초소수성 수평 벽면 위 단일액적의 응축 상변화 현상에 대한 수치해석 연구 :Numerical investigation of single droplet condensation on superhydrophobic horizontal wall

최해찬

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최해찬 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

발행연도: 2019

저작권: 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (6)

2019

초소수성 수평 벽면 위 단일액적의 응축 상변화 현상에 대한 수치해석 연구

최해찬 기계공학과 2019.01 학위논문

2018

수평 벽면 위 계면 온도 관계식을 적용한 단일 액적 응축과정에 관한 수치해석 연구

최해찬 , 신승원 대한기계학회 춘추학술대회 2018.12 학술대회자료

수평벽면에서 응축에 따른 액적 성장과정의 수치해석 연구

최해찬 , 신승원 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2018.05 학술대회자료

2017

초소수성 표면 위 단일 액적의 초기 접촉 조건에 따른 점핑현상연구

최해찬 , 신승원 한국전산유체공학회지 2017.12 학술저널

초 소수성 표면 위 단일 액적 점핑 과정에 대한 수치연구

최해찬 , 신승원 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2017.11 학술대회자료

초소수성 표면 위 초기 접촉각에 의한 액적의 표면에너지 분석

최해찬 , 신승원 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2017.05 학술대회자료

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응축 열전달은 액적응축(Dropwise condensation)과 막응축(Filmwise condensation), 두 가지 경우로 나눌 수 있다. 이러한 응축 현상은 표면의 상태에 따라 두 가지 중 한 가지의 형태로 발생한다. 응축의 대부분 형태는 액체 막이 응축표면 전체를 덮고, 중력의 작용으로 표면으로부터 막이 연속적으로 흘러내리는 것이다. 막응축(Filmwise condensation)은 일반적으로 깨끗한 오염되지 않은 표면에서 일어난다. 그러나 표면이 젖는 것을 방지하는 물질로 피복 되었다면 액적응축(Dropwise condensation)이 일어날 수 있다. 상변화에 의한 응축물은 냉각 표면과 수증기 사이의 열저항 역할을 한다. 흐름의 방향으로 형성되는 응축물의 두께는 열저항에 큰 영향을 끼친다. 높은 응축률과 열전달률을 유지하기 위해서는 응축물의 두께가 적은 액적응축(Dropwise condensation)이 막응축(Filmwise condensation)보다 훨씬 우월하다. 따라서 응축 열전달의 효율성을 높이기 위해 상변화 된 액적들이 표면에 정체되어 막응축(Filmwise condensation)으로 전환되기 전에 표면의 개질을 통해 액적을 점핑시켜 제거하는 방향으로 액적응축(Dropwise condensation)이 발생하도록 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 수치해석을 통하여 두 가지 관점에서 연구를 진행하였다. 액적 상변화연구 전 선행연구로서 첫 번째 관점으로는 액적 내부에서 발생한 국부 열 유속 차이로 액적의 상부와 하부에서의 서로 다른 응축속도에 의한 비대칭성 증가에 따른 단일 액적의 점핑현상에 초점을 두고 진행하였다. 비대칭성에 의한 영향을 보다 정량적인 분석을 위해서 열전달을 고려하지 않고 초기형상의 변화를 통하여 단일 액적의 움직임을 추적하였다. 상 경계면 추적은 Hybrid Interface 추적 기법인 Level Contour Reconstruction Method를 적용하였다. 초기 접촉각 및 반지름으로 초기형상의 변화를 주어 점핑 현상에 어떠한 영향을 미치는지 에너지 관점으로 접근하였다. 이를 통하여 점핑 직전의 액적 점핑속도 및 시간에 따른 액적의 위치를 파악하였다.
두 번째 관점 측면에서는 상변화가 발생할 때 액적 표면과 액적 주위의 수증기 영역에서 열 전달량을 계산하고 이때 열전달이 액적 거동에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 물리현상과 다소 비슷하게 구현하고자 Energy equation과 Navier stokes equation을 동시에 계산하고자 하며 액적 내부뿐만 아니라 수증기 영역에서도 유동과 전도에 의한 열전달을 고려하였다. 온도 관계식을 액적 표면에 적용하여 정확한 질량생성량을 계산하고자 하였다. 액적과 수증기, 액적과 냉각 표면 그리고 냉각 표면과 수증기 간의 열 전달량 분포의 경향성을 파악하고 이론 식과 비교하여 분석하는 것이 목표이다. 또한, 액적 표면에서 상변화가 발생할 때 이전 선행연구에서 확인되었던 액적 거동이 발생하는지를 알아보고자 한다.

Condensation heat transfer can be divided into cases of dropwise condensation and flimwise condensation. Condensation phenomena occur in one of these two forms depending on the surface conditions. Film condensation is the process by which the liquid film covers the entire condensation surface and the film flows continuously from the surface by gravity. Film condensation usually occurs on a clean, unpolluted surface. However, if the surface is coated with a material that prevents it from getting wet, then a dropwise condensation may occur. Condensate due to phase change acts as a thermal resistance between the cooling surface and the water vapor. Since this resistance is influenced by the thickness of the condensation in the direction of flow, dropwise condensation is far more advantageous than filmwise condensation to maintain a high heat transfer rate. Therefore, in order to increase the efficiency of condensation heat transfer, studies have been conducted to ensure the dropwise condensation by making droplet produced by the phase change jumping off through surface modification before it is converted into filmwise condensation.
In this study, two perspectives were developed through numerical analysis. Prior to the liquid phase change study, the first point of view was to focus on the jumping of a single droplet due to the increase in asymmetry due to different condensate rates at the top and bottom of the droplet. To obtain a more quantitative assessment of the effects of asymmetry, movement of a single droplet was tracked through initial shape changes without considering heat transfer. The Level Contour Reconstruction Method is applied to tracking phase interfaces. The energy analysis was applied to access the effect from the initial shape changes with the contact angle and radius on jumping phenomenon. Through this perspective, the droplet jumping speed and time immediately before jumping was determined.
The second point of view is to calculate the amount of heat transfer during dropwise condensation process of a single droplet, and to confirm the effect of heat transfer on the droplet movement. In order to simulate the physical phenomenon, the energy equation and the Navier-Stokes equation are simultaneously calculated. At this time, a temperature relation was applied to the droplet surface to calculate the exact mass production by phase change. The energy transfer rate at the liquid-vapor, liquid-solid, solid-vapor interface were analyzed respectively. More than 80% of the heat transfer was ejected from the droplet to the cooling surface and 12% was transfered from the water vapor region to the cooling surface around the droplet.
Through this study, the final goal is to effectively observe the overall droplet phase change process by dividing the area, rather than continuously calculating the droplet growth process during the phase change of the droplet.

제 1 장 서론 1
제 2 장 수치해석 기법 6
2.1 지배방정식 6
2.1.1 초 소수성 표면 위 단일 액적 거동연구 6
2.1.2 초 소수성 표면 위 단일 액적 상변화연구 9
2.2 상 경계면 추적 기법 12
2.3 Contact line modeling 14
2.4 액적 표면 온도 모델링 16
제 3장 수치해석 모델 조건 24
3.1 초 소수성 표면 위 단일 액적 거동연구 24
3.2 초 소수성 표면 위 단일 액적 상변화연구 27
제 4 장 수치해석 결과 및 분석 30
4.1 초 소수성 표면 위 단일 액적 거동연구 30
4.1.1 액적 표면에너지 이론 30
4.1.2 초기 접촉각 영향에 대한 분석 32
4.1.3 초기 반지름 영향에 대한 분석 36
4.2 초 소수성 표면 위 단일 액적 상변화연구 43
4.2.1 액적 상변화이론 43
4.2.2 수치해석 결과 분석 46
제 5 장 결론 56
참 고 문 헌 61
영문요약 64

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