전산열설계연구실(Computer Aided Thermal Design Laboratory)

1. 새로운 전산해석 알고리즘을 개발 하고 개발한 알고리즘을 이용하여 물리적 모델을 세우는 코드개발 분야

2. 개발한 물리적 모델 또는 전산코드(상용화 프로그램)을 이용하여 열/유동 특성을 분석하고 이를 통한 최적설계를 예측하는 코드응용 분야

연구실소개

01연구실소개

지도교수

저 서 경 력

김 찬 중 교수

• B.S. in Mechanical Engineering (1983) Seoul National University - Seoul, Korea • M.S. in Mechanical Engineering (1985) Seoul National University - Seoul, Korea• Ph.D. in Mechanical Engineering (1991) University of Michigan - Ann Arbor, USA • 1991~1992 University of Michigan 박사 후 연구원• 1992~1995 서울대 터보 동력 기계연구센터 연수 연구원• 1995~1996 한국 과학기술연구원 기전연구부 위촉 연구원• 1996~1997 한국 과학기술연구원 기전연구부 선임 연구원• 1997~ 현재 서울대학교 공과대학 기계항공공학부 교수

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연구소개

02연구현황

연구인력현황

연구인력 현황(2020년 9월 현재)

박사과정 : 5명, 석사과정 : 2명

CFD 해석 코드 개발• 다상(Multi-Phase) 유동 및 열 해석• 이동 경계 해석• Fluid-Structure interaction에 의한 유동 및 해석• 터널내의 화재 해석• CFD(STAR-CD, Fluent), FEM해석(ABAQUS) 등.

연료전지 물질 전달 모델 개발•연료전지의 동적 거동에 의한 물질전달 특성의 수치 모델 정립과 해석

• 3차원 PEM 연료전지 내의 물질 전달 해석 코드 개발• SOFC 의 전기 및 화학반응에 의한 성능 최적화 수치 모델 개발

리튬 이온 전지 모델 개발• 리튬 이온 전지의 다중 물리 현상을 간소화하여 해석 모델 개발• 개발한 모델을 통해 리튬 이온 전지의 수명 사이클, 충돌 시 열 거동 해석

03전산해석모델개발

• LBM 은 kinetic theory 와 볼츠만 방정식 에서파생

• 분포함수 에 의해 분자의 움직임을 표현• LBM with Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) • approximation

• D2Q9 model

• 맥스웰-볼츠만 분포함수

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Two-dimension nine-velocity

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• “수식 그대로”의 개념 구현한 창의적인 상용 소프트웨어• 행렬과 함수의 호출 없이도 상당한 수준의 계산이 가능• 현재 다수의 학생 인턴이 M#의 상용화개발에 참여 중

- 실수, 복소수, 행렬, vertex의 계산- 다항식과 함수, 미분, 적분, 근 구하기, 그래프- 수치해석, 신호처리, 상미분방정식(고유값), 편미분 방정식(초기값, 경계값 문제)

M#Lattice Boltzmann

Method(LBM)

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04리튬이온전지해석모델개발

연구 배경

• 인류가 에너지를 사용하고 변환하는 방식의 패러다임에서 리튬 이온 배터리(LIB)는 수십 년의 연구와 개발 덕분에 오늘날 매우 중요한 분야로 성장

• 긴 수명을 가지는 리튬 이온 배터리의 설계에는 성능 저하에 대한 정확한 평가가 필요하지만 실험에소요되는 시간과 비용의 한계로 수치 해석적 접근이 필수

연구 영역

• 수명 종료지점(EOL)에 도달한 리튬 이온 배터리(LIB)의 수명과 성능에 대한 계산을 위해서 다양한수치 해석 전략을 고안

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05배터리시스템의수명및성능예측

연구 배경

• 무수히 많은 활성 입자 및 전극 판으로 구성된 리튬이온전지를 물리적으로 해석하기 위해 전극 스케일, 단전지 스케일, 셀 및 팩 스케일의 크기로 도메인을 나누어 계산

• 각 도메인에서의 리튬 농도 및 전하량을 이산화한물리 방정식으로 해석하고, 해당 결과를 다른 스케일의 계산 정보로 제공하여 도메인 사이의 유기적해석을 가능케 함

• 리튬이온전지의 수명 감소에 크게 영향을 미치는음극 불활성 Solid-Electrolyte Interface(SEI) Layer를 모델화하여 리튬이온전지 수명 열화 예측

연구 과제• [삼성 SDI] 차량 연비개선을 위한 시동 및 출력 보조용 48V 리튬이차전지 시스템 기술 개

발 (2013.06~2016.05)

• [한전] ESS용 리튬이온전지 시스템 성능평가 및 수명예측 기술 개발 (2015.11~2018.09)

<실험 및 모델간 수명곡선 비교><실험 및 모델간 성능곡선 비교>

<주파수 조정 사이클 NCM622 셀 출력 전압 >

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06리튬이온배터리의열남용모델

연구 배경

• 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도로 인해 소형 전자기기부터 산업용 에너지저장장치 까지 다양한용도로 사용되고 있지만, 충격에 의한 파손은 과전류 방전으로 인해 대형 사고로 이어질 수 있음

• 리튬이온전지 파괴 유형에 따라 전지 전체 온도 및국부적 온도 거동이 달라질 수 있으며, 이를 예측하여 사고 시 배터리 열폭주를 지연시킬 수 있는설계 방안을 모색

• 리튬이온전지 파괴 형상에 따른 발열 분포를 계산하고, 해당 내부 단락 발생 시 리튬이온전지의 전기화학적 거동 및 셀의 온도 변화를 예측

연구 과제• [한국연구재단] 열-전기화학-구조해석 연성을 이용한 전기자동차용 리튬-이온 배터리의 열

폭발 현상 규명에 대한 연구 (2016.06~2018.05)

• [현대자동차] 전기자동차용 리튬 이온 배터리 구조변형에 의한 전기화학 및 열 거동 해석기법 개발 (2019.08~2020.02)

<crack 발생 시 상대적 전위 분포 및 발열 분포>

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07고분자전해질연료전지

연구 배경

• 연료 전지는 친환경적이고 에너지 효율이 높으며탄소 배출량이 적다는 장점이 있어 최근 수십년 동안 다양한 분야의 대체 에너지원으로 활용

• 화석 연료를 기반으로 둔 자동차 분야에서 가장 유망한 대안으로 주목

• 고분자 연료전지의 성능 향상을 위해서는 반응물로 생성되는 물의 적절한 관리가 필요

연구 영역

• 가스 확산층에서의 액체 수분의 동적 거동을 가시화하고 그 특징을 파악

• 수분 관리 능력을 향상시키기 위해서 가스 확산층의 물질 전달 특성의 최적화를 연구

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08연료전지의수소리포밍모델연구

연구 배경

• 수소 개질 시스템의 성능을 향상 시키려면 연료 순도를 예측하고 최적화 된 작동 조건을 설정하기 위해 발전 시스템의 촉매에서 화학 반응 및 물질 전달에 대한 정확한 분석이 필수적인 상황

• 촉매 층의 실제 반응은 높은 반응물 농도로 인해주로 촉매 표면에서 발생하므로 계산 시간 및 비용이 많이 소모

연구 영역

• 효율성 요인 상관 관계를 이용하여 계산 비용을 대폭 절감 할 수 있는 효율적인 CFD 모델을 제안

• 활성 반응 영역만을 고려하여 불필요한 계산을 줄일 수 있습니다. 이 연구에서는 적절한 작동 조건에서 니켈 촉매를 사용하여 증기 메탄 반응 (SMR)에 대한 활성 반응 두께를 결정