유동 가시화 실험

01 — How it works

내부는 보이지 않습니다

원자로 노심은 수천 개의 연료봉과 지지 구조물이 빽빽하게 들어찬 공간입니다. 금속이라 빛이 통과하지 않아 안에서 무슨 일이 일어나는지 밖에서는 알 수 없습니다. 탐침을 꽂아 넣으면 그 탐침 자체가 유동을 흐트러뜨려, 재려던 값이 아닌 다른 값을 재게 됩니다.

02 — How it works

투명한 축소 모형을 만듭니다

그래서 같은 형상을 투명하게 다시 만듭니다. 오래도록 아크릴을 깎아 썼지만, 깎아서는 만들 수 없는 형상이 많습니다. 나선으로 감긴 철선, 구형 연료가 쌓인 페블베드, 자이로이드 같은 것들입니다. 여기서 3D 프린팅이 들어옵니다. 빛이 통하는 수지로 뽑으면 깎을 수 없는 속까지 그대로 만들 수 있습니다. 그런데 물을 채우는 순간 다시 막힙니다. 물과 모형은 빛이 휘는 정도가 서로 다르기 때문입니다. 경계를 지날 때마다 빛이 꺾여서, 뒤쪽 구조물이 어긋나 보이거나 아예 가려집니다.

물 n ≈ 1.33, 아크릴 n ≈ 1.49, SLA 출력물 n ≈ 1.55. 이 차이가 상을 일그러뜨립니다.

03 — How it works

굴절률을 똑같이 맞춥니다

해법은 유체 쪽을 구조물에 맞추는 것입니다. 굴절률이 모형과 같아지도록 두 액체를 섞어 작동유체로 씁니다. 두 매질의 굴절률이 같아지면 경계에서 빛이 전혀 꺾이지 않고, 구조물은 마치 사라진 것처럼 투명해집니다. 가장 안쪽까지 왜곡 없이 들여다볼 수 있게 됩니다.

MIR(Matched Index of Refraction, 굴절률 정합). 벤질 벤조에이트와 이소프로필 미리스테이트를 섞어 n = 1.546 에 맞춥니다. 온도로도 미세하게 조정합니다.

04 — How it works

레이저로 한 단면만 밝힙니다

이제 어디를 볼지 정해야 합니다. 레이저 빔을 원통 렌즈에 통과시키면 종이처럼 얇은 빛의 면이 됩니다. 이 면이 지나는 단면에 있는 것만 밝게 보이고 나머지는 어둡습니다. 3차원 공간에서 관심 있는 2차원 평면 하나를 잘라내는 셈입니다.

시트 두께는 보통 1 mm 안팎입니다.

05 — How it works

입자를 뿌리고 두 장을 찍습니다

유체 자체는 투명해서 움직임이 보이지 않습니다. 그래서 유체와 밀도가 거의 같은 미세 입자를 섞습니다. 가벼워서 유체를 그대로 따라 움직입니다. 아주 짧은 간격을 두고 사진 두 장을 찍은 뒤, 화면을 작은 격자로 나눠 각 칸의 입자 무리가 어느 방향으로 얼마나 옮겨갔는지 통계적으로 찾아냅니다. 이동 거리를 시간 간격으로 나누면 그 지점의 속도입니다.

PIV(Particle Image Velocimetry, 입자 영상 유속계). 두 장 사이 간격 Δt 는 수십 마이크로초 수준입니다.

06 — How it works

같은 빛으로 온도와 농도까지

레이저 시트를 이미 깔아 두었으니, 같은 빛으로 하나를 더 볼 수 있습니다. 유체에 형광 물질을 아주 조금 풀어 두면, 레이저를 맞은 자리에서 원래 색과 다른 색의 빛을 냅니다. 그 빛의 세기는 형광 물질이 얼마나 있는지와 그 자리가 몇 도인지에 따라 달라집니다. 그래서 세기를 읽으면 속도가 아니라 농도장이나 온도장이 나옵니다. 입자로는 '얼마나 빨리'를, 형광으로는 '얼마나 섞였나·얼마나 뜨거운가'를 같은 단면에서 동시에 봅니다.

PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence, 평면 레이저 유도 형광). 형광은 레이저와 색이 다르므로 필터로 갈라 카메라 두 대가 각각 받습니다.

07 — How it works

해석 결과와 겹쳐 봅니다

이렇게 얻은 속도장을 같은 조건으로 돌린 CFD 결과와 같은 위치에서 비교합니다. 두 결과가 잘 맞는 구간에서는 해석을 믿고 설계에 쓸 수 있습니다. 어긋나는 구간이 중요합니다. 그곳이 바로 지금의 난류 모델이 설명하지 못하는 영역이고, 다음 연구가 시작되는 지점입니다.

이렇게 맞대어 본 사례 — 와이어랩 19봉 다발과 RANS 해석(2020), 나선형 십자 연료와 CFD(2025).