【목적】 기공률이 높고 다공 구조 및 다양한 셀 구조를 가진 거품 세라믹은 버너에서 열전달과 물질전달을 강화하고 희박 연소 한계를 확장할 수 있다. 하지만 무작위 기공 구조에서 발생하는 미세 유동장은 연료-공기 혼합 효율과 화염 안정성에 직접적으로 영향을 주며, 전통적 모델로는 예측이 어려워 꼬리흐름 난류 유동장을 정밀 예측할 수 있는 모델이 절실하다. 【방법】 이를 위해 Voronoi 알고리즘 기반의 무작위 거품 세라믹 구조와 대와류 시뮬레이션(LES)을 결합하여 기공 미세규모 난류를 연구하고, 다양한 입구 유속(10~100 m/s) 조건에서 유동장 구조와 와류 진화 특성을 중점 분석하는 기공 미세규모 난류 유동의 수치 해석 연구를 체계적으로 수행하였다. 【결과】 입구 속도가 증가함에 따라 유동은 점성 지배에서 관성 지배로 점차 전환되며, 와류량이 크게 증가하고 고와류 영역이 골격 후측과 기공 목 부분 등 기하학적 변이 구간에 집중된다; 난류 운동에너지 최대값은 조건 1(입구 속도 10 m/s)에서 120.84 m2/s2에서 조건 4(입구 속도 100 m/s)에서는 12,049.28 m2/s2로 약 100배 증가하였다. Q 기준을 기반으로 한 와류 구조 분석은 무작위 기공이 유동 이방성을 유발하며, 와류핵의 높은 회전 강도가 국부 소산을 주도하고 기공 연결성과 관련되어 있음을 나타낸다. 다중 스케일 와류 구조의 협동 작용으로 형성된 난류 에너지 캐스케이드와 와류핵 고회전 강도가 주도하는 국부 소산은 연소 반응 과정을 협동 조절한다. 【결론】 Voronoi-LES 결합 기법을 이용한 무작위 거품 세라믹 모델링을 통해 기공 미세규모에서 와류 구조의 생성, 진화 및 소산 규칙을 효과적으로 포착하여 기공 미세규모 난류-화학 반응 결합 메커니즘을 밝히는 새로운 관점을 제공하며, 거품 세라믹 버너 설계 최적화, 저탄소 발전 효율 향상 및 오염물 배출 저감에 중요한 공학적 의의를 가진다.

거품 세라믹;기공 미세규모;대와류 시뮬레이션;Voronoi 알고리즘;Q 기준