Surface Tension / 표면 장력

표면장력은 기체와 액체 사이 또는 두 섞이지 않는 액체 사이에서 뚜렷한 경계면에 접한 평면에 작용하는 힘이다. 이 힘은 두 물질 사이 분자간 힘의 차이에 의해 발생한다. FLOW-3D 에서 표면장력은 1 또는 2유체의 유동에서 모델링 될 수 있으며 항상 General Interface tracking 에서 활성화된 Free surface or sharp interface 모델과 함께 사용 되어야 한다.

이 모델은 Physics Surface tensionActivate surface tension model 를 체크함으로써 활성화된다. 표면장력 계수는(Surface tension coefficient, SIGMA) 또는 물성치 트리에서 지정된다: Fluids Surface Tension Surface Tension Coefficient. 여기서 정의되는 전반적 Contact angle은 경계면이 고체벽 경계와 고체요소를 만날 때 습윤거동을 조절한다. 접촉각 변수는 0.0(완전습윤)과 1.0(완전 비습윤) 사이의 값을 취한다. 추가로 각 요소의 개별적 접촉각이 Meshing and Geometry Component Properties Surface properties Component Contact Angle에서 지정될 수 있다. 그렇지 않은 경우 전반적인 Contact angle로 기본값이 지정된다.

기본설정은 90도의 접촉각이다. 표면장력이 활성화되면 벽 접착이 활성화된다; 어떤 요소에서는 벽 접착을 해제시킬 수 없다. 모든 유체는 고체표면에서 접착 거동을 보여주며 습윤이거나 비습윤에 상관 없이 그 거동을 나타내기 위해 거동이 접촉각을 지정하는 것이 필요하다.

표면장력 계수는 온도의 함수이다. 온도와 표면장력간의 단순한 선형 관계식을 위해 다음에 따르는  Temperature Dependence (Fluids 내 Temperature sensitivity)에 대한 값을 준다.

where: 여기서

  • σ 는 계산된 표면 장력계수
  • σ0 는 사용자 정의된 Surface tension coefficient
  • Temperature Dependence
  • T 는 지역온도이며
  • T 는 사용자 지정 Reference Temperature (Fluids Properties에서 지정)

이 값들은 Physics Surface tension 대화상자나 Fluids Surface Tension에서 입력된다. 온도 의존 모델을 사용하기 위해서 유체 내 열 전달을 활성화 시키는 것이 필요하다.(Physics Heat transferFluid internal energy advection).

표면장력이 온도의 선형함수가 아닌 경우, Surface tension coefficient in Fluids Surface TensionTabular 버튼을 선택함으로써 표면장력 및 온도와 관련된 표 형식의 데이터를 입력할 수 있다.

자유표면이 부서지고 변형되는 유동에서 작은 유체방울이 간혹 표면장력 압력 계산의 수치적 잡음 때문에 발생될 수 있다. 이 방울들은 작은 표면 곡률 때문에 표면 압력 분포에 바람직하지 않은 변화를 일으킬 수 있다. 이런 방울 들은 이러한 수치적 부 정확성을 감소시키기 위해 제거될 수 있다. 이 옵션은 Fluid fraction cleanup in Numerics Volume-of-fluid advection Advanced options의 값을 입력함으로써 조절된다.

이 변수에 양수 값을 지정하면 유체분율 제거옵션이 활성화된다. 한 셀과 그 주변 셀의 유체분율 값이 이보다 작으면 유체는 그 셀에서 완전히 제거될 것이다.

제거된 체적은 누적 체적 에러로 기록되고 시간의 함수로 모사 후에 그려진다.; 이는 Fluid fraction cleanup 선택이 유체 체적이 크게 변경된 경우 보여진다. 2유체 표면장력 문제의 Fluid fraction cleanup 기본값은 0.05이다. 다른 모사의 경우 이의 기본값은0이다.

표면장력 모델은 곡률, 즉, 2차 미분 값에 의존하기 때문에 코드내의 다른 모델보다 불규칙한 격자에 더 민감하다. 가능하면 정육면체(2차원의 정사각형)에 가까운 제어체적을 사용하는 것을 추천한다.