Particles / 입자

Lagrangian 입자모델은 Physics Particles 에서 접근할 수 있다.

입자는 질량이 없거나(표식입자)또는 질량을 가질 수 있다. 표식입자에 대해 Type밑에서 Marker Particles 를 선택한다. 질량입자는 군일하거나 다른 크기 또는 밀도를 가질 수 있다. Mass particle 종류중의 하나를 선택한다: Identical particles, Variable density, 또는 Variable diameter. 입자 직경과 밀도는 선택한 입자 형태에 따라 Particle diameter Particle density에 의해 지정된다.

입자는 초기 블록, 연속소스 또는 이력입자로 유동 내로 유입될 수 있다. 입자의 직사각형 블록은 Particle Block(s)옆의 Edit 를 선택함으로써 모사 초기에 정의될 수 있다. 다음 창이 나타난다;

Particle block 를 체크하고 3개 직각좌표 방향 각각에서 블록의 형상 경계를 정한다. 2차원 모사에서도 3번째 (사용되지 않는) 방향에서의 상하격자 경계를 지정해야 한다. 다음,  # of species  를 정한다: 이는 초기블록에 들어갈 입장의 다른 직경 또는 크기의 수이다.  이는 Variable density 또는 Variable diameter 형태의 질량입자에만 해당한다. 그 후 생성될 최소, 최대 크기를 정한다(Min size Max size 각각). 중간크기의 입자들은 이 크기 사이의 등 간격 크기를 갖도록 생성된다. 각 좌표 방향으로의 입자수를 정한다. 블록 내에서 어떻게 배열되는지는 하기에서 기술된다.

연속입자소스는 모사 중에 입자를 생성하는데 이용될 수 있다. 입자 생성율은 Particle source(s)Edit 를 선택함으로써 지정된다. 다음 창이 나타난다.

Insert Row를 클릭하고 3개 직각 좌표 방향(원통형 격자블록이 이용되면 y 를 각도로) 각각에서 소스블록의 형상경계를 정한다. 2차원모사에서도 3번째 (사용되지 않는) 방향에서의 상하격자 경계를 지정해야 한다. 다음,  # of species 를 정한다: 이는 초기블록에 들어갈 입장의 다른 직경 또는 크기의 수이다. 이때에 생성될 최대, 최소 크기를 지정한다(Min size Max size각각). 중간입자크기는 이 크기 사이에서 등간격으로 생성된다. 이는 Variable density 또는 Variable diameter 형태의 질량입자에만 해당한다. 선택으로 초기입자 속도가 주어질 수 있다: 이는 표식입자는 모멘텀을 가지지 않으므로 Mass particles에만 해당한다. Rate 는 입자 생성율을 조정한다; 이는 단위시간당 입자수로 정의된다(일반적으로 초로).

보통 때는 입자가 시간과 공간에서 단지 평균 간격과 생성율로 무작위로 생성된다. 이를 변경하는 것이 가능하다. 입자 블록의 공간에서 규칙적으로 입자를 생성하기 위해 Physics Particles Initialization Regularized in space in initial block 를 택한다. 규칙적 생성을 위해 Physics Particles Initialization Regularized in time 를 선택한다. 둘다 (초기블럭에서 간격과 소스에서 규칙적 생성을 위해) 선택하기 위해 Physics Particles Initialization Regularized both in space and time를 선택한다.

한 가지의 입자들은 Add history particle Particle Location 를 이용하여 특정위치에서 초기화 될 수 있다. 이 입자들은 이동 탐침 들로 작용한다.  이들은 유체 내에서 이동할 때 주위의 유동변수들을 기록하고 표준 정지이력 탐침과 유사한 이력 그림을 이용하여 이들을 출력한다.  이 탐침 들, 또는 이동 이력 점들은 표식입자일 수도 있고 ……Add history particle Particle history options Size 에 의해 정해진 크기를 갖는 질량입자일 수도 있다. 질량 탐침 입자는 또한 초기속도 (Add history particle Particle history options Particle velocity)를 가질 수 있다. 출구경계와 만나는 이동 탐침 들은 격자의 마지막 위치에서 정지 이력점 들이 될 수 있다. 이동 이력점 들의 거동에 대한상세한내용은 History Probes 를 참조하라

반발계수(Physics Particles Properties Coefficient of restitution) 는 벽과 부딪힐 때의 입자 모멘텀의 손실을 조절한다. 이 계수가1이면 손실이 없고 0이면 충돌벽면에 수직한 방향의 모멘텀은 완전 손실이 된다. 계수가 음이면 입자가 처음 벽과 부딪힌 후 그대로 벽에 머물게 된다(Particle/Wall Interaction를 보라).

입자와 벽과의 상호작용은 단지 fully blocked 셀 표면에서만 발생한다. 부분적으로 막힌 셀 경계에서는, 다공 매체를 포함하여, 입자는 반발계수의 값에 상관 없이 항상 저항 없이 인접한 셀로 전달된다.

Physics Particles Properties Free surface interaction 는 입자/자유표면 상호작용을 조절한다. 자유표면 상호작용이 1일경우 입자는 유체나 공간에서 움직일 수 있고 자유표면으로 침투할 수 있다. 자유표면 상호작용이 -1일 경우 입자는 자유표면으로 침투할 수 있으나 공간지역(예를 들면 유체 내에서 상승하는 기포를 나타내는 입자들)에서는 소멸된다. 0인경우는 자유표면으로 침투하려는 질량입자가 표면에서 잡힌다.

표식 및 질량입자 둘 다 상수인 확산계수, (Physics Particles Properties Diffusion coefficient) 또는 점성(Physics Particles Properties Inverse Schmidt number)에 비례하는 확산계수에 따라 확산이 된다.

질량입자는 또한 전장에 기인하는 전하를 가질 수 있고 전기력을 입자에 미친다(Electric Fields참조). 이는 Physics Electro-mechanics Electro-mechanics options Electric potential Particle charge 에서 정해진다.

재시작하면서 입자를 도입하는 것도 가능하다. Physics Particles 에서 입자선택을 지정하고 General Restart Particles Particle data reset in input 을 선택한다. 이는 솔버가 재 시작하고 이전의 결과가 아니고 입력파일에서 입자 데이터를 사용하는 것을 뜻한다. 이를 Numerics Fluid solver options Use constant velocity field 를 선택하여 일정 속도유동과 결합시키는 것이 가능하다.

질량입자는 관성이 있으므로 자체 속도가 있다.  질량 입자역학에 미치는 주변 유체의 효과는 항력을 통하여 고려된다. 항력은 Particles Properties Drag coefficient 에서 지정한다

입자들은 다른 방식으로 서로 유체 내에서 상호작용한다. 정상적으로, 유체는 입자를 이동시키나 입자는 유동에 영향을 미치지 않는다(Particles Properties Partial fluid particle interaction). 이는 유체 내의 입자크기나 밀도가 작다면 잘 맞는다. 그렇지 않다면 질량입자 운동은 입자/유체 항력에 따라 유동에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 양방향의 입자/유동 모멘텀 전달 모델을 활성화시키기 위해 Particles Properties Full fluid particle interaction 를 지정한다. .

입자소스가 정의되는 서브루틴 PARSOR 는 소스형태로 주어져서 사용자가 예를 들면 시간에 따른 생성률 변화를 정의하는 입자소스를 규정할 수 있다. Customizing FLOW-3D: Subroutines Included in Distribution을 참조하라.

질량입자는 일정한 밀도와 변하는 크기, 그리고 평균입자온도에 의한 열 에너지를 갖는 액체방울을 나타내는데 이용될 수 있다. 이런 입자들은 Thermal particles 이라고 불리며 유체분율 F > 0에 의해 기술되는 유체인 유체1의 방울을 나타낸다. 그러므로 이런 입자의 물리적 물성은 유체1과 같다.

이러한 형태의 입자는 유체1의 기포를 포함하는 기체공간을 냉각하는데 이용 가능하다. 냉각(또는 가열)은 응축 및(또는) 입자 표면에서의 기화와 같이 입자와 그 주변과의 열전달의 결과이다.

열입자는 단지 열전달과 상변화를 갖는 가스 내에서만 존재한다. 열입자가 유체 1지역으로 이동할 때 액체 내로 흡수되어 입자는 소멸된다.

이 절 앞에서 언급되었듯이 열입자들은 밀도를 포함한 유체 1의 물성을 갖는다. 또한 사용자는 유체1보다 큰 Particle density 값을 정의할 수 있으며 이 경우 개별 입자는 유체에 대한 입자의 밀도의 비율에 해당하는 수를 갖는 방울들의 집합을 나타낼 것이다.

열입자는 Mass Sources 모델이 활성화된 2유체 압축성 모델과 함께 사용될 수 있다. 유체2로 나타나는 가스는 유체1의 기포를 포함하고 또한 Non-condensable gas component 포함할 수 있다.

Particle source(s)에 추가하여 질량(그리고 열)입자가 또한 Spray bar 라고 불리는 특별 질량/모멘텀 소스에 의해 생성될 수 있다. 하나의 spray bar 는 개념적으로 축상에서 균일 간격에 있는 원통 둘레에 일련의 구멍을 갖는 파이프이다. 초기에 좌표원점에 중심이 있으며 z 방향을 향하는 bar는 원하는 방향으로 회전되고 이동할 수 있다. 다수의 spray bar가 모사 시에 사용될 수 있다.

다른 질량 모멘텀 소스와는 달리 Spray bar 소스는 지정된 질량 또는 체적유량을 갖는 mass particles 를 생성한다. 유량은 바에 있는 구멍에서 나가는 연속적 액체 제트가 빠르게 대부분이 구멍의 직경의 1.89배(Lord Rayleigh 의 이론적 예측에 의해)되는 방울들로 부서진다는 가정 하에서 입자들로 변환된다. 이런 입자들은 많은 수의 계산 사이클 동안에 지정된 유량이 나가는 것으로 확실케 해주는Monte Carlo 견본 추출법에 의해 특정 구멍의 위치에서 나가도록 지정된다.

모든 소스와 초기입자 블록에 있는 Physics Particles 에서 정의된다.

Note:

  • 표식입자는 주변 유동의 속도로 움직인다. 같은 위치에서 한 줄로 나오는 표식입자는 유동에서 streaklines 를 가시화하는데 이용될 수 있다.
  • 열입자모델은 기포로부터 새 방울들(즉 액체입자들)을 형성할 수 없다.
  • 열입자 밀도는 유체1의 밀도보다 작을 수 없다.

See also:

Discrete Particle Dynamics