연도별 연구과제 17 페이지첫페이지로 이동

본 연구의 목적은 현재 Coffee ring effect가 높은 온도에서 억제되는 메커니즘을 규명하는 것이 다. 현재 높은 온도에서 모세관 현상의 감소로 Coffee ring effect가 억제된다는 이론과 증발속도 증가로 표면 하강 속도가 증가하여 Coffee ring effect가 억제된다는 이론이 제시되고 있으나, 둘중 어느 요인이 더 큰 비중을 차지하는지에 대한 연구는 진행되지 않았다. 본 연구에서는 액체의 접촉각을 조작 변인으로, Coffee ring effect가 억제되는 Cross point에서의 온도를 종속변인으로 실험을 진행하여 Young의 식을 이용해 조작 변인에 따른 종속변인의 변화를 해석하였다.
다른 성분으로 구성된 표면에 물방울을 적하한 결과, 접촉각과 Cross point는 본 연구에서 실험한 접촉각 범위인 15.2~72.3 의 불확도 내에서 유의미하게 큰 접촉각에서 Cross point가 더 높았다. 이 결과와 물방울의 부피는 Coffee ring effect가 나타나는 여부와 무관하다는 선행연구를 고려한 결과, 묽은 용액에서는 부피와 무관하게 증발속도가 더 큰 영향을 미친다는 것을 확인했다.

주제어: Coffee ring effect, 모세관 현상, 표면 하강 속도, 접촉각, Young의 식

실생활 중 물컵을 옮길 때, 컵이 흔들려 물이 넘치는 불편한 일이 있었으며 컵 내부의 유체의 최대 높이 및 기울기가 이를 해석할 수 있는 요소가 될 것이라 생각했다. 따라서 컵이 수평방향 진동 운동할 때 유체가 컵 안에서 이동하는 것을 분석하기 위해 컵이 흔들리는 진동수에 따라 발생하는 수면의 형태를 확인하였다. 물이 담긴 커피컵 용량의 용기가 진동수에 따라 형성하는 수면의 최대 기울기를 측정하고, 이를 고유진동수를 통해 해석하였다. 기울기에 따른 유체의 이동을 편미분방정 식을 이용해 수학적으로 모델링하여 수면의 모양이 원의 일부라는 결과를 도출하였다. 모델링 과정 에서 나타난 진동수에 따른 원의 변화를 물리적으로 설명하였고, 모델링 결과와 실제 상황을 비교 하며 이를 검증하였다. 본 연구는 소규모 용기 내 슬로싱 현상의 이해를 돕고, 유체의 이동을 제어하여 물 넘침을 방지하는 방법을 개발하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

주제어: 수평방향 진동운동, 고유진동수, 수면의 기울기, 슬로싱, 수학적 모델링

히트파이프 속 작동 유체의 특정한 물성에 따라서 성능이 결정되고, 이를 알 수 있다면 성능이 뛰어난 히트파이프를 제작할 수 있다. 본 연구에서는 작동 유체의 비열, 증발 엔탈피에 따라서 히트파 이프의 냉각 성능이 어떻게 변화하는지 보고자 한다. 물-에탄올 액체 혼합물을 넣고 히트파이프에 약간의 가열 후 밀봉하는 방식으로 히트파이프를 제작하였다. 히트파이프의 온도 변화를 통해 열전 도도를 산출해내고, 이를 바탕으로 히트파이프의 성능을 비교한다. 작동 유체의 비열과 증발 엔탈피가 모두 히트파이프의 열전도도에 비례하며, 에탄올의 혼합비가 25%인 용액을 작동 유체로 하는 히트파이프가 가장 높은 열전도도를 가진다. 비열과 열전도도, 그리고 증발 엔탈피와 열전도도 간에 선형 관계가 있음을 보였다.

주제어: 히트파이프, 냉각 성능, 유체, 물성, 열

신재생 에너지 중 하나인 해양 에너지는 무한하고 지속적으로 확보할 수 있다는 특징을 가지지만, 현재 우리나라에서는 상용화되지 않고 있다. 본 연구에서는 해양 발전 중 조력 발전과 파력 발전의 원리를 모두 이용하는 역학적 디자인을 고려한 새로운 형태의 발전기를 제작하고자 하였다. 이를 위해 사면 입체 모형의 곡률을 변화시켜가며 수면 높이 변화에 따른 회전각과 부력, 발생한 에너지 등을 비교해보았고, 최대 전기 효율을 낼 수 있는 조건 혹은 곡률 값을 구해보았다. 파력발전, 조력 발전 실험을 나누어 진행한 후에, 이들을 종합한 상황에서 실험하여 각각의 상황에서 어떤 모양의 곡면일때가 가장 큰 효율을 나타내는지 구하였다. 그 결과, 회전각에 따라 부력에 의한 토크를 적분 하여 파도가 없을 때는 곡률이 15cm 일 때, 파도가 있을 때는 곡률이 20cm 일 때 최대 효율을 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한, 파도의 영향과 조수간만의 차에 의한 영향의 비율에 따라 최대 효율을 위해 배치해야하는 곡면의 종류도 알 수 있었다.

주제어: 전수압, 부력, 곡률, 평형, 회전각

사이클로콥터는 회전축이 지면과 평행하여 회전축과 평행한 블레이드들로 구성된 추력 발생 장치이 다. 본 연구에서는 블레이드의 형상을 변화시키는 실험에 대한 가설 2개를 설정하였고, 가설을 증명하기 위한 실험을 진행하였다. 실험을 위한 도구를 직접 설계하여 3D 프린터기를 이용해 출력하고 모터의 회전 속도를 증가시키며 각 블레이드에 대해 추력이 어떻게 변화하는지와 블레이드의 형상에 대한 경향성을 파악할 수 있도록 노력하였다.

주제어: 사이클로이드 로터, 블레이드 형상, 받음각, 대칭성, 추력

동적 안식각이란 설탕 입자의 거동을 측정하는 데 사용되는 지표로서, 정적 안식각으로는 파악할수 없는 동적 조건에서의 운동을 나타낸다. 본 연구는 정제당의 충전율, 회전 속도, 입자 크기에 따라 동적 안식각을 측정하고 각 요인이 동적 안식각에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과를 물리적으로 분석하는 과정에서 동적 안식각에 영향을 미치는 영역이 제한적임을 밝혔고 이를 L-zone으로 정의하였다. 또한, 정적 안식각을 마찰력으로 설명하는 기존 방식에서 착안하여 동적 안식각도 마찰력을 통해 설명하고자 가설을 세우고 이를 검증하였다. 이 연구는 설탕 입자의 흐름을 이해하는 데 중요한 변수인 동적 안식각에 대한 이해를 높이고 산업적 생산성 향상에 기여할 수 있다.

주제어: 정제당, 동적 안식각, L-zone, 마찰력

이 연구는 관 속에서 흐르는 유체의 초기압력에 따른 효율적인 운반 조건을 제시한다. 관 속 액체의 유동은 다양한 산업 분야에서 적용되는 만큼, 환경 보호와 에너지 절약을 위해 최적의 조건을 구할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구에서는 실험을 통해 초기압력에 따른 효율적인 단면적을 분석 하고, 이의 경향성을 확인한다. 또한 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 비교로 실제와 이론 간 차이를 검토하여 난류 현상을 고려한 최적 압력을 도출한다. 연구 결과는 유체 운반 문제해결에 기여하여 에너지 절약에 도움이 될 것으로 기대된다.

주제어: 효율, 난류, 관내유동, 압력

본 연구는 지구온난화로 인한 산불의 증가로 인한 위험에 대응하기 위해 SEIR 모델을 적용한 산불 확산 예측 방법을 제안한다. SEIR모델에서 접촉군 E를 I와 인접한 구역으로 정의하고, 회복군 R을 수정하여, 산불이 진압되었지만, 탈 것이 남아있는 상태인 R과 화재에 의해 전부 타버린 B로 나누 었다. 화재가 닿지 않은 지역(B), 화재에 노출되어 있는 지역(E), 화재가 확산한 지역(I), 화재가 진압된 지역(R), 완전히 타버려 더 이상 타지 않는 지역(B)과 같이 다섯 가지 그룹으로 나누어, 산불 확산 SEIRB모델의 미분방정식을 세웠다. 산불의 특성에 맞춰 환경 변수(습도, 바람, 경사도)를 통합한 이 모델은 산불의 확산과정을, 미분방정식을 이용하여 수학적으로 모델링하고 파이썬과 관련 라이브러리를 활용하여 시뮬레이션하였다. 실험을 통해 모델의 파라미터를 결정하였고, 시뮬레이션에 적용하였다. 이를 통해 화재의 예상 경로와 확산 속도를 시각화하고 분석하였다. 이 연구는 이 모델은 산불 진압 전략 수립, 재난 대응 시스템 강화에 이바지하며 장기적으로는 인명과 재산의 손실을 줄이고 생태계를 보호하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

주제어: 산불확산예측, SEIR모델, 수학적모델링, 재난 대응 시스템, 2D 시각화

자연수를 정수의 거듭제곱으로 나타내는 와링 문제의 확장인 다항식의 와링 문제는 주어진 다항식을 일차식의 거듭제곱 합으로 나타내는 문제이다. 여기서 일차식의 거듭제곱 항들의 개수의 최소 랭크를 찾는 것은 수학적으로 대단히 의미 있는 연구이다. 본 연구에서는 다항식이 인수분해된 형태의 분석에 집중하여 다항식을 분해한 형태와 랭크 값을 추론하였다. 그 과정에서 랭크를 도출하기 위한 행렬을 정의하고 이를 활용하여 직관적 표현이 가능하도록 하였다.

주제어: 다항식, 거듭제곱, Apolarity Lemma, Waring’s problem

본 연구에서는 정폭도형 바퀴의 운동 효율을 한 가지 변수에 제한하여 평가하였다. 정폭도형의 support function을 변형하여 둘레가 일정하도록 정규화 과정을 진행하고, Mathematica를 이용해 정폭도형이 다항식으로 표현됨을 확인하였다. 특정 값에 대하여 self-intersection이 발생함을 확인하고, 변수에 따른 교차점 발생과 특이점 발생 조건을 대수적으로 보였다. 굴림운동을 수학적 으로 분석하기 위해 재정의하고 MATLAB으로 구현하였다. 마지막으로 실제 바닥 면 조건과 유사한 삼각함수와 이차함수 형태의 바닥에서 정폭도형 바퀴와 원형 바퀴의 무게중심 상하 진폭을 비교한 결과, 특정 조건에서 다항식 정폭도형 바퀴가 원형 바퀴보다 작은 값을 가짐을 확인하였다. 이는 불균일한 표면에서 새로운 바퀴가 원형 바퀴에 비해 향상된 운동 효율을 제공할 수있음을 시사한다.

주제어: #정폭도형 #다항식 #바퀴 #굴림운동 #무게중심

일상생활에서 세제로 세탁할 때 세제로만 지우기 힘든 오염물을, 첨가제를 첨가하여 세탁 하면 잘 지워진다는 것에 착안하여 어떤 계면활성제를 사용해야 잘 지워지는지 파악하고 경제적으로 세척을 할 수 있다고 판단되어 연구를 진행했다. 계면활성제별, 세탁물별로 일정 시간과 조건 내에서 미니 세탁기로 오염물 세탁을 진행하였고, 전후로 겉보기로 달라진 것과, 세탁물의 각 픽셀의 RGB 값의 합 평균 전후 비교를 통해 세탁이 얼마나 되었는지 확인하였으며, 어떤 계면활성제가 잘 지우는지 확인하였고, 이후, 세제 제작 로봇에 들어갈 코드와 알고리즘을 고안하였다. 이후 오염 상황에 맞는 세제를 출력할 수 있는 로봇을 제작함을 통해 경제성을 확보할 수 있을 것이다.

주제어: 계면활성제, 세제, 오염물, 세탁

이 연구는 에어 하키 게임에서의 승리 확률을 높이기 위해 최적의 퍽의 경로를 탐구하는 연구이다. 에어 하키는 우리가 오락실 안에서 흔히 볼 수 있는 게임으로 필드의 아래쪽에서 바람이 나와 마찰력을 줄여 빠른 속도의 퍽을 상대방의 골대에 넣는 게임이다.
에어 하키 퍽의 속력은 다른 구기 종목 스포츠에 비해 매우 빠르기 때문에 우리가 퍽을 보면서 치는 것은 거의 불가능하다. 즉, 상대방의 퍽을 막고 자신의 퍽을 상대방 골대에 넣기 위해서는 미리 퍽의 경로를 예측하여 쳐야 가능하다.
따라서 움직이는 퍽의 운동을 연구하고 그에 따른 각도, 벽과 부딪힌 후 반사되어서 일어나는 움직임을 연구하면 상대방의 골대에 퍽을 넣을 수 있는 최적의 경로를 밝혀내어 승률을 높일 수 있을 것이다.

주제어: 에어 하키, 마찰력, 승률, 각도