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장애물 주위의 비뉴턴 유체의 유동특성에 관한 수치적 연구
NUMERICAL STUDY ON THE CHARACTERISTICS OF NON-NEWTONIAN FLUID FLOW OVER OBSTACLE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.19 no.4 = no.67, 2014년, pp.61 - 67  

김형민 (경기대학교 기계시스템공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since the most of the existing non-Newtonian models are not adequate to apply to the lattmce Boltzmann method, it is a challenging task from both the theoretical and the numerical points of view. In this research the hydro-kinetic model was modified and applied to the 3-D moving sphere in the circul...

주제어

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문제 정의

  • 하지만 유동장에서 국소변형률로 부터 격자점에서 완화시간을 계산하고 이를 충돌과정에 적용하는 과정에서 강한 국소변형률에 따라 격자 볼쯔만법의 해석이 불안정해지는 문제가 야기되기 때문에 유동문제에 따라 안정적인 해석결과를 얻기 위한 적절한 제한 조건을 제시할 필요가 있다. 따라서 이 연구에서는 기존의 HK-모델을 수정하여 원형관 내에서 구형 물체가 이동할 때 HK-모델 유체의 3차원 유동특성을 분석하고 이 분석결과를 통해 HK-모델을 장애물 주위의 유동해석에서 안정적인 해석결과를 확보할 수 있는 제한조건을 제시한다.
  • 이 연구는 원형 실린더 내에 위치한 구형의 장애물이 일정한 속도로 이동하고 있을 때 이 장애물과 장애물 주위 유동을 모사하는 것이다. 하지만 격자 볼쯔만법을 이용한 해석에서 기본적인 계산영역의 형태는 육면체로 고정되어 있어 원형실린더 형태의 계산영역을 구현하기 위해서 육면체형상의 기본 계산영역에 내접하는 삼각형 형태의 표면격자로 구성된 원형실린더 형상의 가상벽면을 설정하고 이 벽면을 따라 3차원 곡면경계처리법을 적용하여 원형실린더 형상의 계산영역을 구성하였으며 이 곡면에 일정한 속도 조건을 적용하였다.
  • 또한 이 모델은 국소 전단변형률과 완환시간과의 직접적인 관계를 나타내고 있어 격자 볼쯔만법에 적용이 용이하다는 장점이 있는 반면에 국소변형률이 강한 유동장에서 완화시간이 급격하게 변화하는 특성 때문에 적용하는 문제에 따라 해석 안정성을 확보하기 위한 제한 조건이 요구된다. 이 연구에서는 구형의 물체가 원형 실린더 안에서 일정한 속도로 이동할 때 실린더의 차단율(B)과 레이놀즈 수(Re), HK-모델의 인수 I의 변화에 따른 장애물의 항력 (CD) 그리고 구형장애물 후류에 형성되는 와류영역의 길이 (Lx)변화를 중심으로 HK-모델의 유동특성을 분석한 결과를 통해서 HK모델을 적용한 격자 볼쯔만 해석의 해석 안정성을 확보하기 위한 제한 조건을 제시하기 위하여 Fig. 1과 같이 계산영역을 설정하였다.
  • 이 연구에서는 원형실린더 내에 구형 이동 물체가 일정한 속도로 이동할 때 HK-모델을 적용한 유체의 유동특성을 분석하고 또한 안정적인 해석을 위한 Γ의 조건을 제시하는데 목적을 두고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
격자 볼쯔만법이 마이크로 영역까지 그 물리적 현상의 수치모사할 수 있는 이유는 무엇인가? 이 해석법은 유한체적 및 유한요소법을 적용하여 얻은 이산화방정식의 해를 구하는 일반적인 유동해석 방법과 달리 확률적분포함수를 격자점에서 미리 정해놓은 방향으로 그 함수값을 이동시키는 스트리밍 과정과 충돌 과정의 반복적 계산을 통해 분포함수의 확률적 분포를 해석하는 방법으로, 다른 유동해석방법에 비해 상대적으로 코드작성과 병렬계산에 유리하다는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 격자 볼쯔만법은 눗센수가 0.01보다 큰 마이크로 영역까지 해석이 가능한 다중계 해석법으로 알려져 있어 이 해석법에 적용이 가능한 다중물리현상 모델의 개발을 통해 마이크로 영역까지 그 물리적 현상의 수치모사를 가능하게 하고 있다.
격자 볼쯔만법이란 무엇인가? 다중영역의 해석능력을 가지고 있는 새로운 유동해석법인 격자 볼쯔만법은 (Lattice Boltzmann Method)이 소개된 1988년 이래로 그 활용영역과 해석정밀도를 검증하기 위한 연구[1-3] 이루어지고 있다. 이 해석법은 유한체적 및 유한요소법을 적용하여 얻은 이산화방정식의 해를 구하는 일반적인 유동해석 방법과 달리 확률적분포함수를 격자점에서 미리 정해놓은 방향으로 그 함수값을 이동시키는 스트리밍 과정과 충돌 과정의 반복적 계산을 통해 분포함수의 확률적 분포를 해석하는 방법으로, 다른 유동해석방법에 비해 상대적으로 코드작성과 병렬계산에 유리하다는 장점을 가지고 있다.
격자 볼쯔만법의 해석과정과 장점은 무엇인가? 다중영역의 해석능력을 가지고 있는 새로운 유동해석법인 격자 볼쯔만법은 (Lattice Boltzmann Method)이 소개된 1988년 이래로 그 활용영역과 해석정밀도를 검증하기 위한 연구[1-3] 이루어지고 있다. 이 해석법은 유한체적 및 유한요소법을 적용하여 얻은 이산화방정식의 해를 구하는 일반적인 유동해석 방법과 달리 확률적분포함수를 격자점에서 미리 정해놓은 방향으로 그 함수값을 이동시키는 스트리밍 과정과 충돌 과정의 반복적 계산을 통해 분포함수의 확률적 분포를 해석하는 방법으로, 다른 유동해석방법에 비해 상대적으로 코드작성과 병렬계산에 유리하다는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 격자 볼쯔만법은 눗센수가 0.
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참고문헌 (16)

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  6. 2002, McKinley, G.H., "Steady and transient motion of spherical particles in viscoelastic liquids," Transport prcesses in Bubble, Drops, and Particles, Chapter.14, pp.338-375. 

  7. 1973, Adachi, K., Yoshioka, N. and Yamamoto, K., "On non-Newtonian flow past a sphere," Chem. Eng. Sci., Vol.28, pp.2033-2043. 

  8. Adachi, K., Yoshioka, N. and Sakai, K., "An investigation of non-Newtonian flow past a sphere," J. Non-Newtonian Fluid Mech., Vol.3, pp.107-125. 

  9. 1994, Tripathi, A., Chhabra, R.P. and Sundararajan, T., "Power-law fluid flow over spheroidal particles," Ing. Eng. Chen. Res, Vol.33, pp.403-410. 

  10. 1994, Graham, D.I. and Jones, T.E.R., "Settling and transport of spherical particles in power law fluids at finite Reynolds number," J. Non-Newtonian Fluid Mech, Vol.54, pp.465-488. 

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  12. 2010, Zhang, J.F., "Lattice Boltzmann method for microfluidics: models and applications," Microfluidics and Nanofluidics, Vol.10, pp.1-28. 

  13. 2006, Yakhot, V., Wanderer, J. and Chen, H., "Generalized Boltzmann equation : Slip-no-slip dynamic transition in flows of strongly non-linear fluids," Physica A, Vol.362, pp.146-150. 

  14. 2006, Kim, W.T., Chen, H. and Jhon, M.S., "Viscoelastic liquid bearing modeling via Lattice Boltzmann method," J. App. Phys., Vol.99, 08N106. 

  15. 2011, Kim, H.M., Kang J.H. and Jhon, M.S., "Hydro-kinetic approach in non-Newtonian Lattice Boltzmann flow simulation," JKPS, Vol.58. No.3, pp.444-447. 

  16. 1997, Zou, Q. and He, X., "On pressure and velocity boundary conditions for the Lattice Boltzmann BGK model," Phys. Fluids, Vol.9, No.6, pp.1591-1598. 

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