횡방향 슬릿을 통한 주기적은 흡입/분사가 존재하는 난류경계층 유동의 대형 와 모사

김경연(Kyoungyoun Kim),성형진(Hyung Jin Sung) 대한기계학회 2004 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2004 No.8

기체확산층 투과도에 따른 고분자전해질연료전지의 성능에 관한 수치적 연구

김경연(Kyoungyoun Kim),손영준(Young-Jun Sohn),김민진(Minjin Kim),조중원(Choong-Won Cho),이원용(Won-Yong Lee) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

The serpentine channel widely employed in fuel cells has a strong pressure gradient between adjacent channels in specific regions. Due to the pressure gradient, some amount of reactant gas can be delivered to a catalyst layer by convection as well as diffusion processes in a gas diffusion layer (GDL). The enhancement of the convective flow, so-called bypass flow affects performance of a PEMFC since the bypass flow can lead to significant concentration loss at the downstream of the gas channel. By performing three-dimensional numerical simulation, we have investigated the bypass flow in the GDL and its effects on the distribution of reactant concentration and local current density. The present numerical results show that, with increasing GDL permeability, local current density distribution changes significantly and becomes more inhomogeneous.

난류 채널 유동 내부의 레이놀즈 전단 응력 분포

김경연(Kyoungyoun Kim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.8

벽면 난류의 항력과 밀접한 관련이 있는 유동구조를 조사하기 위해 Reτ = 180, 395, 590 의 난류채널유동에 대한 직접수치모사를 수행하였다. 확률밀도함수를 조사하여 레이놀즈 전단응력에 가장 큰 기여를 하는 Q2 이벤트를 파악하였으며 Q2 이벤트의 각도의 변화가 y+ < 50 에서는 벽 단위로 스케일링되며, y/h > 0.5 에서는 채널의 높이로 스케일링 됨을 확인하였다. Q2 이벤트를 조건으로 하는 조건부 평균 유동장을 조사하여 레이놀즈 전단응력의 발생과 관련이 있는 유동구조는 주 유동방향의 보텍스 및 헤어핀 형상의 보텍스임을 보였다. 또한, 순간 유동장을 관찰하여 높은 레이놀즈 전단 응력의 분포가 이러한 보텍스 구조와 관련이 있으며 1.5 ~ 3h 의 크기를 갖는 대형유동구조를 구성함을 확인하였다. Direct numerical simulations were carried out for turbulent channel flows with Reτ = 180, 395 and 590 to investigate the turbulent flow structure related to the Reynolds shear stress. By examining the probability density function, the second quadrant (Q2) events with the largest contribution to the mean Reynolds shear stress were identified. The change in the inclination angle of Q2 events varies with wall units in y+ < 50 and with the channel half height in y/h > 0.5. Conditionally averaged flow fields for the Q2 event show that the flow structures associated with Reynolds shear stress are a quasi-streamwise vortex in the buffer layer and a hairpin-shaped vortex in the outer layer. Three-dimensional visualization of the distribution of high Reynolds shear stress reveals that the organization of hairpin vortices in the outer layer having a size of 1.5~3 h is associated with large-scale motions with high Reynolds shear stress in the outer layer.

기체확산층의 기공률이 고분자 전해질 연료전지 성능에 미치는 영향에 관한 전산해석 연구

김경연(Kyoungyoun Kim),손영준(Young-Jun Sohn),김민진(Minjin Kim),이원용(Won-Yong Lee) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集B Vol.33 No.12

Numerical analysis was carried out to investigate the effect of GDL (Gas diffusion layer) porosity on the performance of PEMFC (proton exchange membrane fuel cell). A complete three-dimensional model was chosen for single straight channel geometry including cooling channel. Main emphasis is placed on the heat and mass transfer through the GDL with different porosity. The present numerical results show that at high current densities, the cell voltage is influenced by the GDL porosity while the cell performance is nearly the same at low current densities. At high current densities, low value of GDL porosity results in decrease of the fuel cell performance since the diffusion of reactant gas through GDL becomes slow with decreasing porosity. On the other hand, for high GDL porosity, the effective thermal conductivity becomes low and the heat generated in the cell is not removed rapidly. This causes the temperature of fuel cell to increase and gives rise to dehydration of the membrane, and ultimately increase of the ohmic loss.

입구 가습 조건이 고분자 전해질 연료전지의 동적 반응에 미치는 영향

김경연(Kyoungyoun Kim) 대한기계학회 2019 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2019 No.4

폴리머 첨가제에 의한 항력감소 난류 채널 유동장의 직접수치모사

김경연(Kyoungyoun Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.8

폴리머 첨가제에 의한 항력감소 난류 채널 유동에 대한 직접수치모사를 스펙트럴 기법을 통해 수치적으로 해석하였다. 마찰속도 및 채널 높이의 절반으로 무차원화한 레이놀즈수는 395 이며, 폴리머 첨가제에 의해 발생하는 폴리머 응력은 FENE-P 모델을 통해 고려하였다. 폴리머 분자의 이완 시간 및 최대 연신 한계와 같은 FENE-P 모델 인자는 항력감소율에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 항력감소율이 낮은 유동과 높은 유동에 대해 항력감소에 따른 난류 통계량의 변화를 조사하였다. 또한, 동일한 항력감소율을 갖는 유동에 대해, 서로 다른 FENE-P 모델 인자가 난류 통계량의 변화에 미치는 영향도 조사하였다. 최종적으로, Li 등(2006) 이 제시한 유변학 인자들과 항력감소율과의 상관관계식을 본 수치해석 결과를 통해 확인하였다. Direct numerical simulations (DNS) of turbulent channel flow for which the drag is reduced by using polymer additives have been performed by a pseudo-spectral method. The Reynolds number based on the friction velocity and half-channel height is 395, and the polymeric stresses due to the polymer additives are evaluated using the FENE-P (finitely extensible nonlinear elastic-Peterlin) model. The numerical results show that the drag reduction rate is significantly affected by the parameters used in the FENE-P model, such as the maximum extensibility and relaxation time of the polymer molecules. The turbulence data for both low- and high-drag reduction regimes are analyzed. In addition, the effects of FENE-P model parameters on the flow characteristics have been investigated for the same drag reduction rate due to the polymer additives. Finally, the present DNS results have been used to verify the correlation between rheological parameters and the extent of drag reduction, which was suggested by Li et al. (2006).

Numerical Modeling of Solid Alkaline Fuel Cell

김경연(Kim, Kyoungyoun),손영준(Sohn, Young-Jun),최영우(Choi, Young-Woo),박석희(Park, Seok-Hee),김창수(Kim, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

We present here an isothermal, one-dimensional, steady-state model for a solid alkaline fuel cell (SAFC) with an anion exchange membrane. The conducting ions now move from the cathode to the anode in SAFC. The water is produced at the anode and is also a stoichiometric reactant at the cathode as well as hydrogen and oxygen. In the present model, a net-water-per-proton flux ratio can be predicted and the water transport in the SAFC is explained for various operating conditions.

Numerical Studies on Water Management in PEMFC

Kyoungyoun Kim(김경연) 한국신재생에너지학회 2018 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.4

비압축성 Navier-Stokes 방정식에 대한 내재적 속도 분리 방법

김경연(Kyoungyoun Kim),백승진(Seung-Jin Baek),성형진(Hyung Jin Sung) 한국전산유체공학회 2000 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2000 No.10

An efficient numerical method to solve the unsteady incompressible Navier-Stokes equations is developed. A fully implicit time advancement is employed to avoid the CFL(Courant-Friedrichs-Lewy) restriction, where the Crank-Nicholson discretization is used for both the diffusion and convection terms. Based on a block LU decomposition, velocity-pressure decoupling is achieved in conjunction with the approximate factorization. Main emphasis is placed on the additional decoupling of the intermediate velocity components with only n th time step velocity. The temporal second-order accuracy is preserved with the approximate factorization without any modification of boundary conditions. Since the decoupled momentum equations are solved without iteration, the computational time is reduced significantly. The present decoupling method is validated by solving the turbulent minimal channel flow unit.

채널 유동 내에서 헤어핀 보텍스 패킷의 형성 과정

김경연(Kyoungyoun Kim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.8

벽면 난류의 항력과 밀접한 관련이 있는 유동구조인 헤어핀 보텍스 패킷의 형성 과정을 파악하기 위해 Reτ = 180, 395, 590 의 채널유동에서 보텍스의 발달 과정에 대한 전산해석을 수행하였다. 초기 보텍스는 각 레이놀즈 수에 대한 직접수치모사를 수행하여 버퍼층에서 발생하는 Q2 이벤트에 대한 조건부 평균 유동장으로 부과하였다. 초기 보텍스의 발달과정을 시공간적으로 조사하여 Ω 모양의 보텍스의 형성 및 2 차 헤어핀 보텍스의 형성 과정의 시간 척도는 벽단위에 의존함을 확인하였다. 또한, 초기 보텍스가 채널 중심까지 성장한 시점에서는 세 레이놀즈 수 경우 모두 패킷의 경사각이 대략 12° ~14° 로 유사하였다. 마지막으로 두 개의 인접한 헤어핀 보텍스가 보텍스 패킷으로 발달하는 경우에 대한 전산해석을 수행하여 보텍스 패킷의 상호작용을 조사하였다. Numerical simulations for channel flows with Reτ = 180, 395 and 590 have been performed to investigate the hairpin packet formation process in wall-bounded turbulent flows. Using direct numerical simulation databases, the initial flow fields are given by the conditionally averaged flow field with the second quadrant event specified at the buffer layer. By tracking the initial vortex development, the change in the initial vortex to an Ω-shaped vortex and the generation of a secondary hairpin vortex were found to occur with time scales based on the wall units. In addition, at the time when the initial vortex has grown to the channel center, the inclination angle of the hairpin vortex packet is approximately 12~14°, which is similar for all three Reynolds numbers. Finally, numerical simulations of the evolution of two adjacent hairpin vortices have been performed to examine the interaction between the adjacent vortex packets.