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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 신승원
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수26
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2019
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본 연구에서는 자유 운동하는 액적과 입자 간의 충돌현상을 모사하여 시뮬레이션을 진행하였다. 유체와 고체 간에 발생하는 상호작용의 경우 Fictitious Domain Method를 활용하여 모델링하였고 움직이는 유체-유체 계면을 추적하기 위해서 Level Contour Reconstruction Method를 추가적으로 구성하여 개발된 코드로 시뮬레이션을 진행하였다.
실제 현상으로의 적용을 위해 3차원 유동장 해석이 진행되어야 하지만 2차원 평면 유동장 해석 코드를 먼저 구성하여 몇 가지 수치조건 등을 검증하는 과정을 포함하여 수치코드의 정확성을 확인하였다. 검증된 수치코드로 2차원 평면 유동장에서의 입자-액적 실린더가 자유낙하할 때 발생하는 상호작용 해석을 진행하여 다수 연구를 통해 현상이 규명된 입자-입자 실린더 자유낙하 경우와 비교 분석하여 대략적인 경향성을 확인하였다.
2차원 평면 유동장 해석에 이어 2차원 축대칭 유동장 코드를 구성하여 3차원성을 포함한 액적과 입자 간의 상호작용을 해석하고자 하였다. 2차원 평면 유동장 코드와 동일하게 몇 가지 벤치마킹 시뮬레이션을 진행하여 코드의 정확성을 먼저 확인하였다.
Wet scrubber 혹은 부유먼지와 빗방울의 충돌과 같은 실제 현상의 경우, 상대속도, 크기 혹은 크기의 비, 중력 가속도, 방향성, 그리고 중심축 간의 거리 등 다양한 변수가 존재하지만 본 연구에서는 크기와 크기의 비만을 변수로 center to center 로 충돌하는 경우에 국한해서 시뮬레이션을 진행하였다. 아울러 현상의 단순화를 위해 충돌 전의 경우는 고려하지 않았고 충돌하는 순간부터를 해석하고자 하였다. 이때, 액적의 형태는 완벽한 구형을 유지한다는 가정을 하였고 상대속도를 고려하지 않기 때문에 액적과 입자가 초기에 단순히 접촉한 상태로 초기 접촉각만이 추진력이 되어 상호작용이 발생하게 된다.
시뮬레이션 결과는 무차원수: 크기의 비 Dr와 Ohnesorge 수에 따라 분석하였고 그 결과는 separation 그리고 merging 두 가지 경우로 나뉘었다. 동일한 크기의 액적에 대해서 Dr에 따라 가속도가 변화하는 것을 확인하였고 이에 대하여 분석하기 위해 입자에 대한 액적의 접촉면적 및 접촉면적 비를 분석하였다. 아울러, 분할하거나 뭉치는 현상에 따른 물리적 특성을 확인하기 위해 각각 Dr에 따른 입자-액적의 속도를 비교 및 분석하였다. 마찬가지로 분할 및 뭉치는 경우에 대해서 입자에 작용하는 두 가지 힘: 액적이 입자를 당기는 힘 (표면장력), 입자가 액적으로부터 벗어나려는 힘 (관성력)을 비교 분석하였다. 그리고 초기 상대속도를 고려한 경우에 대해서 추가적으로 시뮬레이션을 진행하였고 그 결과를 기존의 결과와 비교하는 등 다양한 변수를 포함한 경우에 대한 해석의 어려움과 필요성에 대해 언급하였다.
실제 현상으로의 적용을 위해 3차원 유동장 해석이 진행되어야 하지만 2차원 평면 유동장 해석 코드를 먼저 구성하여 몇 가지 수치조건 등을 검증하는 과정을 포함하여 수치코드의 정확성을 확인하였다. 검증된 수치코드로 2차원 평면 유동장에서의 입자-액적 실린더가 자유낙하할 때 발생하는 상호작용 해석을 진행하여 다수 연구를 통해 현상이 규명된 입자-입자 실린더 자유낙하 경우와 비교 분석하여 대략적인 경향성을 확인하였다.
2차원 평면 유동장 해석에 이어 2차원 축대칭 유동장 코드를 구성하여 3차원성을 포함한 액적과 입자 간의 상호작용을 해석하고자 하였다. 2차원 평면 유동장 코드와 동일하게 몇 가지 벤치마킹 시뮬레이션을 진행하여 코드의 정확성을 먼저 확인하였다.
Wet scrubber 혹은 부유먼지와 빗방울의 충돌과 같은 실제 현상의 경우, 상대속도, 크기 혹은 크기의 비, 중력 가속도, 방향성, 그리고 중심축 간의 거리 등 다양한 변수가 존재하지만 본 연구에서는 크기와 크기의 비만을 변수로 center to center 로 충돌하는 경우에 국한해서 시뮬레이션을 진행하였다. 아울러 현상의 단순화를 위해 충돌 전의 경우는 고려하지 않았고 충돌하는 순간부터를 해석하고자 하였다. 이때, 액적의 형태는 완벽한 구형을 유지한다는 가정을 하였고 상대속도를 고려하지 않기 때문에 액적과 입자가 초기에 단순히 접촉한 상태로 초기 접촉각만이 추진력이 되어 상호작용이 발생하게 된다.
시뮬레이션 결과는 무차원수: 크기의 비 Dr와 Ohnesorge 수에 따라 분석하였고 그 결과는 separation 그리고 merging 두 가지 경우로 나뉘었다. 동일한 크기의 액적에 대해서 Dr에 따라 가속도가 변화하는 것을 확인하였고 이에 대하여 분석하기 위해 입자에 대한 액적의 접촉면적 및 접촉면적 비를 분석하였다. 아울러, 분할하거나 뭉치는 현상에 따른 물리적 특성을 확인하기 위해 각각 Dr에 따른 입자-액적의 속도를 비교 및 분석하였다. 마찬가지로 분할 및 뭉치는 경우에 대해서 입자에 작용하는 두 가지 힘: 액적이 입자를 당기는 힘 (표면장력), 입자가 액적으로부터 벗어나려는 힘 (관성력)을 비교 분석하였다. 그리고 초기 상대속도를 고려한 경우에 대해서 추가적으로 시뮬레이션을 진행하였고 그 결과를 기존의 결과와 비교하는 등 다양한 변수를 포함한 경우에 대한 해석의 어려움과 필요성에 대해 언급하였다.
목차
제 1 장 서론 1제 2 장 수치해석 52.1 지배방정식 52.2 유체-유체 계면 추적 및 contact line 모델링 72.3 움직이는 고체에 대한 해석 10제 3 장 2차원 평면 유동장에서의 액체-입자 실린더 연성 시뮬레이션 153.1 2차원 평명 유동장에서의 코드 검증(벤치마킹) 153.1.1 고체 실린더 자유낙하 153.1.2 액면 위로 자유낙하하는 고체 실린더 183.1.3 자유표면 위에서 회전하는 직사각형 강체 213.2 2차원 평면 유동장에서의 액체와 입자 실린더 상호작용 해석 23제 4 장 2차원 축대칭 유동장에서의 액적-입자 연성 시뮬레이션 274.1 2차원 축대칭 유동장에서의 코드 검증(벤치마킹) 274.1.1 고체 실린더 자유낙하 284.1.2 액면 위로 자유낙하하는 고체 실린더 304.2 자유 운동하는 입자-액적의 초기 접촉에 의한 상호작용 334.2.1 시뮬레이션 개요 334.2.2 액적의 크기 및 액적-입자 크기의 비에 따른 결과 분석 374.2.3 상대속도에 따른 Merging 및 Separation 분석 454.2.4 입자에 작용하는 힘에 따른 Merging 및 Separation 분석 474.3 자유 운동하는 입자에 충돌하는 액적 52제 5 장 결론 56참 고 문 헌 59영문요약 62
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