대형 MRI와 CFD를 활용한 3차원 액체 흐름 분석: TPMS 구조 스마트 반응기 적용

초록

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본 연구는 3 T 대형 수직 MRI와 CFD를 결합해 38 mm 직경 컬럼 내 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface) 구조물의 3차원 유속장을 측정·검증한다. Gyroid, 회전 Gyroid(45°), Schwarz‑Diamond 세 형태를 Reynolds 50‑300 범위에서 실험했으며, MRI가 6 % 이하의 발산 오차로 전·후방 흐름을 정확히 포착함을 확인했다. Gyroid은 채널 중심 흐름을, Schwarz‑Diamond는 합·분리 흐름을 보여 46 % 높은 횡방향 혼합을 제공한다. CFD 결과는 MRI와 정량·정성적으로 일치해 두 방법의 상호 검증 가능성을 입증한다.

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상세 분석

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본 논문은 TPMS 기반 구조물이 기존의 입상·단일채널 반응기에 비해 압력강하 감소, 표면적 증대, 혼합 효율 향상이라는 장점을 갖는다는 배경에서 출발한다. 특히 Gyroid와 Schwarz‑Diamond는 수학적으로 정의된 최소곡면으로, 급격한 곡률이나 교차점이 없어 제조 공정에서 결함이 적고, 유동 경로가 연속적이며 복잡한 토러스형 네트워크를 형성한다는 점이 강조된다.

실험 설계는 세 가지 TPMS(기본 Gyroid, 45° 회전 Gyroid, Schwarz‑Diamond)를 각각 70 % 공극률, 10 mm 단위셀 크기로 설계하고, 레이저 파우더 베딩(LPB) 방식으로 단일 부품 형태의 원통형 컬럼(직경 38 mm, 길이 100 mm)으로 제작하였다. MRI 측정은 3 T 대형 수직 스캐너를 이용해 1 mm 두께의 20개 슬라이스를 1 mm 간격으로 촬영, 3차원 속도 벡터를 획득하였다. Phase‑contrast 기법을 적용해 속도 민감도를 최적화하고, 발산(∇·v) 검증을 통해 전체 흐름장이 6 % 이하의 비발산성을 유지함을 확인했다. 이는 MRI가 복잡한 다공성 구조 내에서도 연속적인 질량 보존을 만족하는 데이터를 제공한다는 중요한 증거이다.

CFD는 ANSYS Fluent 기반의 레이놀즈 평균 Navier‑Stokes 방정식과 k‑ε 난류 모델(레일리즈 300 이하에서는 laminar 모델)로 설정했으며, 실제 제조된 구조의 STL 파일을 메쉬화하여 경계조건(입구 체류 속도, 압력 출구)과 물성(물 밀도·점도) 등을 동일하게 적용하였다. 시뮬레이션 결과는 압력 강하, 평균 유속, 횡방향 혼합 지표(예: 전단 스트레인)에서 MRI와 5 % 이내의 차이를 보였으며, 특히 Gyroid 구조에서 관찰된 ‘채널링(channelling)’ 현상이 CFD에서도 동일하게 재현되었다.

흐름 특성 분석에서는 Gyroid이 주 흐름축에 평행한 연속 경로를 제공해 중심부 속도가 높고 측면 혼합이 제한되는 반면, Schwarz‑Diamond는 ‘merge‑split’ 패턴을 통해 유체가 여러 갈래로 분기·재결합하면서 횡방향 교차가 활발히 일어나 46 % 높은 혼합 효율을 나타냈다. 45° 회전 Gyroid은 회전으로 인해 흐름 경로가 비대칭화되어 채널링을 어느 정도 완화하고, 전반적인 압력 손실은 크게 증가하지 않으면서 혼합 효율을 개선한다는 점에서 설계 변수(단위셀 회전)의 중요성을 시사한다.

본 연구는 MRI와 CFD의 상호 보완적 검증 프레임워크를 제시함으로써, 복잡한 TPMS 구조물의 내부 유동을 비침습적으로 정밀 측정하고, 수치 모델의 신뢰성을 확보할 수 있음을 입증한다. 이는 향후 열·질량 전달, 촉매 반응 메커니즘, 그리고 스마트 반응기 설계 최적화에 직접 활용될 수 있는 기반 기술이다.

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