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본 연구는 스프링클러와 유사한 역삼각형 원심 펌프에서 발생하는 유체의 개수로 유동이 펌프의 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 유속과 유량에 영향을 미치는 매개변수들을 설정하고 이들의 관계를 조사한 결과, 펌프의 효율에 영향을 미치는 변수는 파이프의 지름, 펌프의 입구 및 출구 형태임을 발견하였다. 이러한 변수들의 경우 공통적으로 효율이 최대인 특이점이 존재하였으며, 특이점 이전에는 기존 이론에 부합하였지만 특이점 이후로는 이론에 부합하지 않고 효율이 급격히 감소하는 양상을 보였다. 또한 효율이 감소한 경우 모두 파이프 내부 개수로 유동이 관찰되었으므로, 내부 유동에서 개수로 유동으로 발달하는 조건을 분석하기 위해 CFD 해석을 진행하였다. 해석 결과 파이프 내부에서 받는 원심력 차이 혹은 입구에서 압력골 발생이 개수로 유동에 원인임을 밝혀냈다. 이 연구는 펌프 및 다양한 유체 수송 시스템에서 개수로 유동에 의한 비효율을 방지하는 데 중요한 설계 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 주제어: 원심 펌프, 개수로 유동
기존 기어의 마찰 및 소음 문제를 해결하기 위해 자석 기어의 최적 작동 조건 그리고 효율을 측정한다. 기어를 효율적으로 분석하기 위해 맞물림도라는 변환 기법을 직접 고안하여 복잡한 각속도 시계열 데이터를 변환해 기어의 맞물림 여부를 쉽게 판단할 수 있었다. 이때 맞물리는 상태로 진입할 때까지 소요된 시간을 임계점 도달 시간이라고 정의하며 이것이 가장 작아지는 매개변수 조건을 탐구한다. 탐구한 매개변수는 배치 방법, 스피너간 거리, 스피너의 초기각도, 스피너의 초기각속도 및 동력원의 크기로 다양하다. 또한 각속도가 언제나 동력원에 동기화되며 수렴하는 현상도 설명하여 기어의 안정성을 증명했다. 자석 기어의 효율을 정의 및 측정하여 96~97%로 고효율임을 알 수 있었다. RK4 수치해석을 통해 이론적 시뮬레이션의 가능성도 연구 말미에 제시하였다. 주제어: 자석 기어, 맞물림도, 최적화, 효율
겨울철 실내의 먼지, 냄새 등의 환기를 위해 많은 창문을 열면 먼지, 냄새와 열에너지가 모두 빠르게 방출될 것이고, 반대로 1개의 창문만 열면 먼지와 열에너지가 모두 느리게 방출될 것이다. 이러한 변화는 개방된 창문의 위치와 수에 따른 실내 공기 순환 경로의 변화로 인해 나타날 것이다. 본 연구에서는 이러한 환기 시 가장 적은 온도 변화를 보이는 창문 배치를 탐색하였다. 이 과정에서 CFD 시뮬레이션과 안개 유동 실험을 통해 공기 순환 흐름을 관측하였고, 학교 교실을 모델로 모형을 제작하여 온도 차가 24도인 경우 미세먼지가 일정 수준 감소하는 동안 온도 감소량을 비교하였다. 동일한 실험을 실제 교실에서도 수행한 결과 예측과 실험 모두에서 유사한 결과를 얻을 수 있었으며, 개방 방식에 따라 온도 감소량이 최대 2.8도까지 차이가 발생함을 확인할 수 있었다. 주제어: 환기, 실내 미세먼지, 열에너지, 창문 개방 방식
본 연구는 포장된 제품이나 공기와 접촉하면 안 되는 고체 물질의 상태를 비접촉 방식으로 검사하는 기술의 기초 연구로써 용기 내부의 물체 개수를 추정하는 방법을 제안한다. 물체의 개수와 용기를 흔드는 진동장치의 진동수에 따라 10초간 녹음을 100번 진행하여 데이터를 수집했다. 가장 적합한 방식을 탐색하기 위해 세 가지 방법을 개발하고 비교하였다: (1) 파형의 극값 분석, (2) 파형의 특징 요소 추출, (3) MFCC로 학습한 CNN 기반 분류 모델. 실험 결과, 극값 분석 방법은 40Hz에서 가장 정확한 결과를 보였으며, 파형의 특징 요소 추출 방법은 적은 수의 구슬에 대해 유의미한 결과를 나타냈다. CNN 기반 분류 모델은 99%의 높은 유효 정확도로 물체의 개수를 추정할 수 있었다. 각 방법의 장단점을 고려할 때, 극값 분석이나 파형의 특징 요소 추출로 대략적인 개수 범위를 파악한 후, CNN 모델을 적용할 수 있다. 이러한 복합적 접근 방식은 약물 포장이나 위험 물질의 비접촉 검사 등에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 주제어: 음향 분석, 불량품 식별, CNN, MFCC 계수
중력렌즈 효과란 천체에 의한 강한 중력에 의해 빛이 휘어 마치 천체가 아닌 렌즈와 같은 작용을 하는 경우를 말한다. 중력렌즈 효과에 의한 현상은 그 형성 조건이 매우 까다로워 망원경과 같은 일반적인 장비로는 관측하기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 중력 렌즈 효과를 광학적으로 모방한 광학 중력렌즈를 제작하고 이를 이용하여 실험할 수 있는 실험 교구를 제작한다. 주제어: 중력렌즈 효과, 광학 렌즈, 상대성 이론, 아인슈타인 십자가, 빛의 굴절
본 연구는 리블렛 구조를 모방한 와류발생기 (Vortex Generator, VG)의 공기역학적 효율을 최적화하기 위해 VG의 형상과 배열을 규명하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 다양한 VG 구조를 3D로 모델링하여 날개에 부착하고, VG 형상과 공격각(Angle of Attack, AoA)을 주요 변수로 설정하여 풍동 실험과 CFD 시뮬레이션을 통해 양항비(L/D Ratio)를 측정하고 분석하였다.
이 연구는 입상 물질인 쌀을 사용한 '라이스 프릭션' 현상을 이론적으로 분석하고 실험을 통해 검증하고자 한 것이다. 라이스 프릭션은 쌀과 같은 입상 물질이 막대에 붙어 용기와 함께 올라오는 현상으로, 쌀의 혼합 비율에 따라 마찰력에 차이가 있을 것이라 추정했다. 초기 연구에서는 진동을 통한 입자 배열 변화가 마찰력에 영향을 미칠 것으로 가정했으나, 실험 결과 영향이 크지 않음을 확인하였다. 이후 혼합물의 압력이 막대에 작용하는 마찰력을 이론적 모델로 설계하여, 각각의 경우를 수학적으로 유도한 후 실험을 통해 실제 측정값과 비교해 이론 모델의 타당성을 입증하고자 하였다. 주제어: 쌀, 가짜 쌀, 혼합물, 마찰력, 마찰계수
해당 연구는 기후 변화 대응을 위한 재생에너지 연구의 일환으로, 파력 발전기의 발전 효율을 분석하고 구조적 이해를 촉진하기 위한 모형을 제작하였다. 파력발전은 파도의 운동 에너지를 전기에너지로 변환하는 방식이며, 본 연구에서는 월파형 파력 발전기의 발전 효율을 분석하였다. 해파 발생기와 파력 발전기 모형을 제작하여 발전 효율 분석을 진행하였으나 매우 낮은 발전 효율이 나타났다. 따라서 낮은 발전 효율이 나타난 원인을 분석하고 초기 모형의 한계점을 극복하기 위한 추가 모형을 제작하였으며 발전 효율을 향상시켰다. 또한, 해당 연구는 파력발전의 발전 효율 향상 및 상용화를 위한 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. 주제어: 파력발전, 기후변화, 발전 효율, 교육적 모형
기존의 실내위치추적은 GPS를 이용할 수 없으므로 IPS구현이 필요하다. 불필요한 송수신기 구입을 최소로하기 위해 센서를 원의 형태로 회전시키며 거리를 측정하여 실내에서 단일센서만으로 위치를 추적하는 방법 및 하드웨어를 구현하였다. UWB기반 IPS 구현을 위해 하드웨어를 제작하였고, 시뮬레이션(Mujuco)상에서 알고리즘을 검증하였다. 센서가 원운동하면서 모터의 각도, 물체까지의 거리를 계속 측정하고 측정거리가 최대/최소가 될 때는 센서, 원의중심, 물체가 일직선 위에 놓임을 이용하여 물체의 방향 및 위치를 결정할 수 있다. 거리를 큐 자료구조에 저장하면서 5개씩의 거리데이터를 바탕으로 최소제곱법을 적용하여 증감경향성을 판단했고 이를 통해 최대/최소지점을 구할 수 있었다. 이 기술을 자율주행 강화학습 로봇에 적용하여 실내에서 여러 가지 업무를 맡을 수 있도록 할 것이다. 주제어: UWB, IPS(Indoor Positioning System), Particle Filter, 단일센서
Belousov-Zhabotinsky Reaction(BZ reaction)은 비평형 반응계에서 나타나는 카오스적 화학 진동 반응(Chemical oscillating reaction)으로 반응 계의 조성과 메커니즘의 복잡성, 그리고 계의 거동을 설명하는 다변수 편미분 방정식의 비선형성 때문에 BZreaction의 양상을 완벽하게 기술하는 것을 이론적으로 불가능하다. 그렇기 때문에 방정식의 해를 근사적으로라도 구하기 위해 Brusselator나 Oregonator 등 수치해석적 모델들이 만들어졌으며, 유체의 거동과 반응 용액 내 물질 농도의 국부적인 불균일함을 함께 계산하여 수평, 수직 방향의 대류 과정에서 BZreaction의 무늬 특성을 규명하기 위한 연구도 존재하였다. 결론적으로 이러한 노력들은 모두 BZreaction의 양상을 대략적으로 이해하는 데에는 도움을 주었지만, 무늬의 세부적인 곡률이나 개형, 크기, 모양 등을 예측하는 것은 여전히 불가의 영역에 훨씬 가깝다. 본 연구에서는 이러한 BZreaction의 불규칙성에 기인하는 다양한 무늬의 파라미터들을 통해 특정 메커니즘에 의한 의사 난수가 아닌, 예측이 불가능한 ‘진짜 난수’를 추출하고자 하며, 이를 위하여 이미지프로세싱을 통해 BZReaction 영상 데이터 속 무늬 패턴을 추출하고, 이를 가공하여 난수를 제작하고자 하였다. Keywords: 비평형 열역학, 카오스,Belousov–Zhabotinsky Reaction, 난수, 이미지 프로세싱
이 연구에서는 휴대폰을 활용한 천체 관측 방법을 탐구하였다. 기술 발전과 스마트기기 보급으로 아마추어 천문학자들의 연구 참여가 늘어나고 있으며, 특히 초신성 및 변광성 관측에서 이들의 데이터가 중요한 역할을 하고 있다. 기존에는 DSLR 카메라로 개별 컬러 채널을 분석해 이를 Johnson-Cousins BVRc 측광 시스템으로 변환하는 방법이 제안되었는데, 이를 참고하여 본 연구에서는 휴대폰으로 비슷한 분석을 시도하였다. RGB 데이터를 BVR 표준으로 변환하는 방법을 실험하고, 데이터의 정확성을 위해 초점을 맞추지 않은 상태로 노출 및 Stacking 방법을 통해 측광 데이터를 수집하는 방식을 적용하였다. 주제어: 산개 성단, 측광 관측, 휴대폰 카메라
본 연구는 한국 영해 내에서 수심, 수온, 염분과 같은 주요 매개변수의 변화를 분석하여 최적의 수중 음파 송수신 위치 및 환경을 규명하는 것을 목표로 한다. 수심별, 위도별 염분과 온도 데이터를 수집 및 가공한 후, 이를 통해 수심에 따른 다양한 변수(수온, 수압, 염도 등)의 변화에 따른 음파의 굴절률 분포를 구축하였다. 그리고 이를 통해 해당 상황에서의 음파 전파를 시뮬레이션한다. 이 모델을 활용하여 특정 환경에서 최적의 음파 통신 수심을 예측할 수 있다. 연구 결과는 잠수함 및 수중 통신 시스템의 흡음률 예측에 유용하며, 급변하는 환경에서의 통신 최적화를 위한 중요한 지침을 제공할 것이다. 주제어: 수중 음향학, 해양 통신, 해양 데이터, 음파 경로 시뮬레이션, 흡음률 계산