[논문]사각 및 원형 팁의 횡운동에 의한 물 메니스커스 형상변화에 관한 연구

김상선; 손성완; 하만영; 윤현식; 김형락

doi:10.6110/kjacr.2011.23.12.843

[국내논문] 사각 및 원형 팁의 횡운동에 의한 물 메니스커스 형상변화에 관한 연구
Study on a Shape Deformation of Water Meniscus for the Rectangular and Circular Tips Moving Horizontally 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.23 no.12, 2011년, pp.843 - 851

김상선 (부산대학교 기계공학부) , 손성완 (부산대학교 기계공학부) , 하만영 (부산대학교 기계공학부) , 윤현식 (부산대학교 첨단조선공학 연구센터) , 김형락 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A two-dimensional immiscible water meniscus deformation phenomena on a moving tip in a channel has been investigated by using lattice Boltzmann method involving two-phase model. We studied the behavior of a water meniscus between the tip and a solid surface. The contact angles of the tip and a solid surface considered are in the range from $10^{\circ}$ to $170^{\circ}$. The velocity of the tip used in the study are 0.01, 0.001, and 0.0001. The shapes of tip considered are rectangular and circular. The behavior of water confined between the tip and a solid surface depends on the contact angles of the tip and a solid surface, and the tip velocity. When the tip is moving, we can observe the various behaviors of shear deformation of a water meniscus. As time goes on, the behavior of a water meniscus can be classified into three different patterns which are separated from the tip or adhered to the tip or sticked to a solid surface according to the contact angles and the tip velocity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

,⁽²⁾ Gu et al.⁽³⁾은 정지된 상태에서 고체 표면(solid surface) 위의 액적이 퍼지는 현상에 대한 수치적 연구를 수행하였다. Bayer et al.
본 연구에서는 다양한 접촉각을 가지는 평평한 바닥면과 사각형 및 원형의 팁 사이에 존재하는 물 메니스커스의 형상 특성과 팁의 운동에 따른 물 메니스커스의 동적 거동 현상을 분석하였다. 본 연구에서 고려된 팁의 형상, 팁의 속도(U), 바닥면의 접촉각(Θ₁)과 팁의 접촉각(Θ₂) 변화에 대한 물 메니스커스의 동적 거동 특성은 다음과 같이 요약된다.
본 연구에서는 접촉각을 가지는 평평한 바닥과 사각형 및 원형 형상을 가지는 팁 사이에 존재하는 물 메니스커스의 형상 특성을 규명하고, 또한 팁의 이동에 따른 물 메니스커스의 동적 거동 특성을 연구하였다.

제안 방법

(1) 팁이 정지하고 있을 때, 바닥면의 접촉각과 팁의 접촉각 변화에 따라 물 메니스커스는 다양한 형상을 가지며, 본 논문에서는 상경계면의 형상에 따라 7가지 형태로 분류하였다.
경계가 운동하는 경우에 대한 코드의 검증을 위하여 두 평행한 평판 사이에서 하나의 평판은 고정되어 있고, 다른 평판이 일정한 속도(U)로 움직이는 Couette 유동을 해석하였다. 이러한 Couette 유동의 속도 분포에 대한 엄밀해는 식(13)과 같이 표현된다.

대상 데이터

는 각각 단일 완화 시간(single relaxation time), 평형 밀도 분포 함수(equilibrium density distribution function)를 나타낸다. 본 연구에 사용한 격자는 Fig. 2에 나타낸 D2Q9 모델이며, 이러한 격자 모델을 적용하는 경우에는 식(5)과 같은 평형 밀도 분포 함수를 사용한다.

데이터처리

⁽¹²⁾은 경사 또는 힘이 존재할 경우 고체 표면위에서 운동하는 액적의 운동특성에 관한 수치적 연구를 수행하였고, 수치해석 결과를 Sikalo et al.⁽¹³⁾의 실험적 결과와 비교하였다.

이론/모형

유동을 해석하기 위해서 Gunstensen(15) 제안하고, Wu et al.(16)이 발전시킨 모델을 사용하였다. 2상 유동을 표현하기 위해서는 물질의 밀도나 속도에 영향을 주는 여러 가지 변수를 고려하여야 한다.
여기서 u, p, ρf , ν, f는 각각 유체의 속도(velocity), 압력(pressure), 유체 밀도(fluid density), 동점성 계수(kinematic viscosity), 그리고 외력(external force)을 나타낸다. 본 연구에서는 사각 및 원형 팁의 횡운동에 의한 물 메니스커스의 거동을 모사하기 위해서 격자 볼츠만 법(lattice boltzmann method：LBM)을 사용하였다. 식(3)은 LBM의 지배 방정식이며, 볼츠만 방정식(Boltzmann equation)에 기원을 두고 있는 격자 BGK 방정식(lattice Bhatnager-Gross-Krook equation)이다.

성능/효과

(2) 팁이 정지하고 있을 때, 팁의 형상 변화에 따라 평평한 바닥과 팁 사이에 형성되는 물 메니스커스의 특성은 바닥면의 접촉각이 일정한 경우, 팁의 접촉각이 90° 이하일 때 RB* , RC*는 사각형 형상이 원형 형상보다 크다.
(3) 팁이 일정한 속도를 가지고 움직일 때, 바닥면 접촉각과 팁의 접촉각의 차이가 큰 경우, 즉 바닥면 및 팁과 물 메니스커스 사이의 표면 에너지 차이가 클 때, 물 메니스커스는 팁 또는 바닥면으로 붙는다. 반대로 바닥면 및 팁과 물 메니스커스의 표면 에너지 차이가 작을 때에는 물 메니스커스가 두 부분으로 분리된다.
(4) 바닥면과 팁의 여러 접촉각 조건에서, 팁 형상 변화에 따른 물 메니스커스의 분리 시간은 팁의 속도가 0.01과 0.001일 때 서로 비슷한 경향을 나타낸다. 하지만, 팁의 접촉각이 120°보다 작은 경우 사각형 형상의 팁이 빨리 분리되고, 120°보다 큰 경우는 원형 형상의 팁이 빨리 분리되는 특성을 나타낸다.
하지만, 팁의 접촉각이 120°보다 작은 경우 사각형 형상의 팁이 빨리 분리되고, 120°보다 큰 경우는 원형 형상의 팁이 빨리 분리되는 특성을 나타낸다. (5) 팁의 여러 속도 조건에서, 시간 변화에 따른 접촉 길이 비(B/B_o)는 U = 0.01인 경우 여러 단계에 걸쳐서 순차적으로 증가하고, U = 0.001일 때 접촉 길이 비는 증가하고, 물 메니스커스가 분리되고 난 후에 감소하다가 일정한 길이 비를 유지한다. U = 0.
0001일 때, 식(13)을 사용하여 계산한 엄밀해와 본 연구의 수치해석으로부터 구한 속도분포에 대한 비교 결과를 보여주고 있다. 본 연구에서 개발된 컴퓨터 코드를 사용하여 구한 수치해석 결과는 엄밀해와 아주 잘 일치하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다상유동이 적용되는 분야는?	다상유동은 화학, 항공, 환경 등 다양한 분야에서 적용된다. 비바람, 스모그, 눈보라와 같은 자연 현상에서부터 공기조화장치, 냉동장치, 담수화장치, 원자력 발전소의 각종 열교환기와 같은 산업분야에 이르기까지 여러 분야에서 중요한 비중을 차지하여 많은 연구자들의 관심을 끌어왔다.
	팁이 정지하고 있을 때 물 메니스커스는 무엇에 따라 다양한 형상을 가지는가?	(1) 팁이 정지하고 있을 때, 바닥면의 접촉각과 팁의 접촉각 변화에 따라 물 메니스커스는 다양한 형상을 가지며, 본 논문에서는 상경계면의 형상에 따라 7가지 형태로 분류하였다.
	다상유동은 어느 분야에서 중요한 비중을 차지하여 많은 연구자들의 관심을 끌어왔는가?	다상유동은 화학, 항공, 환경 등 다양한 분야에서 적용된다. 비바람, 스모그, 눈보라와 같은 자연 현상에서부터 공기조화장치, 냉동장치, 담수화장치, 원자력 발전소의 각종 열교환기와 같은 산업분야에 이르기까지 여러 분야에서 중요한 비중을 차지하여 많은 연구자들의 관심을 끌어왔다. 특히 액적(droplet)의 거동에 관한 연구는 마이크로․나노 기술의 발달과 함께 실험적으로 또는 수치해석 기법 등을 활용하여 진행되어 왔다.

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