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연구보고서 기본정보

복잡유체의 교반연구: 카오스 교반과 탄성난류

연구보고서 개요

기관명, 공개여부, 사업명, 과제명, 과제고유번호, 보고서유형, 발행국가, 언어, 발행년월, 과제시작년도 순으로 구성된 표입니다.
기관명 NDSL
공개여부
사업명
과제명(한글)
과제명(영어)
과제고유번호
보고서유형 report
발행국가
언어
발행년월 2016-11-01
과제시작년도

연구보고서 개요

주관연구기관, 연구책임자, 주관부처, 사업관리기관, 내용, 목차, 초록, 원문URL, 첨부파일 순으로 구성된 표입니다.
주관연구기관 경상대학교
연구책임자
주관부처
사업관리기관
내용
목차
초록 본 연구는 고분자 용융액 및 솔루션, 입자현탁액, 슬러리, 액적계 등 유변학적 복잡유체의 교반유동연구와 교반기술 향상기법개발을 목표로 수행되었다. 복잡유체 교반은 화학, 고분자, 전자재료, 화장품, 식품, 페인트 등 산업전반에서 핵심적인 공정기술이지만, 복잡유체의 미세구조와 유동간의 상호작용에 의해 고점성, 전단담화 및 항복응력 등 유변학적 물성에 의해 교반성능이 현격하게 제한된다. 본 과제는 이러한 기술적 문제에 대해 유체역학, 유변학 및 비선형동역학(카오스) 이론의 학문적 접근을 통해 유동현상을 규명하고 해결책을 제시하고자 수행되었으며, 연차별로는 다음과 같이 진행되었다. 1차년도에는 항복응력을 가진 점소성 유체의 비항복영역 예측을 위한 실험과 시뮬레이션을 및 능동유동제어를 위해 미세패턴을 적용할 경우에 대해 유효미끄럼 Navier-Slip 텐서에 대한 연구를 진행하였다. 2차년도에는 미세패턴을 이용한 교반성능향상기법에 대한 연구와 복잡유체 교반기 유동의 정량화(에너지소산율 및 점도)를 수행하였으며, 마지막 3차년도에는 산업적 적용을 위해 복잡유체에 대한 앵커임펠러 유동해석 및 시뮬레이션 수행, 미세패턴을 이용한 튜브믹서 교반성능향상에 대해 연구하고, 추가적으로 일반적인 입구와 출구가 있는 복잡유체 연속유동장의 정량화 연구를 수행하였다. 본 연구의 주요성과는 다음과 같이 정리될 수 있다. ㅇ 미세패턴을 이용한 국부적 유동제어의 유효슬립텐서 모델링과 이를 이용한 교반성능향상(세계최초): 층류영역의 복잡유체의 교반에서 벽면유동특성을 조절하는 방법으로 미세패턴을 주어 '유효슬립'(effective slip)을 일으켜 유동패턴의 변화로 교반성능의 향상을 이룰 수 있다. 본 연구에서는 세계최초로 미세패턴의 효과를 텐서형 Navier-slip으로 모델링하고, 쉽게 수치해석하는 기법을 개발하였으며, 실험적으로 낮은 레이놀즈 수의 고점도 유동에서 매우 효과적으로 유동제어가 가능함을 보였다. 연구 결과는 미국 화학공학회지(AIChE Journal)에 게재되었고, 4건의 국내특허출원 및 1건의 국내특허 등록하는 성과를 올렸다. ㅇ 복잡유체 교반의 유동 및 교반성능해석을 위한 플랫폼 개발: 고립혼합영역(isolated mixing region), 비항복영역(unyield region), 레이놀즈 수에 따른 에너지소산율 특성, 교반기에서 토크측정을 통한 in-situ 점도측정 등 유변학적 복잡유체의 교반에서 주요한 연구를 수행하기 위해 이론적, 실험적 및 수치해석적 플랫폼을 구축하였다. 이는 COMSOL기반의 복잡유체 유동해석, 임펠러 토크측정, 푸앙카레단면, 레이저유도형광 등의 기법이 복합적으로 사용되며, 이를 통해 다양한 임펠러에서의 점소성 유체에서 비항복영역 예측, 앵커임펠러의 교반성능향상 및 앵커임펠러 교반기의 점도측정 등의 연구를 수행하였다. ㅇ 에너지보존관점에서 일반화된 연속적 유동장 정량화 기법개발: 복잡유체 교반에 대한 연구를 통해 교반기에서 적용되는 에너지소산율 기반의 Metzner-Otto 기법과 유사하게 입구와 출구가 있는 일반적인 형상에 대해 공통적으로 적용되는 연속적 유동장의 정량화 기법(유효점도, 유효레이놀즈 수, 토출 특성 등)을 개발하였으며, 이 연구를 바탕으로 2016년 5월 한국연구재단 중견연구자과제(“유변학적 복잡유체 유동의 유효점도, 에너지소산 및 유량-압력강하에 대한 보편적 정량화 기법에 대한 연구”)에 선정되어 추가연구를 수행할 수 있는 기반을 마련하였다. ㅇ CHO세포손상제어를 위한 바이오리엑터 공정조건설정: CHO세포를 이용한 제약용 바이오리엑터에서 유동응력에 의한 세포손상응력 측정 및 세포손상방지를 위한 Sparger 설계 및 운용기법을 개발하였다. 이 연구를 통해 바이오시밀러 제조의 수율향상 및 고밀도 세포배양이 가능하게 하는 자체기술이 개발 되었으며, Lab on a Chip의 2016년 신년호 표지 논문으로 선정되었다. (아주대 김주민 교수 공동연구) 본 연구과제 수행을 통해 SCI급 논문 7편 게재, 국내특허 6건 출원(1건 등록), 국제학술대회 14회 발표, 국내학술대회 11건 발표 및 석사3명 배출(이동현, 장혜경, 보타인틴)을 수행하였으며 외의 추가적인 성과는 다음과 같다. ㅇ 수상실적 3회: 연구책임자, 장혜경/조해진 석사과정의 학회 및 학술대회 수상(국제학술대회 포함) ㅇ 교반기술협의회 운영: 교반기술강좌 개최(2013, 2014), 교반기술심포지움 개최(2016) ㅇ 국제학회 초청강연 2회: 2016년 일본화학공학회 초청강연 및 2016년 국제교반학회 초청강연 ㅇ 언론보도 2건: CHO세포 배양 바이오리엑터 공정조건설정 연구에 대한 조선일보 등 언론보도 및 조해진 군의 국제학술대회 우수논문상 수상관련 경남일보 보도 ㅇ 국제공동연구: 국제공동연구 3건(미국 델라웨어 대학, 스웨덴 Lulea 공대, 중국 강소대학) 및 해외학자 유치 3건(오사카 대학 Hirata 교수, 버밍햄 대학 Nienow 교수 및 룰레오 공대 Lundstrom 교수) (출처:요약문 3p)
원문URL http://click.ndsl.kr/servlet/OpenAPIDetailView?keyValue=03553784&target=REPORT&cn=TRKO201700014944
첨부파일

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