초소수성 곡률 표면에 충돌하는 액적의 움직임에 관한 수치해석 연구 :Numerical analysis of impinging droplet on superhydrophobic curved surface

이동욱

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이동욱 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 신승원

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

초소수성 실린더 표면에 충돌하는 액적의 움직임에 관한 수치해석 연구

이동욱 , 신승원 한국전산유체공학회지 2018.03 학술저널

초소수성 곡률 표면에 충돌하는 액적의 움직임에 관한 수치해석 연구

이동욱 기계공학과 2018.01 학위논문

2017

초소수성 곡률 표면 위에서의 액적 충돌 과정의 수치해석 연구

이동욱 , 신승원 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2017.11 학술대회자료

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액적과 표면의 접촉은 공학적인 측면에서 많이 활용 되고 있다. 그에 따라 액적과 고체 표면의 충돌 현상에 대하여 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔다. 액적과 충돌하는 표면의 상호작용에 대한 연구는 물리적으로 액적의 거동을 이해하기 위해 연구가 진행되고 있다. 즉, 액적의 충돌 후 퍼짐, 반동, 수축, 응축, 분산 등 나타나는 현상들은 다양한 변수들에 의해 액적의 거동이 바뀌게 되며 그로 인해 복잡한 유동양상을 보인다. 따라서 이러한 모든 변수들의 영향을 고려하여 실험적으로 물리적 현상을 분석 하는 것은 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 수치해석을 이용하여 특별한 조건에서 액적과 충돌하는 경우 액적의 변화양상을 파악하고자 한다.
본 연구는 다상유동 수치해석이 가능한 Level Contour Reconstruction Method (LCRM)을 사용하여 3차원 액적 충돌 현상을 구현하였다. 본 연구에서는 액적과 접촉하는 표면의 형상이 곡률을 가질 경우(실린더 표면), 액적의 움직임에 대해 분석하였으며 또한 액적의 동적 거동을 다르게 할 수 있는 접촉각에 대한 조건을 고려하였다. 특별히 전진각 165°, 후진각 160°인 초소수성 표면 조건의 경우에 대해 해석을 진행하였다. 곡률이 있는 표면에 초소수성 표면처리를 통해 액적의 형상 변화는 더욱 더 커질 것이라 예상된다. 액적의 축방향, 원주방향, 접촉시간, 액적과 곡률 표면의 접촉 면적에 대한 정량적인 분석을 실시하였으며 액적의 거동에 지배적으로 영향을 줄 수 있는 액적의 충돌 속도 와 실린더 크기의 변화를 달리 하여 그 변화를 확인 하며 유동 구조에 대해 정량적인 분석을 수행하고자 한다.

The contact between the droplet and the solid surface is widely utilized in engineering applications. Many studies have been conducted on collision phenomena between droplets and solid surfaces to understand the physical behavior of the droplet. Various behaviors such as spreading, retracting, condensation, and splashing can be observed during droplet collision onto solid surface. These interactions between the droplet and impacting surface can be affected also by various variables. As a result, the droplet collision phenomenon becomes very complicated process. It is very difficult to analyze the physical phenomena experimentally or theoretically considering all the variables involved. Thus numerical analysis can be an effective tool. We have numerically studied the impact process of the 3D droplet on cylindrical surface using Level Contour Reconstruction method (LCRM). We have focused on geometrical effect from curved surface. Due to curvature of the wall, dynamics of the droplet would be quite different compared to the flat surface. We also paid great attentions to the contact line behavior. To augment the curvature effect, cylindrical surface with superhydrophobic characteristic was considered in this study. It is expected that the dynamic behavior of the droplet will become significantly different for the curved surface with superhydrophobic treatment. First, the effect of velocity on the cylinder which has comparable diameter to the impacting droplet (highly curved solid surface). Second, we analyzed the impacting same size droplet onto the cylinder with different size to check the effect from changing curvature of the solid surface. Detailed quantitative analyses on interaction of the droplet and the curved wall were performed including change of contact diameters in axial and circumferential direction, maximum and average contact area during the impact, detachment time etc.

제 1 장 서론 1
제 2 장 수치해석 모델링 6
2.1 지배방정식 6
2.2 Level Contour Reconstruction Method (LCRM) 8
2.3 Contact line modeling 10
제 3 장 시뮬레이션 조건 구성 13
3.1 수치 형상 및 측정 변수 정의 13
3.2 Benchmarking 16
제 4 장 곡률 효과가 큰 실린더에서 충돌 속도에 따른 영향 분석 19
4.1 액적 충돌현상 이론 정의 및 측정 정의 19
4.2 기준 조건 23
4.3 충돌 속도 변화에 따른 분석 24
4.3.1 속도별 축 방향과 원주방향 지름 변화 24
4.3.2 수평 평판 이론 관계식을 통한 곡률 평판과의 비교 분석 27
제 5 장 실린더 지름 크기에 따른 결과 분석 35
5.1 실린더 직경의 크기에 따른 액적 형상 변화 35
5.2 충돌 속도 변화에 따른 분석 36
5.2.1 축방향과 원주방향 지름변화 분석 36
5.2.2 접촉면적 분석 38
5.2.3 접촉시간 분석 40
제 6 장 결론 52
참고문헌 55
영문요약 58

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