Air Entrainment / 공기혼입

어떤 자유 표면 유동에서는 난류나 유동조건(, 충돌하는 제트기류 같이)에 의해 자유표면에서 공기가 혼입될 수도 있다. 이는 여수로의 유동, 병의 충진과 금속 주조시의 불순물 예측 같은 다양한 종류에 이용된다.

FLOW-3D에서는 공기의 혼입은 two-fluid model 을 이용하거나, 한가지 유체의 경우에는 공기혼입 모델을 이용하여 이루어질 수 있다. 공기혼입모델은 Model Setup–>Physics 탭에서 활성화된다. 이 모델은 균형력(중력과 표면장력)과 비균형력(난류) 사이의 평형을 이용하여 기체(공간에 의해 나타내지는)가 유체로 유입되는 비율을 추산한다. 이 모델의 주 목적은 자유표면에서의 난류에 의한 공기혼입을 계산하는 것이 주 관심사이지만, 자유표면과 충돌하는 층류 제트에 의한 공기혼입을 다룰 수 있는 논리도 있으므로 난류와 층류 둘 다에 대해 다 적용될 수 있다. 난류를 모델링하는 경우는Two-equation (k ε), RNG 또는 Two-equation (k ω)가 추천된다. 이 모델들은Physics Viscosity and Turbulence 에서 활성화되며, 난류섹션에서 더 자세히 기술되어 있다.

 

공기혼입모델 사용시 Entrainment rate coefficient(유입 비율 계수)는 양수로 정의되어야 하고, default값은 0.5이며 대부분의 경우 초기(특정한 값을 알지 못할 경우)값으로 적합하다. 유체의 표면장력계수 또한 유입 공기량을 정의하는 힘의 평형에 미치는 표면장력을 포함하기 위해 정의될 수 있다. 이는 표면장력 모델을 활성화 시키지는 않는다.

이 기본 유형에서 이 모델은 유동에 영향을 미치지 않는다는 점에서 주 유동에 수동적으로 작동한다. 이는 공기혼입이 상대적으로 작을 때(<10%) 충분하다. 그렇지 않을 경우에는 유동이 공기혼입의 영향을 받을 수 도 있다. 이 효과는Activate bulking Activate buoyancy options을 선택하고 관련 변수들을 정의함으로써 포함될 수 있다. Activate bulking 옵션은Density evaluation모델이 공기혼입으로 인한 불균형 밀도를 고려할 수 있게 해 준다. (밀도 변화 유동 참조). 이 경우 모델 설정창에서 for Density of phase #2에 대한 값들을 넣어주어야 한다.

Activate buoyancy 옵션은 Drift-flux모델이 두 상간의 상호작용을 고려하는 것을 가능하게 해준다. 이를 위해서는 Activate bulking  옵션이 이미 활성화되어 있어야 한다. 이 경우 공기버블은 밀도의 차이로 인해 유체 안에서 움직일 수 있고 유동에 영향을 미친다. Drift Flux에서 이 모델에 대한 상세한 설명을 참조하라. 만약에Allow gas to escape at free surface 항목이 체크되면 Escape of Gas through a Free Surface에서 기술된 것과 같이 유입된 공기가 기포로 들어갈 수가 있다.

다이캐스팅 해석과 같은 높은 압력이 적용될 때 많은 변화를 고려할 수 있는 특별 공기혼입 모델이 있다. 이는 위에서 기술한 수동모델과 유사하나 이는 커다란 갇혀 있는(단열) 버블들로부터 혼입된 공기의 손실을 구현할 수 있으므로 전적으로 수동모델은 아니다. 더구나 혼입된 공기는 이상 기체 방정식을 이용하여 기체의 질량으로 기록이 된다. 그리고 그에 상응하는 혼입공기의 체적은 그 위치에서의 온도와 압력에 대한 같은 기체 방정식을 이용하여 계산되므로 주조시뮬레이션의 마지막 단계에 높은 압력이 가해지면 커다란 압축 때문에 혼입가스의 체적은 작아진다. 이 모델은 모델 설정창에서Activate Pressure Dependence option을 선택함으로써 활성화된다. 이 옵션이 선택되면 특정 기체상수(Air gas constant)를 지정해야 하고 온도가 계산되지 않으면 개략적 용융 금속 온도가 추가로 기체 상태방정식(Reference Temperature기준온도)를 위해 필요하게 된다. 압력과 온도는 기체 상태방정식 사용을 위해 절대온도로 지정되어야 한다.

공기혼입모델은Vol. fraction of entrained air(혼입 공기 체적율)의 양을 계산하고 저장하는데, 이는 공간과 history plots의 후처리에서 가능하다.

Note:
압력에 따라 변하는 옵션으로 기준 온도는 국부적인 유체온도로 지정되는데, 그 이유는 기체온도가 그 위치 유체온도에 의해 영향을 받기 때문이다.