포항공과대학교 유동물리연구실은 다양한 수치해석 기법을 사용해 터보기계를 포함한 다양한 분야 유체 시뮬레이션을 수행해 터보기계 내부 유동 현상에 대한 이해도가 높다. 실제 터보기계 해석에서 요구되는 격자, 난류 모델 등 수치기법에 대한 기준이 정립돼 있으며 원심 압축기, 축류 터빈 등 다양한 터보기계 관련 과제수행 경험을 보유하고 있다.
다양한 분야 전산해석 연구를 통해 히트펌프 핵심요소 중 하나인 압축기를 포함한 전반적인 유동현상에 대한 이해도가 높으며 강화학습을 활용한 다목적 최적화, 원심 압축기 1차원 모델 등 유동물리연구실이 보유한 다양한 기술이 이번 과제에 적용되면 큰 시너지 효과를 낼 수 있을 것으로 기대된다.
유동현 포항공대 교수는 “탄소중립 이행을 위한 대용량, 대온도차 산업용 히트펌프 개발의 핵심 요소 중 하나인 터보압축기 개발에 우리 연구실이 보유한 지식과 기술이 큰 도움이 될 것”이라고 참여배경을 설명했다.
압축기성능 예측 1차원 모델 개발
1세부과제어 포항공대는 전산해석을 통한 압축기 내부 유동현상을 분석한다. 압축기와 같은 터보기계의 경우 내부 유속이 매우 빠르고 형상이 복잡해 실험을 통해 유동특성을 자세하게 분석하기가 어렵다. 이에 따라 전산해석을 통해 압축기 내부에서 발생하는 공력 손실과 진동 및 소음에 대한 자세한 분석을 수행한다.
또한 1차원 모델도 개발한다. 압축기의 경우 입출구 압력, 유량, 온도 등에 따라 효율, 압축비 등의 성능이 달라지기 때문에 압축기를 설계하고 개발하는 과정에서 다양한 운전조건에 따른 성능을 아는 것이 중요하다. 하지만 이를 실험이나 전산해석을 통해 도출하는 것은 비용상 어려움이 크다. 이에 따라 포항공대는 다양한 운전조건에서 빠르고 정확하게 압축기성능을 예측할 수 있는 1차원 모델을 개발한다.
압축기의 운전영역 확대를 위한 형상 최적화 및 제어기술도 개발한다. 다양한 조건에서 높은 성능을 유지하는 히트펌프 개발을 위해서는 다양한 운전조건에 대응가능한 압축기 개발이 필수다. 이를 위해 1차원 모델과 강화학습 기반 다목적 최적화 기술을 활용해 운전영역 확대를 위한 최적 형상 설계 및 능동 제어기술을 개발한다.
유 교수는 “산업용 히트펌프 개발 및 실증을 통해 다양한 산업분야에서 열원 공급 장비로써 히트펌프가 적용될 것으로 기대된다”라며 “이를 위해 다양한 산업공정에서 필요로 하는 적합한 기술개발이 이뤄질 것”이라고 밝혔다.
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