2007년 도약연구지원사업 2차 발표평가 유체-물체 상호작용 해석 및 제어 성형진 한국과학기술원 기계공학과 유동제어연구실 1

유체-물체 상호작용(FSI) 유체-물체 연성계 (Fluid-Structured Coupled System) 동시 해석 필요 유동 + 물체 이동/형상 변화 + 소음/진동

FSI 연구의 문제점 강체 유연한 탄성체 수치해석 격자 생성의 어려움 복잡한 형상 응력-변형률 해석 필요 움직이는 경계면 강체 유연한 탄성체 수치해석 복잡한 형상 움직이는 경계면 형상 변화 격자 생성의 어려움 응력-변형률 해석 필요 실험 경계면 주위 속도 측정이 어려움

FSI 연구의 문제점 유동 해석 유동 + 고체 + 소음/진동 동시 해석 다학제적 연구협력이 필요!

기초^심화 연구의 필요성 도약과제 : FSI 해석/제어 심 화 ^ 발 전 NRL : 유동 해석/제어 생체유동 해석기술 생체모사 고정밀 수치해석 기술 확보 고정밀 측정 기술 확보 유동/소음제어 기술 기반 확립 심 화 ^ 발 전 도약과제 : FSI 해석/제어 생체유동 해석기술 생체모사 해석기술 항력 저감기술 유동소음 저감기술 핵심 기술을 선도적으로 확보 세계적 수준의 연구그룹으로 도약

FㄴSI 시스템 설계를 위한 핵심적 기반 기술 확보 연구개발의 최종 목표 FSI 해석 위한 수치모사/측정 기술 개발 생체유동 유동해석/ 데이터베이스 구축 유동제어 기법 적용 생체모사 항력 저감 유동소음 저감 FㄴSI 시스템 설계를 위한 핵심적 기반 기술 확보

다양한 FSI 응용분야에 적용될 수 있는 해석/제어 기법 개발 단계별 연구 목표 FSI 해석 기법 개발 FSI 해석 및 제어에의 응용 FSI 현상 해석 유동/소음 제어 수치모사 기법 측정 기법 FSI 2차원 수치모사 기법 개발 유동소음/난류구조 상관관계 규명 (열린공동, 축대칭공동) FSI 2차원 측정 기법 개발 유동유기 소음/진동 저감 기술 개발 1차년도 FSI 3차원 수치모사 기법 개발 FSI 3차원 측정 기법 개발 2차원 층류/난류 유동 해석 (실린더, 스트링, 날개) 2차년도 3차원 층류/난류 유동 해석 (구, 물고기, 탄성피막, 혈관) FSI 현상에 대한 유동제어 기술 개발 3차년도 다양한 FSI 응용분야에 적용될 수 있는 해석/제어 기법 개발

FSI 해석을 위한 수치모사 기법 움직이는 경계면에 대한 가상경계기법(IBM) 격자 재생성 및 보간 필요 비정렬 격자계 IBM 이용한 정렬 격자계 격자 재생성 및 보간 필요 격자 생성이 어려움, 계산량 증가 격자 재생성 및 보간 불필요 격자 생성이 간단함, 계산시간 단축

FSI 해석을 위한 수치모사 기법 탄성체에 대한 응력-변형률 해석 응력에 의한 탄성체의 변형률 계산 탄성체의 형상 변화 해석 Stretching force Bending force 응력에 의한 탄성체의 변형률 계산 탄성체의 형상 변화 해석

FSI 해석을 위한 수치모사 기법 유체-물체 연성계 해석 IB와 VB의 장점을 혼합 Navier-Stokes 방정식 계산 + 물체 형상변화 해석 유동 해석 IB와 VB의 장점을 혼합 Navier-Stokes 방정식 계산 + 유체에 의한 물체의 변형률 계산 유체-물체 연성계의 동시 해석

FSI 유동해석에의 적용 유체 물체 물체영역 유체영역 유연한 필라멘트 주위 유동해석 : 1D Lagrangian domain + 2D Eulerian Domain 2D 형상 수중생물 주위 유동해석 : 2D Lagrangian domain + 2D Eulerian Domain 깃발, 커튼 주위 유동해석 : 2D Lagrangian domain + 3D Eulerian Domain 혈관, 탄성피막, 물고기 주위 유동 해석 : 3D Lagrangian domain + 3D Eulerian Domain

FSI 해석을 위한 측정 기법 움직이는 경계를 고려한 PIV 영상처리 경계면 인식 + 가상입자 생성 움직이는 경계면을 주위 물체 영역에 가상 입자 생성 움직이는 경계면 인식 가상입자 실제입자 경계면 인식 + 가상입자 생성 움직이는 경계면을 주위 유체속도 정확성 증대

FSI 해석을 위한 측정 기법 유동/소음/진동 동시 측정 유동 + 소음/진동 동시 측정 및 해석 진동 측정 (가속도계) 소음 측정 (마이크로폰) 2D/3D PIV 마이크로폰 배열 유동 측정 (Pitot tube) 유동 + 소음/진동 동시 측정 및 해석 난류구조와 유동유기 소음과의 상관관계 규명

연구내용 및 추진체계 FSI 유동 해석 유동 제어기술 개발 측정 기법 개발 생체유동 해석 생체모사 해석 항력 저감 2D 층류 유동 해석 (실린더, 스트링, 날개) 3D 층류/난류 유동 해석 (구, 물고기, 탄성피막, 혈관) 다양한 제어입력에 대한 유체-물체 연성계 반응 분석 능동적/수동적 유동제어 기법 적용 측정 기법 개발 유동 속도 측정 (2D/3D PIV) + 동적 경계면 처리 기법, 유동-소음/진동 동시 측정 기법 생체유동 해석 생체모사 해석 항력 저감 유동소음 저감 수치모사 기법 개발 고정밀 수치해석 기법(DNS/LES) + 가상경계기법(IBM) + 응력-변형률 해석기법

연구의 차별성 FSI 유동 해석/제어 복잡한 형상 탄성체/움직이는 물체 유체-물체 연성계 동시 해석 유동-소음 상관관계 규명 기존 유동 해석/제어 복잡한 형상 탄성체/움직이는 물체 유체-물체 연성계 동시 해석 유동-소음 상관관계 규명 단순한 형상 강체/고정된 물체 유동만 해석 고정밀 측정 및 유동가시화 고정밀 수치해석 상호검증 시너지 효과

FㄴSI 응용분야의 핵심 기술을 선도적으로 확보 연구결과의 파급효과 생체유동 생체모사 항력 저감 유동소음 저감 심장/혈관 질환 진단 인공 장기 설계 운송체의 승차감 향상 수중무기체계의 정숙화 무스크류 수중 추진체 초소형 항공기 탄성피막법 원리 규명 정숙한 운송체 풍력발전기 소음 저감 무기 산업 항공/해양 산업 조선 산업 자동차/무기 산업 에너지 산업 생명/의료 산업 자동차산업 /조선산업 정유산업 FㄴSI 응용분야의 핵심 기술을 선도적으로 확보 국내 관련 산업의 국제적 경쟁력 향상