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    학술행사 취재기 게시판 내용
    제목 제3회 첨단사이언슨.교육허브개발(EDISON)경진대회- 전산열유체 분야
    작성자 김재인
    작성일 2014-05-12 오전 10:25:28


    제 3회 전산열유체 경진대회는 미래창조과학부에서 주최하고 한국과학기술정보원(KIST)에서 후원하는 대회로 매년 참가하는 팀의 규모가 커지고 있으며 그 명성이 또한 커져 많은 대학생들이 참가하고 있다. 특히 논문을 기반으로 열리는 대회이니 만큼 물리적 배경지식이 필요하고 EDISON 시스템을 활용하여 유동 흐름을 가시적으로 확인하면서 해석할 수 있는 좋은 기회의 장이다.



    EDISON_CFD는 EDucation-research Integration through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics의 약자로, 대학(원)생들과 연구자들이 아래 그림과 같은 열‧유체공학 분야의 시뮬레이션 소프트웨어 및 콘텐츠를 인터넷상에서 활용 가능하도록 제공되어진 교육/연구용 통합 전산 환경 시스템을 말한다.
    이번 대회는 EDISON 시스템(줄여 CFD)을 활용이 기본이 되는 대회이며 반드시 이 시스템을 사용할 줄 알아야만 경진대회 참여가 가능하다.



    대회는 전공제한 없이 학부생을 제1저자로 구성한 팀 또는 개인 단위로 누구나 참가 가능하며 대회 진행 과정은 크게 4가지 과정으로 나누어진다. 첫 번째 참가신청, 두 번째 논문 제출 및 심사, 세 번째 구두 발표자료 제출, 마지막으로 본선 발표이다.


    첫 번째 참가신청 때는 총 30여팀이 접수를 하였다고 한다. 평균적으로 전국 많은 대학에서 이 대회를 참가하여 전산 열유체 분야를 더 깊이 있게 공부를 하는 것 같았다. 우여곡절 끝에 총 15팀이 논문 심사를 통과하여 본선 구두 발표에 최종 진출되었고 나머지 팀들은 논문을 포스터 형식으로 작성 구두 발표 대신 포스터 발표했다. 기다리는 동안 논문 형식, 내용, 결과에 대해서 심사위원들이 매우 엄격하게 심사하는 것 같아 보였다.
    처음 EDISON 시스템을 알게 된 것은 교내 학부 수업(압축성 유체 역학)시간 이었다. 유동의 흐름을 EDISON 시스템(CFD)을 이용하여 시각화가 가능하며 직접 눈으로 확인 해석할 수 있다는 점에 매우 흥미를 느꼈다. 교수님께서도 대회설명을 통해 더욱더 깊게 공부할 수 있는 좋은 기회가 될 것이며 시스템을 활용하여 결과를 만들어 낼 수 있는 모든 과정이 학부생에게 또 다른 경험이 될 것이라 말씀하셨다. 이에 같은 수업을 듣던 동생과 함께 대회에 참가하기로 마음을 먹었다. 준비 시작하기도 전에 많이 설레고 긴장이 되었다.
    우리 학교(서울대학교)에서는 두 명이 한 팀을 이뤄 총 두 팀이 각각 참가했다. 간략하게 준비과정을 소개한다면 약 한 달 동안 일주일에 한 번씩 주제 토의를 하며 선행 연구 조사를 병행하였다. 선행 연구조사가 끝나면 최종 주제를 정하고 두 달의 기간 동안 자료 조사, CFD를 활용하여 결과 분석 및 논문을 작성을 하여 논문을 제출하게 된다. 주제 토의하는 동안 참고문헌들을 너무 많이 읽어본 듯하다. 교수님께서 전산 열 유체에 대해 더욱더 심도 있는 공부를 할수 있다는 말의 의미를 이번 대회 준비과정을 통해 알 수 있었다. 본선 진출 결과를 기다리면서 우리가 준비한 자료인 만큼 완벽하게 구두 발표를 하자고 마음먹었다.



     

    에디슨 대회는 한마디로 요약한다면 논문을 작성하고 구두 발표로 승부를 거는 대회이다. 논문을 작성해야하는 만큼 쓰고자 하는 주제에 대한 배경지식과 선행 조사가 필수이다. 그렇다고 해서 논문에 대한 경험이 없다고 겁먹을 필요는 없다. 대회에 참가하는 학생의 평균 학력이 올해(2014)경우 학부 4학년이며 대체적으로 졸업학년들이 많은 것 같고 대부분의 학생들이 논문을 써본 경험이 없기 때문에 오히려 대학생들에게 꼭 참가해보라고 추천하고 싶다. 힘든 부분도 많지만 대회를 통해서 논문을 작성하고 조사하며 참고문헌을 읽으면서 우리나라의 열 유체 분야의 공부를 제대로 할 수 있는 기회가 되어 학과 수업보다 더 많은 것을 배워 나갈 수 있다. 나 또한 논문을 작성하면서 실력이 많이 향상된 것을 느낀다.
    대회의 주제 선정은 자유롭다. 하지만 평가 기준에 주제선정의 우수성이 20%를 차지하기 때문에 이 주제선정이란 교과목 내용과의 연관성 및 확정성을 평가하는 항목이니 만큼 자신들이 학습해온 내용 속이나 연장선에서 선택하는 것이 좋다고 본다. 물론 논문이니 만큼 플러스알파가 담겨져야 하고, 이를 평가하기 위해 주제 내용에 대한 독창성과 확장성(주제 해석 대상에 대한 응용과정)이 20%가 할당되어 있으니 이 점 고려하여 주제를 택해야 한다.
    아래는 2014년 전선열유체 경진대회의 구체적인 평가 기준이다.

     


    평가 기준을 보면 EDISON 시스템(CFD)을 보다 더 활용을 잘해야 결승에 갈수 있다. 다시 말해 크게는 이 대회의 취지와 부합하며 작게는 논문을 위한 모든 결과가 CFD를 통해 얻어지기에 이 대회의 또 다른 핵심은 CFD 이용이다.
    그리고 본선 진출이 확정되었다면 구두 발표 준비에 박차를 가해야만 한다. 비록 평가 기준에 10% 밖에 차지하고 있지 않지만 논문 제출 때까지 미처 마치지 못했던 결과라든지, 논문 제출 후에 새롭게 얻어진 결과라든지를 추가 될 수 있기 때문에 끝까지 최선을 다해 준비해야한다. 그래서 구두발표는 CFD이용만큼 매우 중요하다. 수십 개의 논문을 검토하는 심사위원들도 놓칠 수 있는 부분이 있으며 자신들의 가장 중요한 포인트가 구두 발표을 통해 활용될 수도 있기에 발표 시간을 잘 활용하여 이러한 점을 강조하는 것도 대회에서 매우 중요한 요인이 될 수 있다.

     


    오늘날 고속 열차의 속도가 점점 빨라짐에 따라 고속 열차 주행 시 발생하는 여러 공력적인 문제가 대두되고 있는데 그 중 고속 열차와 전력선을 이어주는 판토그래프(Pantograph)에서의 소음 발생과 압상력 불안정 문제가 중요시 되어왔다. 이에 대한 여러 선행연구가 진행되었고 지금까지의 선행 연구는 원형, 사각형, 에어포일과 같이 기본적인 형상을 이용한 판토그래프 팬헤드(Panhead)의 최적 단면 형상을 찾는 데에 초점을 맞추고 있었다. 그러므로 우리 팀은 이러한 주류의 접근 방식에서 벗어나 팬헤드에 구멍을 추가하여 그 효과를 보는 다양한 시도를 하였고 구멍이 소음 발생과 압상력 불안정에 미치는 영향에 대하여 최종 연구하였다.

     




     

    일반적으로 판토그래프(Pantograph) 팬헤드(Panhead)로 많이 사용된 두꺼운 형상의 경우, 후류 방향으로 상대적으로 큰 와흘림(Karman vortex)가 형성되지만 외란 된 유동(Turbulent inflow)에 강하다는 장점이 있다. 반면 얇은 익형의 경우 상대적으로 후류 방향의 와흘림이 적지만 외란 된 유동에 불안정하다는 문제점을 가진다. 이에 우리의 연구는 구멍이라는 또 다른 변수를 각 형상에 더하여 크기, 모양에 따른 영향을 체계적 분석을 통해 기존 형상이 갖는 단점을 보완하고 장점을 유지하는 방범을 모색하였다.


    가로 구멍의 예상 효과는 아래 그림과 같이, 두꺼운 형상의 단점으로 작용하는 후류방향의 큰 vortex를 구멍을 뚫어줌으로서 형상 전후방의 압력차를 회복시키게 되고 vortex의 크기를 감소시킬 것으로 예상하였다.



    Sharp한 경우, 구멍의 크기를 특성길이의 10분의 1 단위(0.008m)로 조절하여 세 단계를 보았다. Smooth한 경우, 구멍의 크기와 위치는 sharp한 경우와 동일하며, 구멍의 edge들로부터 형상 안쪽 방향으로 특성길이의 10분의 1 단위(0.008m) 떨어진 점들을 잡고, eMEGA의 NURBS Curve 기능을 활용하여 곡면을 만들었다. 그 결과 중 하나가 아래 그림과 같다.


    Sharp한 경우, 구멍의 크기(w)를 특성길이의 20분의 1 단위(0.004m)로 조절하여 세 단계를 보았다. Smooth한 경우, 구멍의 크기와 위치는 동일하며, 거리(e)를 특성길이의 80분의 1 단위(0.001m)로 조절하여 네 단계를 보았고, eMEGA의 NURBS Curve 기능을 활용하여 곡면을 만들었다. 그 결과 중 하나가 아래 그림과 같다.


    첫 번째, 후방 와흘림(Karman vortex) 감소 정도. 이 효과를 해석하기 위해 첫 번째 파라미터(p1)을 받음각 0°, 2°, 4° 양력계수(cL) 진폭의 평균으로 선정하였다.

    두 번째, 전방의 유동 외란(Random inflow)으로 인한 평균 양력계수(cL) 변화량 감소 정도. 이것의 해석을 위한 두 번째 파라미터(p2)로 받음각 중, 최대 평균 양력계수(cL_Ave_max)-최소 평균 양력계수(cL_Ave_min)를 선정하였다.

    세 번째, 소음 감소 정도. 이를 위해 세 번째 파라미터로 각 형상의 Loudness(단위: phon)를 선정하였다. 시간당 압력을 계산하고, FFT변환을 통해 Peak 주파수의 dB를 계산 후, 그래프를 이용하여 체감 소음을 계산 하였다.

     

     


    그래프에서 알 수 있듯이 Base 대비 와흘림 약 80% 감소함을 알 수 있고 구멍이 커질수록 더 많이 감소함도 알 수 있다. Smooth한 경우가 Sharp보다 더 큰 와흘림 감소를 보이는데 아래 그림과 같이 흡입부에서 유동의 속도가 급격한 변화를 격지 않아 구멍 표면 가까운 곳에서 빠른 속도를 유지할 수 있고 따라서 더 큰 와흘림 감소로 연결되었다.

    Base와 비슷한 양력계수(cL) 변화량을 나타내며 이는, 형상에 가로 구멍이 추가 된다하여도 두꺼운 익형 형상의 장점 유지되고 있다는 중요한 점을 의미한다. Smooth한 경우가 Sharp한 경우 보다 큰 안정성을 가짐을 알 수 있고 받음각이 커짐에 따라 음의 양력 발생 이유는Base 형상이 가지는 특성으로, 아래 그림에서 알 수 있듯이 받음각이 증가함에 따라 형상 위쪽의 contact vortex의 크기가 커짐으로 나타나는 형상이다.

     



    특이 case를 제외, 후류 Karman Vortex가 형성되지 않아 모든 경우 상당히 안정적이다. 이는 세로 구멍이 추가 된다하여도 얇은 익형 형상의 장점 유지함을 의미한다.
    [0.05 Type 2, 3], [0.1 Type 4]의 경우 와흘림 증가하는 이유로는 좁은 구멍 목 + 구멍 곡률 변화가 구멍에서 와류 진동 생성시키기 때문으로 해석되어 진다.

    Base 대비 평균 70% 안정 효과가 있음을 확인하였고, 이는 수직 방향의 유동 흐름 생성되어 형상 상하 압력 차 감소시키고 그 결과 안정성 증가하였다. 또한 구멍이 크기 증가할수록 안정성 증가함도 알 수 있다.
    특이 case로 0.10 type 4(0.05 type 3 동일 현상)의 경우, 2°(그림 22)에서 구멍 아래쪽에 강도가 큰 vortex가 생성 및 유지되고 그 결과 음의 양력이 발생하였다. 반면 각도가 더 증가하여 4°가 되었을 때(그림 23), 양의 양력으로 전환됨을 알 수 있는데, 이는 구멍을 통과하는 유량 증가하여 vortex의 강도가 약화되었기 때문이다. 이를 바탕으로 구멍 목이 특정 길이 이하로 좁아지면 불안정성이 증가함을 알 수 있다.



    본 연구는 CFD를 이용하여 구멍이라는 변수가 Pantograph Panhead 형상에 미치는 영향을 와흘림 현상 최소화, 외란에 인한 평균 양수계수 변동의 최소화, 소음 최소화의 관점에서 분석하였다. 본 연구에서 해석한 두 가지 구멍의 경우 모두, 공력 문제 해결 측면에서 월등한 성능을 가짐을 확인하였고, 여러 특이 케이스 해석을 통해 구멍의 실제적 유동 흐름을 이해하였다. 특히 설정된 해석 기준을 통한 비교 결과, 얇은 익형 0.015 TYPE 1가 가장 우수한 형상으로 선정하였다

     


    한 팀당 주어진 시간은 발표 10분과 심사위원들과의 질의응답 5분. 최선을 다했다.
    발표장에 들어가기 직전까지 단 한숨도 자지 않고 자료를 다듬고 발표 연습을 도와준 동생 최대현군에게 진심으로 수고 많았고 고맙다는 말을 전하고 싶다. 주제 선정하고 논문을 쓰고 발표자료 완성하기까지 며칠을 밤새 작업했는지 정확히 알 수 없을 정도로 숨 가쁜 일정이었다. 호기심에 재밌을 것 같아 참가하게 된 대회였지만 힘들 때마다 최대현군이 “후회 없도록 최선을 다하자”라는 말이 아직도 잊혀지지 않는다. 이만큼 노력하였기에 대상이라는 좋은 결과가 있었을 것이라고 생각된다. 이전 팀들도 그랬을 것이다. 마지막으로 겉으론 들어내시지 않았지만 항상 응원해주신 서울대학교 김종암 교수님 그리고 이성욱 조교님께 감사의 마음을 전한다.



     
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    전체댓글6

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    |2015.12.14
    인터넷을 통해서 제공되는 CFD 툴을 활용해서 연구 성과를 발표하는 대회인가요? 대회 이름은 교육허브 개발 경진대회인데 내용은 논문 발표 대회라 제 머리속에서 매칭이 잘 안되네요..
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    |2015.12.07
    저도 관심있어서 몇번 접속해서 봤는데, 이렇게 사용이 되는군요.
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    |2014.10.03
    프로그램 배우면서 해야만 하나요??? 학교 정규수업에도 없던데...
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    |2014.05.28
    서울대 역시 다르네요.
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    |2014.05.22
    매우 복잡하네요. 잘보고 갑니다.
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    |2014.05.14
    에디슨 정말 어려웠는데 .. 상은 못 탔지만 그래도 배움에 있어 매우 좋았던것 같습니다. 좋은 정보 감사합니다
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