구조모델을 이용한 다공성 매질의 유효열전도도 분석

차장환,구민호,김영석,Cha, Jang-Hwan,Koo, Min-Ho,Keehm, Young-Seuk 한국지하수토양환경학회 2010 지하수토양환경 Vol.15 No.6

The effective thermal conductivity of porous materials is usually determined by porosity, water content, and the conductivity of the matrix. In addition, it is also affected by the internal structure of the materials such as the size, arrangement, and connectivity of the matrix-forming grains. Based on the structural models for multi-phase materials, thermal conductivities of soils and sands measured with varying the water content were analyzed. Thermal conductivities of dry samples were likely to fall in the region between the Maxwell-Eucken model with air as the continuous phase and the matrix as the dispersed phase ($ME_{air}$) and the co-continuous (CC) model. However, water-saturated samples moved down to the region between the $ME_{wat}$ model and the series model. The predictive inconsistency of the structural models for dry and water-saturated samples may be caused by the increase of porosity for water-saturated samples, which leads to decrease of connectivity among the grains of matrix. In cases of variably saturated samples with a uniform grain size, the thermal conductivity showed progressive changes of the structural models from the $ME_{air}$ model to the $ME_{wat}$ model depending on the water content. Especially, an abrupt increase found in 0-20% of the water content, showing transition from the $ME_{air}$ model to the CC model, can be attributed to change of water from the dispersed to continuous phase. On the contrary, the undisturbed soil samples with various sizes of grains showed a gradual increase of conductivity during the transition from the $ME_{air}$ model to the CC model.

지반굴착에 따른 지반 안정성 평가 시 지하시설물이 지하수흐름에 미치는 영향 분석

차장환,이재영,김병찬,Cha, Jang-Hwan,Lee, Jae-Young,Kim, Byung-Chan 한국방재안전학회 2018 한국방재안전학회 논문집 Vol.11 No.2

본 연구에서는 지반굴착 시 굴착구간 주변의 지하시설물이 지하수 흐름특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 지하시설물의 규모와 이격거리, 지하수 동수구배 등을 고려하여 시나리오 기반으로 굴착 단계별 지하시설물의 영향을 지하수 수위 변화와 지하수 유출량 측면에서 비교 분석하였다. 그 결과 지하시설물의 규모가 증가할수록 수두차와 수두구배가 크게 발생하며 이격거리가 짧을수록 큰 수두차와 수두구배를 보인다. 모델영역의 지하수 수두구배에 따른 영향은 비교적 작은 것으로 나타났다. 또한 시나리오에 대한 지하수 유출량 분석 결과 지하시설물의 규모가 증가하거나 이격거리가 짧을수록 지하수 유출량이 감소하는 경향을 보인다. 이는 지반굴착에 따른 지하수 유동특성 분석에 있어 주변에 존재하는 지하시설물에 대한 영향 검토가 필요한 것으로 판단된다. The purpose of this study is to investigate the effect of underground facilities around excavation zone on groundwater flow characteristics during excavation. The scenarios were constructed considering the size of the underground facility, the separation distance, and the hydraulic gradient. As a result, as the size of the underground facility increases, the difference of head and the hydraulic gradient become large. The shorter the separation distance of underground facility is, the more the difference of head and the hydraulic gradient occur. The effect of hydraulic gradient on model area was relatively small. As a result of analysis of groundwater flow rate for the scenario, groundwater flow rate tends to decrease as the size of underground facility increases or groundwater flow rate tends to decrease as the separation distance decreases. It is necessary to examine the effect of underground facilities on the groundwater flow analysis in the ground excavation.

구조모델을 이용한 암석의 유효열전도도 분석

차장환,구민호,김영석,이영민,Cha, Jang-Hwan,Koo, Min-Ho,Keehm, Young-Seuk,Lee, Young-Min 대한자원환경지질학회 2011 자원환경지질 Vol.44 No.2

For 21 rock samples consisting of granite, sandstone and the effective thermal conductivity (TC) was measured with the LFA-447 Nanoflash, and mineralogical compositions were also determined from XRD analysis. The structural models were used to examine the effects of quartz content and the size of minerals on TC of rocks. The experimental results showed that TC of rocks was strongly related to quartz content with $R^2$ value of 0.75. Therefore, the proposed regression model can be a useful tool for an approximate estimation of TC only from quartz content. Some samples with similar values of quartz content, however, illustrated great differences in TC, presumably caused by differences in the size of minerals. An analysis from structural models showed that TC of rocks with fine-grained minerals was likely to fall in the region between Series and EMT model, and it moved up to ME and Parallel model as the size of minerals increased. This progressive change of structural models implies that change of TC depending on the size of minerals is possibly related to the scale of experiments; TC was measured from a disk sample with a thickness of 3 mm. Therefore, in case of measurements with a thin sample, TC can be overestimated as compared to the real value in the field scale. The experimental data illustrated that the scale effect was more pronounced for rocks with bigger size of minerals. Thus, it is worthwhile to remember that using a measured TC as a representative value for the real field can be misleading when applied to many geothermal problems. 화강암, 사암, 편마암으로 구성된 21개 암석시료를 대상으로 열전도도를 측정하고, XRD 정량분석을 통해 구성광물의 조성을 파악하였으며, 구조모델 이용하여 석영 함량 및 광물입자의 크기가 암석의 유효열전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 측정된 열전도도는 석영 함량과 높은 상관성을 보여 ($R^2=0.75$), 석영 함량으로부터 열전도도를 추정할 수 있는 선형회귀모형을 제시하였다. 화강암 및 변성암 일부 시료의 경우 유사한 석영 함량에도 불구하고 열전도도가 크게 다른 값을 보였는데, 이는 주로 광물업자의 크기 변화와 관련이 있는 것으로 나타났다. 구조모델을 통한 분석 결과 입자의 크기가 작은 경우 열전도도는 scries와 EMT모델의 중간 영역에 해당하는 값을 보이며, 입자가 커지면서 EMT모델, ME모델을 거쳐 Parallel모델에 근접하게 변화하였다. 이러한 열전달 구조모델의 변화는 입자의 크기에 따른 열전도도 변화가 3 mm 두께의 원반시편을 이용하는 실험 규모와 관련이 있음을 시사한다. 즉, 얇은 원반 시료를 이용하여 암석의 열전도도를 측정할 경우 규모효과에 의하여 실제 지반의 값보다 과대평가될 가능성이 높으며, 특히 광물 입자의 크기가 클수록 이러한 오차는 더 커질 것으로 예상된다. 따라서 지열과 관련된 다양한 해석 모델에서 실험실 측정값을 실제 현장규모에서의 대표값으로 사용할 경우 모델의 예측 신뢰도에 영향을 줄 수 있는 요인으로 작용할 수 있다.

포화-불포화 다공성 매질의 유동 해석모형(SEEFLOW3D) 개발

차장환,이재영 대한지질공학회 2017 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2017 No.1

Ab initio study of adsorption behaviors of molecular adsorbates on the surface and at the edge of MoS2

차장환,민경아,성동철,홍석륜 한국물리학회 2018 Current Applied Physics Vol.18 No.9

Two dimensional (2D) semiconducting materials such as MoS2 have been actively investigated for their applications in nanodevices and gas sensors (or detectors). In this connection, we have investigated atomic and electronic structures of specific adsorbates on the surface of MoS2 and the edge of MoS2 armchair nanoribbons (ANRs) using density functional theory (DFT) calculations. Our calculations reveal that molecular adsorbates are well adsorbed at the edge of MoS2 than on the surface of MoS2. Despite the weak van der Waals (vdW) interaction between molecular adsorbates and MoS2 surface, paramagnetic molecules such as NO and NO2 induce the reduced band gap in MoS2 by making the states within the bandgap. On the other hand, adsorbed CO, NO, NO2, and O2 at the edge of MoS2 ANRs have much influence on the band structures of MoS2 ANRs via dissociation into their constituent atoms, while adsorbed CO2, NH3, H2, and N2 at the edge of MoS2 ANRs do not much change the band structure of MoS2 ANRs due to no dissociation. Further, we identify that dissociated molecules rearrange the charge densities of MoS2 ANRs by making the states within the bandgap.

포화도에 따른 다공성 매질의 유효열전도도 변화 예측 모델

차장환,구민호,김영석 한국지구과학회 2011 한국지구과학회지 Vol.32 No.6

Based on Maxwell-Eucken(ME) model, which is one of structural models, a new model for predicting the effective thermal conductivity of variably saturated porous materials is proposed. The new model is a linear combination of three ME models having matrix, water, and air as a continuous phase. The coefficient of the corresponding linear equation is defined by a parameter referred to as ‘the continuity coefficient’, which provides a relative degree of continuity of each phase. The continuity coefficient of matrix is assumed to be linearly proportional to porosity. The model can be linear or nonlinear depending on how the continuity coefficients of water and air vary with water saturation. The feasibility of the proposed model was examined by both numerical and experimental results. Both linear and nonlinear models showed a high accuracy of prediction with R 2values of 0.86-0.98 and 0.88-0.99, respectively. The numerical and experimental results also showed that the continuity coefficient of matrix was linearly proportional to porosity. Therefore, the proposed prediction model can be effectively used to estimate effective thermal conductivity of unsaturated porous materials by measuring porosity, water content and mineralogical compositions of matrix. 구조모델의 하나인 Maxwell-Eucken(ME) 모델을 이용하여 불포화 다공성 매질의 유효열전도도를 예측할 수 있는 새로운 모델을 제시하였다. 제시된 모델은 기질, 물 그리고 공기가 각각 연속상으로 존재하는 경우에 해당하는 3개ME모델의 선형조합으로 표현되며, 매질 내에서 각 성분의 상대적 연속성 정도를 나타내는 ‘연속성계수’의 개념을 도입하여 선형방정식의 계수로 이용하였다. 기질의 연속성계수는 공극률과 선형의 관계를, 물과 공기의 연속성계수는 포화도와 선형 또는 비선형의 관계를 갖는 것으로 가정하였다. 공극구조가 알려진 3개 시료에 대한 열전달 모사 결과와 3개 시료의 열전도도 실험 결과를 이용하여 제시된 모델의 신뢰성을 평가하였다. 6개 시료에 대한 모델 예측값의 결정계수(R 2)는 선형모델의 경우 0.86-0.98, 비선형모델의 경우 0.88-0.99로 나타나 모델의 예측 신뢰도가 매우 높은 것으로분석되었다. 또한, 6개 시료에 대한 분석 결과를 이용하여 기질의 연속성계수와 공극률과의 관계식을 제시하였다. 따라서 본 예측모델은 기질의 열전도도, 공극률 및 포화도로부터 불포화 다공성 매질의 유효열전도도를 계산하는 데 이용될수 있다.

토양의 공극률 및 함수비가 열전도도에 미치는 영향

차장환,안선준,구민호,김형찬,송윤호,서명석,Cha, Jang-Hwan,An, Sun-Joon,Koo, Min-Ho,Kim, Hyoung-Chan,Song, Yoon-Ho,Suh, Myoung-Seok 한국지하수토양환경학회 2008 지하수토양환경 Vol.13 No.3

국내 16개 기상관측소에서 채취한 토양 시료에 대한 물성 실험을 통하여 토양의 공극률, 함수비, 밀도 및 입도 분포특성이 열전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 상관성 분석결과 열전도도는 공극률이 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성을 보이며 함수비가 증가함에 따라 증가하는 정의 상관성을 갖는다. 입도 분포 특성에 의한 열전도도의 변화는 미비하며 토양 입자 밀도가 클수록 열전도도가 다소 증가하는 경향을 보였다. 건조 토양의 경우 동일한 공극률에서도 열전도도의 차이가 크게 나타났다. 실험 자료를 이용하여 열전도도에 주된 영향을 미치는 공극률과 함수비를 변수로 하는 다중선형회귀모형 및 비선형회귀모형을 제시하였으며, 회귀모형의 결정계수는 각각 0.74 및 0.82로 높게 나타났다. 따라서 본 연구 결과는 공극률과 함수비를 측정하여 토양의 열전도도를 예측하는데 이용될 수 있다. This paper presents a comprehensive laboratory study that examines the effects of porosity, water content, density and grain size distribution on the thermal conductivity of soils which were sampled from 16 synoptic stations of Korea. The experimental results clearly demonstrate that porosity and water content are important parameters which strongly affect the thermal conductivity of soils. Soils with lower porosities and higher water contents have higher thermal conductivities. On the contrary, increase of the matrix density slightly increases the thermal conductivity, and grain size distribution hardly affects the thermal conductivity. Dry soils with the same porosity tend to have more scattered values of thermal conductivity than wet soils. Based on the experimental results, a multiple linear regression model and a nonlinear regression model, having two regression variables of porosity and water content, were presented to predict thermal conductivity. Both models show a high accuracy of prediction with $R^2$ values of 0.74 and 0.82, respectively. Thus, it is expected that the suggested empirical models can be used for predicting thermal conductivity of soils by measuring porosity and water content.

지하수 변동에 따른 지반침하 예측 기법 개발

차장환,이재영,김병찬 대한지질공학회 2018 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2018 No.2

Van der Waals Density Functional Theory Study of Molecular Adsorbates on MoX2(X = S, Se or Te)

차장환,성동철,민경아,홍석륜 한국물리학회 2018 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.73 No.1

We have investigated binding properties between molecular adsorbates and transition metal dichalcogenide (TMD) such as MoS2, MoSe2, and MoTe2 using density functional theory (DFT) calculations with various van der Waals (vdW) functionals. It is found that calculated lattice parameters of MoX2 (X = S, Se, or Te) obtained by the vdW functionals give the relative errors of up to ±5% with respect to the experimental values. Depending on the binding behaviors of molecular adsorbates on MoX2 surface, the vdW functionals can be classified into three group; (1) DFT-D2, DFT-D3, DFT-D3(BJ), DFT-TS, and optB86b-vdW, (2) DFT-TS-SCS, and (3) optB88- vdW, optPBE-vdW, revPBE-vdW, and rPW86-vdW2 functionals. Moreover, we find that the optPBE-vdW functionals show relatively large binding energies, while DFT-TS-SCS functionals show relatively small binding energies between molecular adsorbates and MoX2.

지하수 변동특성을 고려한 지반변형 해석기법

차장환,이재영,김병찬,백용 한국지반신소재학회 2019 한국지반신소재학회지 Vol.18 No.3