입자 직경과 질량이 서로 다른 두 가지 변화로 인한 시뮬레이션 결과

유체 역학을 사용한 미세 유체 입자 분류

Microfluidics Particle Sorting Using Hydrodynamics

미세 유체 입자 분류는 진단, 화학적 및 생물학적 분석, 식품 및 화학 처리, 환경 평가에 적용됩니다. 미세 유체 분류 플랫폼 사용의 주요 이점은 더 작은 샘플 볼륨이 필요하다는 것입니다. 그 결과 비용과 시간이 감소합니다. 진단에서는 환자의 침습성을 감소시킵니다. 또한, 이러한 소형 플랫폼은 대규모 병렬화가 가능하므로 더 적은 시간에 더 많은 수의 입자 분류가 가능합니다.

수동 또는 능동 기술을 사용하여 정렬을 수행 할 수 있습니다. 패시브 기술은 외부 필드를 필요로하지 않으며 입자, 유동장 및 채널 구조 간의 상호 작용에만 기반합니다. 반면에 능동적 기술은 자기 또는 전기와 같은 외부 필드를 사용합니다. 아래 애니메이션은 미세 유체 플랫폼의 유체 역학을 기반으로하는 수동 분류 기술을 사용하여 세 가지 입자 종의 입자 분류를 보여줍니다.

최첨단 FlowSight에서 후 처리 된 FLOW-3D  입자 물리학 모델을 사용한 미세 유체 입자 분류 시뮬레이션

이 블로그에서는 위에 표시된 정렬 기술의이면에있는 물리학과 이러한 시뮬레이션을 수행 할 때 FLOW-3D 를 사용하는 방법에 대해 설명합니다 .

유체 역학적 분류 기술 뒤에있는 물리학

이 기술은 낮은 레이놀즈 수 영역에서 입자가 질량과 직경을 기준으로 유동장에서 특정 유선을 따른다는 원칙에 따라 작동합니다. 질량이 일정하다는 점을 감안할 때 직경이 작은 입자는 항력이 적고 직경이 큰 입자는 항력이 더 커집니다. 이로 인해 더 큰 입자가 주변의 흐름과 함께 쉽게 제거됩니다. 더 작은 입자와 그 궤적은 유체 역학적 힘의 영향을 덜받습니다.

직경이 모든 입자 종에 대해 동일하지만 밀도와 질량이 다를 때 입자 분류 중에 다른 동작을 볼 수 있습니다. 같은 직경의 입자에 대한 항력은 동일하지만 더 무거운 입자는 더 큰 관성력의 영향을 받기 때문에 감속하기가 어렵습니다. 반대로, 더 가벼운 입자는 감속하기가 더 쉽습니다. 따라서 결과적으로 가벼운 입자는 주변의 흐름과 함께 쉽게 사라지고 무거운 입자는 그 경로를 유지합니다.

입자 분류 시뮬레이션을위한 FLOW-3D

FLOW-3D 의 입자 모델을 사용하면 입자 정렬 시뮬레이션을 매우 쉽게 수행 할 수 있습니다. 모델에는 마커, 질량, 유체, 가스 또는 보이드 입자와 같은 다양한 입자 클래스를 설정할 수있는 옵션이 있습니다. 이 시뮬레이션을 위해 질량 입자가 사용되었습니다. 특정 유형의 입자 등급은 직경과 밀도에 따라 다른 종을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 위의 애니메이션에는 질량 입자 클래스에 대해 세 가지 종이 있습니다.

질량 입자의 역학은 확산 계수, 항력 계수, 난류 슈미트 수 및 복원 계수와 같은 속성으로 제어 할 수 있습니다. 질량 입자는 열적 및 전기적 특성을 지정할 수도 있습니다. 사용자가 입자에 동시에 작용하는 여러 힘을 연구하려는 경우 이러한 속성을 완전히 활용할 수 있습니다.

결과

아래 이미지는 질량과 반경을 변경하는 두 가지 시뮬레이션 사례의 결과를 보여줍니다.

입자 직경과 질량이 서로 다른 두 가지 변화로 인한 시뮬레이션 결과
입자 직경과 질량이 서로 다른 두 가지 변화로 인한 시뮬레이션 결과

직경이 작은 입자 (왼쪽 창에 파란색) 또는 질량 (오른쪽 창에 녹색)이 적은 입자는 수축의 상단으로 이동하고 발산 지점에서 위쪽으로 발산하는 유선을 따릅니다. 직경이 더 크거나 (왼쪽 창에서 녹색) 질량이 더 큰 (오른쪽 창에서 파란색) 입자는 수축의 아래쪽으로 이동합니다. 수축을 빠져 나가면 이러한 입자는 아래쪽으로 갈라지는 유선을 따릅니다.

채널 형상, 입자 매개 변수 및 유동 특성을 기반으로하는 미세 유체 입자 분류 장치의 미세 입자 분류에 대한 정확한 수치 분석은 이러한 미세 장치의 더 나은 설계에 사용될 수 있습니다.

함께 FLOW-3D 의 강력한 입자 모델, 미세 유체 입자 정렬 시뮬레이션을 설정하기 쉽습니다. 블로그 시작 부분의 애니메이션은 서로 다른 입자 종의 깔끔한 분류와 서로 다른 콘센트에있는 각 종의 수집을 보여줍니다.

Moving Boundaries: An Eulerian Approach

Moving Boundaries: An Eulerian Approach

많은 문제에서, 유체 및 고체 영역의 내부 경계가 그 안에서 이동할 수 있도록하면서 공간에 고정 된 그리드를 유지하는 것이 유리합니다. 이는 리 메싱의 필요성을 피할 수 있으므로 이러한 경계의 형태에 급격한 변화가 발생할 때마다 적절합니다. 메시 생성도 크게 단순화되었습니다.

고정 그리드 내에서 유체 인터페이스, 침전물, 응고 된 유체 및 탄성 재료의 경계 이동을 모델링하기위한 다양한 접근 방식이 표시됩니다. 유체 경계의 이동은 VOF (Volume-of-Fluid) 방법의 변형으로 수행되며, 각 계산 셀에서 유체의 양을 나타내는 양이 고정 메시를 통해 조정됩니다.

퇴적물의 침식 및 퇴적은 퇴적물 수색 모델을 사용하여 계산됩니다. 국부적 인 침식 속도는 패킹 된 퇴적물 / 유체 경계면에 존재하는 국부적 인 전단 응력을 기반으로하며, 증착은 Stokes 유동 근사치로 예측됩니다.

Emptying of gravure cell (same cell dimensions as filling case); a
three-dimensional perspective is shown. The transfer roll surface
(block at top) is moving away from the gravure roll at 0.5m/s. The
static contact of the fluid with all surfaces is 30°. The elapsed time
is 150

충진 층 경계면은 퇴적물 농도와 퇴적물의 포장 분율에 따라 달라집니다. 용융 금속은 온도가 빙점 아래로 떨어지면 굳을 수 있습니다. 응고 된 “유체”는 동결 및 용융을 유발하는 열유속의 양으로부터 결정된대로 표면이 증가하거나 수축하는 고체처럼 처리됩니다.

탄성 응력은 응고 된 재료 / 공기 인터페이스를 예측하는 VOF 방법을 사용하여 동일한 고정 그리드 내의 운동량 균형에 탄성 응력 계산을 추가하여 응고 된 영역에서 계산됩니다.

매우 일시적인 흐름 문제의 경우 유체와 공극 공간 사이 또는 두 개의 혼합 불가능한 유체 사이에있는 유체 인터페이스는 문제의 역학에 따라 자유롭게 움직여야합니다.

한 가지 해결책은 인터페이스와 함께 변형되는 메시를 만드는 것입니다. 이것은 시뮬레이션 중에 인터페이스의 형태가 거의 변경되지 않는 상황에서 잘 작동합니다. 그러나보다 일반적인 경우에는 시뮬레이션 중에 새 메시를 반복적으로 생성해야하거나 변경되지 않은 메시 내에서 자유 표면 경계를 생성하는 방법이 필요합니다. 이 작업은 후자를 제시합니다. VOF (Vol-of-fluid) 함수는 자유 표면의 위치를 추적하는 데 사용됩니다. 또한이 함수는 곡률을 계산하여 표면 장력의 영향을 예측하는 데 사용됩니다.

https://www.flow3d.com/wp-content/uploads/2014/08/Moving-Boundaries-an-Eularian-Approach.pdf

Settling Tanks

FLOW3D의 침전물 제거 및 드리프트 플럭스 모델은 침전 탱크, 이차 클라리퍼 및 기타 유사한 구조물을 따라 순환하는 입자의 정착 과정을 모델링 하는 데 매우 유용한 도구입니다. 이러한 모델을 사용하면 사용자가 입자 지름, 드래그 계수 등과 같은 개별 특성을 사용하여 모델에 여러개의 구성을 입력할 수 있습니다.

표준 출력물에는 유체 내 침전물 농도와 포장된 침전물 축적 및 가까운 기하학의 단단한 표면에 누적되는 비율이 포함됩니다. 전체적으로 시스템의 추가적인 유압 특성(예:전체적인 유압 효율과 잔류 시간)은 스칼라 추적 모델의 동시 사용을 통해 쉽게 얻을 수 있다. 이동 물체(밸브나 게이트 개방의 작용 등)를 포함하여 단순하고 효율적으로 솔리드 객체를 표현하는 FLOW-3DFAVOR™방법을 사용하면 재메싱 작업에 소요되는 시간이 최소화된 기하학적 매개 변수 공간을 매우 효율적으로 연구할 수 있습니다.

FLOW-3D에서 벽, 다공성 벽 또는 플럭스 측정 표면의 역할을 할 수 있는 완화된 객체는 이러한 유형의 시뮬레이션에 사용할 수 있는 모델링 접근 방식에 추가적인 유연성을 제공합니다.

3D 프린팅 시뮬레이션 기술 자료 모음

본 자료에서는 분말 또는 와이어를 층별로 적층 제조하는 3D프린팅 과정에 대해 3차원 수치해석 시뮬레이션이 가능한 FLOW-3D 제품과 기술에 관련된 자료를 찾아볼 수 있습니다. FLOW-3D는 주요 금속 적층 제조 공정인 파우더 베드 융접(PBF), 직접 에너지 증착(DED) 및 바인더 분사 공정에 대해 FLOW-3D는 높은 정확도의 시뮬레이션 기능을 제공합니다.

현재 3D 프린팅 및 레이저 용접 시뮬레이션에 FLOW-3D를 사용하고 있는 기관들은 포항공대, KAIST, 부산대학교, 성균관대학교 등 국내 여러 대학들과 한국생산기술연구원, 한국기계연구원, LG전자, 현재조선해양(현대중공업) 등 많은 기관에서 연구개발에 사용되고 있습니다.

FLOW-3D는 자유수면(VOF), 상변화, 열전달 등 여러 면에서 탁월한 정확도를 가지고 있는 제품으로 특히 국내외 적층 제조 분야에서 독보적인 위치를 차지하고 있습니다.
아래에 3D 프린팅 관련 기술을 연구 개발하는데 참고가 될 만한 관련 자료 및 링크를 제공합니다.

  1. Weld
  2. Additive Manufacturing
  3. DEM(Discrete Element Method)