소금 용해  / Salt Dissolution

액체의 소금 용해는 식품 가공, 의료 어플리케이션에 이르기까지 많은 CFD 어플리케이션과 관련됩니다. 이 기사는 유체에 소금을 녹이고 소금물에서 용질을 추적하는 전산 모델의 예비 결과를 설명합니다. 제안된 모델은 소금과 유체 사이의 계면에서의 물질 전달, 고체 염의 체적과 형태의 변화, 유체에서 용해 된 염의 확산과 대류, 점도 및 표면 장력, 그리고 마지막으로 유체 밀도의 변화와 같은 기본적인 물리적 현상을 설명합니다.

소금 모델링에 대한 수치적 접근

액체 내의 용해된 염의 양은 그의 질량 농도 C로 표시 된다. 액체 / 고체 염분 경계에서의 소금의 질량 유량 Q 는 Q = k ( C SAT – C )로 정의되며, 여기서 k는 일정 질량 전달 계수이고 CSAT 는 소금의 포화 농도이다. 유체 혼합물 밀도는 소금 농도의 선형 함수로 가정됩니다. 체적은 또한 농도에 따라 다를 수 있습니다. 예를 들어 상온에서 포화 된 해수 (염수)의 밀도는 담수의 밀도보다 약 26% 크며 부피는 13% 증가합니다.

일단 용해 된 소금이 계산 그리드의 제어량에 분배되면, 확산 및 대류가 혼합물 내에서 염을 인계하고 재분배합니다. 유동 영역에서 고체 염의 존재와 유체에 용해된 용적 및 형태의 변화를 설명하기 위해 GMO (General Moving Object) 모델의 변형이 개발되었습니다. 솔리드 솔트를 나타내는 지오메트리 구성 요소는 특수 유형의 구성 요소로 지정됩니다. 이동하는 대신 모양과 볼륨이 변경됩니다. 면적 및 부피 분율은 고체 염의 점진적인 용해를 반영하여 매 시간 단계마다 다시 계산됩니다.

시험 예 : 약물 용해

모델은 피부 패치에서 땀에 의해 약의 고체 결정의 용해를 근사하는 테스트를 사용하여 설명됩니다. 도메인의 3 차원 기하학은 Fig. 1. 도메인의 크기는 4.5 mm x 2 mm x 0.8 mm입니다. 동일한 원통형 장애물 ( “핀”)의 규칙적인 패턴이 정의되며, 각 핀의 직경은 0.5 mm이고 높이는 0.65 mm입니다.

그림 1. 테스트 문제에 대한 계산 도메인의 개략도. 화살표는 입구 경계를 나타냅니다. 초기 고체 염분 블록은 녹색 성분으로 표시됩니다.
염분 용해 속도는 도메인이 모세관 력에 의해 유체에 의해 처음으로 채워지는 속도보다 훨씬 작기 때문에, 문제는도 1의 화살표로 나타낸 방향을 따라 고정 된 유속으로 한정된 유동으로 모델링된다. 그 결과를도 1에 나타낸다. 2.

그림 2. t = 48 초 (오른쪽) 유체의 농도에 의해 색깔 소금 블록의 모양과 바닥 경계 (왼쪽)을 따라 수평 단면의 유체에 용해 소금의 분포.

5,000 dynes의 압력 차이는 0.25cm/sec의 평균 유속을 산출합니다. 평균 유속은 유속과 함께 유속이 증가함에 따라 소금이 용해됨에 따라 점진적으로 증가합니다. 용해된 염분이 흐름에 의해 씻겨지기 때문에 고체 염분의 상향 류 측은 하류 측보다 빨리 용해됩니다. 하류 쪽의 혼합물은 더 포화되어 이 지역의 용해 과정을 늦춘다. 이 특별한 시험의 또 다른 관찰은 대류와 비교하여 유체에서 염의 확산이 작다는 것입니다.
새로운 소금 용해 모델은 FLOW-3D에 유용한 추가 기능 입니다. 첫 번째 원칙에 입각하여 이 모델은 소금 채굴에서부터 천연 가스 저장을 위한 지하 공동 생성, 약물 전달, 금속 합금에 이르기까지 다양한 상황에서 사용될 수 있습니다. 움직이는 물체 모델을 멋지게 확장 한 것으로, 시간에 따라 달라지는 면적 및 부피 분율을 사용하여 움직이는 단색 경계를 설명합니다.