[논문]완전 비습윤 고체 표면 위 타원형 액적의 충돌 및 퍼짐 거동에 대한 수치적 연구

윤성찬

doi:10.6112/kscfe.2016.21.4.090

완전 비습윤 고체 표면 위 타원형 액적의 충돌 및 퍼짐 거동에 대한 수치적 연구
NUMERICAL ANALYSIS OF THE IMPACTING AND SPREADING DYNAMICS OF THE ELLIPSOIDAL DROP ON THE PERFECT NON-WETTING SOLID SURFACE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.21 no.4 = no.75, 2016년, pp.90 - 95

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Leidenfrost drops with ellipsoidal shaping can control the bouncing height by adjusting the aspect ratio(AR) of the shape at the moment of impact. In this work, we focus on the effect of the AR and the impact Weber number(We) on the non-axisymmetrical spreading dynamics of the drop, which plays an important role in the control of bouncing. To understand the impact dynamics, the numerical simulation is conducted for the ellipsoidal drop impact upon the perfect non-wetting solid surface by using volume of fluid method, which shows the characteristics of the spreading behavior in each principal axis. As the AR increases, the drop has a high degree of the alignment into one principal axis, which leads to the consequent suppression of bouncing height with shape oscillation. As the We increases, the maximum spreading diameters in the principal axes both increase whereas the contact time on the solid surface rarely depends on the impact velocity at the same AR. The comprehensive understanding of the ellipsoidal drop impact upon non-wetting surface will provide the way to control of drop deposition in applications, such as surface cleaning and spray cooling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 3차원 다상유동 해석을 도입하여 타원형 액적이 완전 비습윤 고체 표면과 충돌했을 때의 퍼짐 및 반동 거동을 조사하였다. 먼저 타원형 액적 퍼짐 거동을 이해하기 위하여 액적 단면에서의 속도 분포를 조사하였고, 비축대칭적인 퍼짐 특성을 알아보았다.
본 연구팀에서는 액적 형상을 기존 구형에서 타원형으로 바꾸어 충돌하였을 때, 반동을 조절할 수 있는 효과적인 액적침적 방법을 제안하였다[7]. 기존 구형 액적 충돌은 축대칭적인 충돌 거동으로 인하여 퍼짐 과정 동안 증가한 액적의 표면장력 에너지가 수축 과정 동안 운동에너지로 전환되고 이 에너지가 대칭 축(수직 축)으로 수렴하게 되어 반동이 강하게 일어나게 된다.
타원형 액적 충돌 거동을 수치적으로 해석하기 위하여 본 연구에서는 접촉각이 액체-기체-고체의 접촉선(contact line)의 속도와 관계없이 이상적으로 고정된 정적 접촉각 모델을 도입하였다. 같은 액적 충돌이 물리적, 화학적 불균일성이 존재하는 실제 표면 위에서 일어난다고 할 때 접촉선의 속도에 따라 달라지는 접촉각 이력 현상(contact angle hysteresis) 또는 동적 접촉각 조건을 고려해야 할 것으로 보인다.

제안 방법

라이덴프로스트 액적 충돌의 경우 기체층을 모델링하는 기존 연구들이 있으나, 본 연구에서는 이를 대신하여 정적 접촉각이 180도가 되도록 모델링하였고 기체층은 고려하지 않았다. 또한 본 연구에서는 기존 연구에서 실험적으로 관찰된 현상(필름균열 현상 등[9])을 피할 수 있는 충돌 속도 범위에서 해석을 진행하였다.
수치해석 방법으로 Volume of Fluid (VOF)를 이용하였고, 주 축에서의 퍼짐 거동을 조사하였다. 라이덴프로스트 액적 충돌의 경우 기체층을 모델링하는 기존 연구들이 있으나, 본 연구에서는 이를 대신하여 정적 접촉각이 180도가 되도록 모델링하였고 기체층은 고려하지 않았다. 또한 본 연구에서는 기존 연구에서 실험적으로 관찰된 현상(필름균열 현상 등[9])을 피할 수 있는 충돌 속도 범위에서 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 3차원 다상유동 해석을 도입하여 타원형 액적이 완전 비습윤 고체 표면과 충돌했을 때의 퍼짐 및 반동 거동을 조사하였다. 먼저 타원형 액적 퍼짐 거동을 이해하기 위하여 액적 단면에서의 속도 분포를 조사하였고, 비축대칭적인 퍼짐 특성을 알아보았다. 구형 액적과 비교하여 한 주 축으로의 퍼짐은 억제되고 다른 한 주 축으로의 퍼짐은 촉진되는 경향이 나타났다.
웨버 수는 관성력과 표면장력의 상대적인 비율이며, ρ는 액체 밀도, D₀ 액적 직경, V 충돌속도, γ 표면 장력이다. 본 연구에서는 웨버 수가 7 ~ 23이 되도록 충돌 속도를 변화시켰다. 액적 부피가 4 µl가 되도록 직경(D₀)은 1.
액적의 종횡비는 충돌 직전에 얻은 수평 단면 x-y 평면에서의 장축과 단축의 비이다(AR = b′/a′). 본 연구에서는 종횡비가 1.00 ~ 1.76이 되도록 초기 액적 형상을 도입하였다.
본 연구에서는 타원형 액적 종횡비와 충돌 속도가 퍼짐 현상에 미치는 영향에 초점을 맞추어 3차원 다상유동 수치해석을 진행하였다. 수치해석 방법으로 Volume of Fluid (VOF)를 이용하였고, 주 축에서의 퍼짐 거동을 조사하였다.
본 연구에서는 타원형 액적 종횡비와 충돌 속도가 퍼짐 현상에 미치는 영향에 초점을 맞추어 3차원 다상유동 수치해석을 진행하였다. 수치해석 방법으로 Volume of Fluid (VOF)를 이용하였고, 주 축에서의 퍼짐 거동을 조사하였다. 라이덴프로스트 액적 충돌의 경우 기체층을 모델링하는 기존 연구들이 있으나, 본 연구에서는 이를 대신하여 정적 접촉각이 180도가 되도록 모델링하였고 기체층은 고려하지 않았다.
점성 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 레이놀즈 수(Re = pD0V/μ)와 오네사지 수(Oh = μ/(ρD0\(\gamma \)1/2)를 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서 비압축성, 비정상, 3차원 다상유동을 해석하기 위하여 Volume of Fluid 방법을 적용하였다[11]. 본 모델에서 액체와 기체는 각각 상온에서의 물과 공기를 사용하였다. 이 모델에서 각 셀의 위상(Φ)을 0과 1의 값을 가지는 체적분율(volume fraction)으로 정의된 함수를 사용한다.

이론/모형

본 연구에서 비압축성, 비정상, 3차원 다상유동을 해석하기 위하여 Volume of Fluid 방법을 적용하였다[11]. 본 모델에서 액체와 기체는 각각 상온에서의 물과 공기를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 VOF 모델의 계면 곡률 정확성은 다른 다상유동 방법에 비해서 비교적 낮다고 알려져 있지만, 본질적으로 체적을 보존한다는 장점에서 액적 충돌 현상 해석에 적절하다고 볼 수 있다[12]. 본 연구의 해석 방법은 VOF를 이용한 고체 표면 위 액적 충돌 해석 관련 연구들을 기반으로 하여 진행하였다[13]. 연속 방정식 및 운동량 방정식은 식 (3)과 (4)로 각각 표현할 수 있다.

성능/효과

Fig. 4(a)와 4(b)의 해석 결과를 비교하여 보면, 같은 종횡비에서 충돌 웨버 수 증가함에 따라 주 축에서의 최대 퍼짐직경이 증가하고, 액적 정렬로부터 큰 진폭의 진동이 유도될 수 있지만, Fig. 3를 통해 알 수 있듯이 종횡비 1.5 이상에서 진동에 의한 반동 높이 억제 효과는 크지 않다는 것을 알 수 있다. 고속 충돌의 경우 효과적인 반동 높이 조절을 위하여 액적 종횡비 이외 다른 조절 변수가 필요할 것으로 보인다.
먼저 타원형 액적 퍼짐 거동을 이해하기 위하여 액적 단면에서의 속도 분포를 조사하였고, 비축대칭적인 퍼짐 특성을 알아보았다. 구형 액적과 비교하여 한 주 축으로의 퍼짐은 억제되고 다른 한 주 축으로의 퍼짐은 촉진되는 경향이 나타났다. 액적 종횡비가 커지면 액적 정렬 현상을 유도하였는데, 이것은 반동 억제에 중요한 역할을 하였다.
는 속도 벡터이다. 본 연구에서 사용한 VOF 모델의 계면 곡률 정확성은 다른 다상유동 방법에 비해서 비교적 낮다고 알려져 있지만, 본질적으로 체적을 보존한다는 장점에서 액적 충돌 현상 해석에 적절하다고 볼 수 있다[12]. 본 연구의 해석 방법은 VOF를 이용한 고체 표면 위 액적 충돌 해석 관련 연구들을 기반으로 하여 진행하였다[13].
고온으로 가열된 표면 위 구형 액적이 충돌할 때, 액적 진동이 반동에 영향을 줄 수 있다는 연구 결과가 있다[15]. 본 연구에서는 4.0 ms 부근의 액적 거동을 관찰했을 때, 반동 시점(detachment time)이 액적 진동 시점 보다 먼저 일어나는 것과, 반동 이후에 고체 표면에 접촉하지 않는다는 것을 확인하였다. 즉, 액적 진동이 반동에 미치는 영향이 거의 없을 것으로 판단된다.

후속연구

50 이상이 되면 그 값의 큰 변화가 없는 것으로 보고되었다[9]. 반동 높이 억제 메커니즘에 대한 추가적인 연구는 향후에 진행될 예정이다.
또한 같은 종횡비에서 액적 충돌 웨버 수가 커질수록 주 축에서의 최대 퍼짐 직경이 증가하였지만, 고체 표면 접촉 시간은 동일하게 유지되었다. 본 연구는 라이덴프로스트 액적 충돌과 초소수성 표면 충돌 등 비습윤 표면에서의 퍼짐 및 반동 역학을 이해하고 분무 냉각, 표면 세정 등의 분야에 응용될 수 있다.
이 이론식에 의한 접촉 시간은 τ∼(ρD₀³/\(\gamma\))^1/2으로 나타낼 수 있는데, 이 식은 충돌 속도와 무관하므로 해석 결과를 설명할 수 있을 것으로 보인다. 하지만 충돌 웨버 수에 따른 타원형액적의 접촉 시간에 대한 설명이 아직 부족하여 이에 대한 분석적인 연구가 더 필요할 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라이덴프로스트 현상은 무슨 현상인가?	가장 최근에 같은 방법을 이용하여 타원형 액적 충돌이 라이덴프로스트(Leidenfrost) 현상이 발생하는 고온(액체 끓는 점 이상의 온도)의 고체 표면 위에서 일어날 때, 반동 높이를 조절할 수 있다는 결과가 보고되었다[9]. 라이덴프로스트 현상은 액체와 고체 사이에 얇은 기체층이 형성되어, 액적과 고체표면의 직접적인 접촉이 억제되는 현상이다[10]. 기존 연구에서는 라이덴프로스트 현상이 발생하는 표면 위를 액적이 충돌할 때 반동 높이를 최대 60% 줄일 수 있다는 실험적 결과가 보고되었다[9].
	반동 현상이 초래할 수 있는 부작용은?	물방울과 같이 표면 장력이 비교적 큰 액적이 비습윤 고체 표면 위를 충돌할 때, 퍼짐과 수축 과정 후에 강하게 반동하는 경우를 흔히 관찰할 수 있다. 이러한 반동 현상은 농약 살포, 분무 냉각 등의 응용 분야에서 과도한 분무로 인한 재료 및 냉각수 손실, 분무 비용 증가, 독성 물질에 의한 환경오염 등의 부작용을 초래할 수 있다[4].
	반동 현상은 언제 관찰할 수 있는가?	액적과 고체 표면의 충돌 현상은 오랫동안 학문적으로 연구되어 온 주제로서 잉크젯 프린팅, 분무 코팅 등의 많은 산업 현장에서 중요하게 다뤄지고 있다[1-3]. 물방울과 같이 표면 장력이 비교적 큰 액적이 비습윤 고체 표면 위를 충돌할 때, 퍼짐과 수축 과정 후에 강하게 반동하는 경우를 흔히 관찰할 수 있다. 이러한 반동 현상은 농약 살포, 분무 냉각 등의 응용 분야에서 과도한 분무로 인한 재료 및 냉각수 손실, 분무 비용 증가, 독성 물질에 의한 환경오염 등의 부작용을 초래할 수 있다[4].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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