대를 위해 루츠 블로워를 후단 펌프(Backing pump)와 조합할 때 가스의 종류와 유량 별 압축 후 가스 온도를 사전에 고려할 필요가 있다. 본 연구는 루츠 블로워가 2 단으로 연결된 반도체 공정용 진공 펌프의 배기 속도와 가스 온도 측정 결과와 루츠 블로워의 특성 값인 배기 속도와 K0(최대 압축비)를 사용하여 배기 속도를 계산 후 열역학적 방법으로 가스 온도를 계산한 결과, 그리고 전산 유체 역학(CFD)을 이용한 모사 결과를 상호 비교하였다. 그 결과 전산 열역학적 방법과 전산 유체 역학을 이용한 방법 모두 이송 유량 증가에 따른 가스 온도 상승을 계산할 수 있었고, 전산 유체 역학을 이용한 방법이 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있었다. A dry rotary vacuum pump which has an ultimate pressure between 0.01 and 0.1Pa is called as a low or medium range vacuum pump and called backing pump as well. These kinds of pumps have been widely used for semiconductor manufacturing process such as chemical vapor deposition(CVD)and diffusion process etc. and in recent years a large amount of gas has been used as a result of semiconductor integration increasing. Thus a dry vacuum pump should have large pumping speed to handle a large amount of process gases and by-products from the process chamber. To increase pumping speed, one, two or more Roots blowers are combined with a backing pump serially. A Roots blower has large pumping speed and can be stacked up in many stages within its own compression ratio but each Roots blower has different pumping speed and this makes volumetric compression which causes compression heat that raises a gas temperature of each stage. The increased gas temperature is the main reasons for deposition of process gas and by-products on the surface of lobe and housing, reduction of clearance, transfer of by-product and mechanical stability. Thus a manufacturer of dry vacuum pump should estimate gas temperature of each stage of Roots blower for different gas and mass flow when combining Roots blowers on backing pump. This study is for calculation of gas temperature on the 1st and 2nd stage Roots blower which serially connected with backing pump by using thermodynamic method with pumping speed and K0 (maximum compression ratio) and computational fluid dynamics(CFD). The result shows that both methods can estimate gas temperature of each stage but CFD calculates more accurate result than thermodynamic method.