동토지역 안정화를 위한 열사이폰 기술 적용성의 수치해석적 평가

Abstract

최근 남극 과학기지의 건설에 대한 국민적 관심이 높아짐과 함께, 시베리아 및 알래스카 등지의 동토지역에 매장된 막대한 에너지 자원의 개발을 위한 건설 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 극지방에 건설되는 건축물의 내부 열이 바닥 기초를 통해 지반으로 전달됨에 따라, 동토지반의 교란과 열의 불균형이 야기되어 건물의 부등침하가 발생할 수 있는 문제점을 가지고 있다. 이러한 지반의 동결 및 융해로 인한 피해 사고를 방지하고자 동토지역 지반 안정화 기술의 일환으로 열사이폰(Thermosyphon) 기술이 사용되고 있지만, 우리나라는 아직 이에 대한 연구가 매우 미비한 실정이다. 본 연구에서는 열사이폰을 CFD(computational fluid dynamics) 해석을 통하여 모델링하였으며, 상용 유한체적해석 프로그램인 FLUENT를 이용하였다. 정밀한 모사를 위하여 핵심적으로 액체-기체 간의 상변화와 이에 수반되는 에너지의 변화를 모델에 적용하였다. 구축된 모델의 검증 결과, 다양한 내부의 합리적인 거동 모습들을 통해 수치적으로 구축된 열사이폰 모델이 실제의 가동 상황을 적절하게 모사하고 있음을 판단할 수 있었다. 구축된 모델은 지반과 함께 모델링되어 열사이폰의 성능과 지반 온도변화에 미치는 영향 등이 평가되었으며, 해석을 통해 궁극적으로 열사이폰의 작동효율과 관련된 열전달 계수(heat transfer coefficient)를 도출하였다. 성능에 영향을 미치는 인자를 규명하기 위하여 작동유체의 양, 증발부의 길이, 열사이폰이 설치된 대기의 온도 및 대류열전달 계수, 지반의 온도 분포 및 작동유체의 끓는점에 대한 포괄적인 매개변수 연구를 수행하였으며 각각 인자들의 영향도를 분석하였다. 분석결과 열사이폰의 열전달 계수는 다양한 변수들에 의해 변화하고, 특정 변수들에 대해서는 영향이 매우 크게 나타나기 때문에 추후 계획된 연구의 진행을 위해서는 본 연구에서 구축된 모델을 통한 정확한 열전달 계수의 도출이 우선시 되어야 할 것으로 판단되었다. 또한 본 연구에서 구축된 수치모델은 추후 열사이폰의 정밀 설계에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.