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문제 정의
- 형상을 최적화하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 tip의 수직이동거리에 따라 내부 체적이 변하기 때문에 분사 유량을 제어할 수 있음을 보조 챔버 내부유동을 해석하여 그 결과를 고찰하였다. 상용코드인 FLUENT를 이용하여 수치해석을 수행하였으며 박막의 수직이동에 따른 유동해석을 위해 DMM (Dynamic Mesh update Method) 기법을 사용하였다.
- 본 연구는 nano fountain-pen의 제작과 실험에 앞서 수치적인 연구를 수행함으로서 nano fountain-pen 의 내부 유동 특성을 분석하여 실제 분사가 이루어질 때, 박막 변형에 따른 분사량 제어 가능성을 파악하기 위한 연구이다. 가장 큰 관심 요소는 분사량이 박막의 변형에 따른 보조 챔버 내부체적의 변화에 따라 일정한 값을 유지하는 것이다.
가설 설정
- 3과 같이 박막이 양 끝에 고정되어 있으므로, tip과 표면사이의 반발력에 의해 curve형태로 변형한다⑸倒. 본 연구에서 tip의 이동 거리는 1〜2伽으로 제한하였으며, 박막이 복원되는 시간을 Isec로 가정하였다. 박막의 면적 (100x 100 伽2) 에 비해 tip의 수직 이동거리 (1〜2例)가 매우 작기 때문에 Fig.
- 본 연구에서 tip의 이동 거리는 1〜2伽으로 제한하였으며, 박막이 복원되는 시간을 Isec로 가정하였다. 박막의 면적 (100x 100 伽2) 에 비해 tip의 수직 이동거리 (1〜2例)가 매우 작기 때문에 Fig. 4와 같이 박막에 균일한 분포 하중이 발생하여 연직방향으로 일정 속도로 이동하는 것으로 가정하였다. 박막이 tip과 표면 사이의 반발력에 의해 변형한 상태에서 시작하여 박막이 복원되어 정지된 상태와 그 이후 3 sec 동안의 유동에 대한 해석을 수행하였다.
- 보조 챔버 내부는 비정상, 비압축성, 층류 유동으로 가정하였으며, reservoir에서 채널을 따라 모세관력 (capillary force)에 의해 일정한 유량으로 보조 챔버로유입된다. 박막의 수직 이동거리를 각각 1例과 2 例로 해석하였으며, 이동시간은 Isec로 동일하다고 가정하였다<7)이를 구현하기 위해 내부 유체에 해당하는 격자를 박막이 움직일 때마다 remeshing함으로서 동적인 과정에서의 유동해석이 가능한 DMM (Dynamic Mesh update Method)기법을 이용하였다.
- Tip이 표면에 닿았을 때 tip 의 수직이동거리가 1例과 2例인 두 가지 모델로 설정하여 수치해석한 결과, 각각 일정 시간동안 일정한 유속으로 분사됨을 알 수 있었다. 분사시간이 Isec로 짧은 원인은 박막의 복원력에 의해 원래 상태로 돌아오는 시간을 Isec로 가정하였기 때문이다. 보조 챔버 내부 체적 감소에 따라 분사시간 동안 일정한 유량이 분사되는 것을 확인할 수 있었으며, 복원시간을 증가시킴으로서 분사시간을 증가시킬 수 있다.
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