친수성/소수성 표면상에서 액적움직임의 수치해석적 예측 :Numerical Prediction of Droplet Movement on Hydrophilic/Hydrophobic Surfaces

권영후

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자료유형: 학위논문

저자정보: 권영후 (국민대학교, 國民大學敎大學院)

지도교수: 명현국

발행연도: 2015

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2015

친수성/소수성 표면상에서 액적움직임의 수치해석적 예측

권영후 機械工學科 2015.01 학위논문

2014

친수성/소수성 표면위에 놓인 구형 액적의 움직임에 관한 3차원 해석

권영후 , 명현국 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2014.11 학술대회자료

친수성/소수성 표면상에서 물 액적이송 메커니즘에 대한 3차원해석

권영후 , 명현국 대한기계학회 춘추학술대회 2014.05 학술대회자료

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최근 미소가공기술의 발전으로 마이크로 유체 시스템 개발에서 유체이송 기술은 핵심문제로 인식되고 있다. 이러한 마이크로 스케일 시스템에서는 표면장력이 관성력을 압도하는 주된 힘이 되므로, 표면장력에 의해 구동되는 유체작동에 대한 연구가 많이 수행되고 있고, 유체를 제어하는 방법으로 오랫동안 표면 습윤성 기울기를 이용한 액적조작이 적용되어 왔다. 많은 연구자들이 액적 이송의 구동원리를 규명하기 위해 실험 및 수치해석적 연구를 수행하였으며 액적 내부의 힘의 평형이나 에너지를 이용하여 설명하고 있다.
본 연구는 수치해석을 이용한 액적 이송의 기초연구로써 시간에 따른 액적의 움직임을 파악하고자 상용 소프트웨어인 FLUENT의 VOF모델을 사용하여 수치해석을 진행하였다. 먼저 친수성 및 소수성 수평 표면위의 액적 퍼짐현상을 통해 표면 습윤성 기울기를 가지는 표면위에서 액적의 응집력과 부착력과의 관계를 확인하고 격자의존성 연구를 수행하였다. 이를 통해 표면위에 놓인 액적의 기초적인 거동을 파악하였고, 액적의 형상 및 곡률 변화가 급격히 일어나는 영역에 대하여 격자의존성이 크다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 초친수, 초발수 표면에서 액적퍼짐 및 되튐현상을 액적낙하 실험과 비교하여 본 수치해석을 통한 유동해석의 적합성을 확인하였다.
그리고 명(2014)이 제시한 액적 이송에 대한 새로운 방법인 친수성과 소수성의 단순한 복합표면 경계 위에 놓인 액적에 대하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 액적 형상과 액적 내부에너지 변화에 대한 수치해석 결과를 통해 액적의 구동원리가 친수성 표면에서 벽면 부착력과 소수성 표면에서 응집력으로 인한 상승효과와 강한 비평형 형상이라는 것을 확인하였다.

Recently, a fluid transport technique is a key issue for the development of microfluidic systems due to the advancement in microfabrication technology. The surface tension overpowers the inertial force and becomes a dominant force in microscale systems. Therefore, fluidic actuation driven by surface tension has drawn much attention of researchers.
A surface wettability gradient has long been applied to control droplet actuations due to the advantage of immediately and naturally droplet movement without external power sources.
Many researchers carried out experimental or numerical studies and examined mechanism for droplet movement through the equilibrium of forces and energies inside the droplet.
As the fundamental studies of the droplet transport by numerical simulation, this study is simulated by using a commercial CFD package, Fluent, with a volume of fluid (VOF) model in order to analyze the droplet motion over time.
First, the grid dependence and the relationship between the adhesive force and cohesive force is confirmed through the spreading motion of droplet on hydrophilic and hydrophobic horizontal surface having surface wettability gradient.
Also, numerical results for the spreading and bounce phenomenon on super-hydrophilic and super-hydrophobic surface compare with the experiment in order to confirm the suitability in this numerical study.
Finally, Three-dimensional analysis for the movement of water droplet is numerically investigated based on the newly method which has proposed by Myong(2014). The new method is that a droplet deposited across the boundary between hydrophilic and hydrophobic surfaces. And the mechanism of an actual water droplet transport is examined through the numerical results of droplet shape and energies inside the droplet. It is found that the strong non-equilibrium state inside the droplet due to the synergistic effect of cohesion force on hydrophilic surface and adhesion force on hydrophobic surface is the key mechanism for droplet movement.

목 차
국문요약
List of figures and tables
Nomenclatures and subscripts
제 1장 서론
1.1 연구 배경
1.2 연구 목적
제 2장 수치해석 방법
2.1 지배방정식
2.2 CSF 모델 및 벽면부착 경계조건
제 3장 표면 위의 액적퍼짐 및 충돌 해석
3.1 서론
3.2 친수성/소수성 표면위의 액적퍼짐 현상
3.2.1 수치해석 조건
3.2.2 수치해석 결과
3.3 실험과 수치해석의 비교
3.3.1 실험 및 수치해석 조건
3.3.2 초친수 표면위의 액적 충돌
3.3.3 초발수 표면위의 액적 충돌
제 4장 무동력 액적이송 메커니즘
4.1 서론
4.2 친수성/소수성 표면상에 액적이송
4.2.1 수치해석 조건
4.2.2 친수성/소수성 표면상에 반구형 액적의 거동
4.2.2.1 반구형 액적이송의 수치해석 결과
4.2.2.2 반구형 액적이송의 에너지 분석
4.2.2.3 반원통형/반구형 액적의 해석결과 비교
4.2.3 친수성/소수성 표면상에 구형 액적의 거동
4.2.3.1 구형 액적이송의 수치해석 결과
4.2.3.2 구형 액적이송의 에너지 분석
4.2.3.3 원통형/구형 액적의 해석결과 비교
제 5장 결론
References
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