경계층 유동의 천이 과정에서 생기는 와류 구조(위)와 천이 이전(아래, 왼쪽)에서의 속도 분포와 난류 점도, 천이 이후(아래, 오른쪽)에서의 속도 분포와 난류 점도. 대와류모사의 여러 모델 (WALE)에 대한 분석. WALE 모델이 천이과정을 예측하는데 효과적이라는 것을 표현하고 있다.

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[아시아경제 황준호 기자] 비행기가 하늘 위로 날 때 공기의 저항을 일으키는 난류 운동의 시작점을 예측할 수 있는 기술이 개발됐다. 실제 공기의 흐름을 예측하고 비슷한 환경을 조성할 수 있어, 비행기, 배, 자동차 등 개발에 유용한 기술이 될 것으로 예상된다.

지솔근 광주과학기술원 기계공학부 교수의 연구팀은 박동훈 부산대학교 항공우주공학과 교수와의 협력 연구를 통해 물체 주위 난류 유동의 시작인 천이 현상을 정확하게 예측하는 기법을 개발했다. 연구 성과는 기계공학 및 다학제공학 분야 국제 학술지(Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering)에 11월 실릴 예정이다. 대기에는 공기가 매끄럽게 흐르는 층류와 공기의 속도 압력이 급변하는 난류가 존재한다. 층류에서 난류로 변하는 현상을 유동 천이라 한다.

유동의 층류-난류 천이 과정에 대한 개념도. 평판 위 경계층 유동에 대한 수치해석 결과를 바탕으로 유동을 가시화 했다.

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연구팀은 난류의 시작인 유동 천이 현상까지 적용 가능한 수치해석 기법을 개발했다. 유동의 안정성 이론에 대와류모사를 접목한 방법이다. 대와류모사는 다양한 크기의 난류 운동 중에 운동에너지가 큰 소용돌이를 모델 없이 직접 수치 해석하는 기법이다.

연구팀은 대와류모사에서 사용되는 여러 난류 모델을 검증해 층류에서 난류로 천이되는 과정에서 효과적으로 활성화되는 난류 모델을 찾을 수 있었다. 난류 모델은 천이과정에서의 성능이 보장되지 않는데, 이번 연구에서는 모델식이 유동 물리에 적합한지 추가적인 분석을 수행했다.

지솔근 교수는 "이번 연구는 초음속/극초음속 고속 비행체 개발에 필요한 경계층 천이 예측에 활용될 수 있는 기초연구"라며 "이번 연구에서 개발된 유동 모사 기법으로 공학의 난제인 난류가 시작되는 천이 현상을 명확히 규명하는데 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

경계층 유동의 층류-난류 천이 과정에 대한 대와류모사 수치해석에서 얻은 난류 점도와 유체의 점도와의 비교로 대와류모사의 모델이 천이 후반부터 활성화 되는 것을 확인했다.

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